Системы автоматизированного управления водоочистных станций в оптимальном режиме

Автоматизированные и автоматические системы управления дают возможность значительно интенсифицировать и оптимизировать технологические процессы, сокра­тить трудозатраты на обслуживание установок, повысить надежность работы станции, снизить расход реагентов, повысить степень очистки воды и обеспечить снижение себе­стоимости обработанной воды. Наибольший эффект дает комплексная автоматизация всей водоочистной станции с широким применением средств вычислительной техники.

В настоящее время в мировой и отечественной практике водоснабжения на теоре­тическом уровне и стадиях проектных разработок достаточно разработаны системы ав­томатического управления насосами первого и второго подъема, поступления и отбора воды из резервуаров, обеспечения требуемых напоров и расходов воды, подаваемой в водопроводные сети. На этих составляющих системы водоснабжения достигнуто реаль­ное внедрение элементов контроля и управления сооружениями и устройствами.

Что касается систем контроля и автоматического управления технологическими про­цессами (АСУ ТП) очистки воды на станциях, то они ограничены в основном контролем уровней воды в резервуарах и параметров работы насосов по расходу (Q) и напору (Н).

В преобладающем числе на действующих водоочистных станциях управление техно­логическими процессами осуществляется вручную или с помощью электрифицированных приводов задвижек, дозаторов реагентов, работающих в полуавтоматическом режиме.

Из-за отсутствия надежных, апробированных в отечественных производственных условиях, первичных автоматических приборов по быстрому и непрерывному контро­лю за основными показателями качества обрабатываемой воды после основных водо­очистных блоков на станции действующие регламенты и инструкции по эксплуатации водоочистных сооружений предусматривают, как правило, изменение режимов работы сооружений только по указанию технологов на основе аналитического контроля за ка­чеством очищенной воды и сезонным изменением качества воды на входе перед очист­ными сооружениями.

В данном разделе рассмотрены один из возможных подходов к комплексной авто­матизации станции водоочистки и алгоритмы оптимального управления технологичес­кими процессами очистки воды.

Характеристики объекта управления

Современные водопроводные очистные станции являются комплексами сооруже­ний, предназначенных для реализации ряда технологических процессов, конечная цель которых - получение требуемого количества воды заданного качества.

Состав сооружений станции зависит от типа водоисточника (открытый водоем, подземный источник), качества воды в водоисточнике и других факторов. Далее рассмо­трим станцию как некоторую типовую, конкретизируя состав очистных сооружений. В состав такой типовой станции входят, например, следующие сооружения (рис. 18.4): насосная станция 1-го подъема (1); смесители (2); реагентное хозяйство и оборудование для приготовления озоновоздушной смеси (3); камеры хлопьеобразования (4); отстой­ники (5); осветлительные фильтры (6); контактный резервуар озонирования (7); сорбци­онные фильтры (8); резервуар чистой воды (9).

Работа каждого сооружения может быть автоматизирована. В таблице приведен перечень основных сооружений и автоматизируемых процессов.

Анализ таблицы показывает, что процессы водоподготовки отличаются рядом осо­бенностей:

• каждое сооружение является сложным объектом, в котором протекает множе­ство процессов (механической, химической, тепловой, электрической);
• непрерывная смена режимов работы из-за колебаний водопотребления и изме­нений показателей качества исходной природной воды;
• территориальная рассредоточенность объектов, особенно при наличии не­скольких точек водозабора;
• большое количество разных, часто взаимосвязанных технологических процес­сов;
• сложность процессов водоподготовки.

Состав сооружений типовой станции

Специфика каждого сооружения требует своей собственной системы управления. Структура и алгоритмы управления каждой такой системы индивидуальны и определя­ются технологическими процессами, протекающими в сооружениях.

Вместе с тем работа всех сооружений объединена одной целью - подготовка воды требуемого качества. Желательно также, чтобы затраты при этом были наименьшими. Отсюда следует, что работа автоматических систем управления всех сооружений долж­на быть скоординирована, согласована и подчинена единой цели.

Обслуживающему персоналу в удобном виде должна быть представлена исчерпы­вающая информация о параметрах работы всей водоочистительной станции, показате­лях качества воды и т.д. Необходимо также формировать отчеты по заданным формам, накапливать данные о работе станции и качестве исходной воды, поддерживать связь с другими объектами коммунального хозяйства и т.д.

Структура системы автоматизированного оптимального управления режимами работы водоочистной станции

Структурный анализ водоочистительной станции позволяет расчленить ее на ряд взаимосвязанных сооружений и устройств, решающих самостоятельные задачи. Основ­ной принцип организации станции - иерархический. Это означает, что все составляю­щие части станции находятся в определенной подчиненности в соответствии с услови­ями работы.

Поэтому автоматизированная система управления станции также должна строить­ся по иерархическому принципу. Конфигурация станции и опыт создания подобных ав­томатизированных систем приводят к трехуровневой структуре управления.

Первый (нижний) уровень - это исполнительные механизмы (насосы, задвижки, затво­ры, клапаны, вентили), а также устройства сбора информации (датчики давления, расхода, температуры, уровнемеры, датчики определения показателей качества воды и т.д.).

Второй уровень - локальные системы управления (ЛСУ) отдельными сооружения­ми. На этом уровне наблюдается большое разнообразие, так как технологические про­цессы существенно отличаются. В настоящее время такие системы управления активно внедряются в производство. Подобные системы управления автоматизируют работу от­дельного сооружения, позволяют достичь оптимального в некотором смысле протека­ния технологических процессов в этом сооружении.

На третьем (верхнем) уровне осуществляется отображение для персонала инфор­мации о функционировании станции, сбор и статистическая обработка данных, подго­товка отчетов, предупредительная и аварийная сигнализация, предусматривается воз­можность связи с другими автоматизированными системами. Каждый из уровней соеди­нен с другим уровнем информационными связями в соответствии с иерархической структурой. Верхний уровень может получить информацию от нижнего уровня только через второй, и наоборот. Таким образом, достигается функциональная законченность каждого уровня и возможность их автономной работы снизу вверх.

Технологические требования к приборам и средствам автоматизации Технические средства, с помощью которых строится автоматизированная система управления, делятся на следующие группы:

1. Информационные средства - датчики исходной информации.
2. Средства обработки информации и принятия решений.
3. Линии передачи информации.
4. Исполнительные устройства.

Приборы и средства автоматизации должны соответствовать специфике технологи­ческих процессов, реализуемых на сооружениях водоочистной станции.

Датчики исходной информации

Специфическими датчиками являются приборы для определения показателей каче­ства воды. Работа этих датчиков может быть основана на различных принципах и их можно разделить на электрохимические, к которым относятся кондуктометрические, по­тенциометрические и амперометрические; оптические, к которым относятся фотометри­ческие и спектральные; хроматографические. Для работы в системах управления датчи­ки должны непрерывно выдавать информацию, иметь высокую чувствительность и точ­ность. Аппаратурные решения при реализации датчиков специфичны для каждого пока­зателя. В общем случае структурная схема датчика соответствует схеме, представленной на рисунке, и состоит из следующих основных блоков: первичного преобразователя для преобразования измеряемой неэлектрической величины в первичный электрический сиг­нал (1); измерительной схемы для усиления и дальнейшего преобразования первичного электрического сигнала (2); эталона, по отношению к которому производится сравнение измеряемой величины (3). В современных измерителях выходной сигнал может преобра­зовываться в цифровую форму для передачи в вычислительное устройство (4).

В качестве примеров можно привести спектрофотометрические датчики измерения цветности АОВ-Ю и измерения мутности АОВ-9, ТВ-346, амперометрический датчик определения избыточной концентрации хлора АПК-01, электрометрический датчик ак­тивной концентрации ионов pH (рН-201).

Кроме этих специфических датчиков на водоочистных станциях широко применя­ются стандартные датчики расхода воды и реагентов, датчики давления и уровня, дат­чики температуры и др.

Средства обработки информации и принятия решений

В настоящее время в качестве этих средств должны использоваться в основном промышленные контроллеры различной вычислительной мощности, наборы микропро­цессорных плат, персональные компьютеры в промышленном исполнении. Эту вычис­лительную технику выпускают как зарубежные фирмы, например Advantech, Simens, Analog Devices, Octagon Systems, Omron, так и отечественные. Для сопряжения цифро­вых вычислительных средств и аналоговой техники применяются специальные модули У СО (устройства связи с объектом).

На первом (нижнем) уровне автоматизированной системы управления используют­ся, как правило, простые микроконтроллеры с ограниченными возможностями. На вто­ром уровне (управление сооружением) должны находиться высокопроизводительные промышленные компьютеры и контроллеры, способные принимать и обрабатывать ин­формацию от десятков датчиков и управлять десятками исполнительных устройств. На третьем уровне применяются один или несколько персональных компьютеров в промы­шленном исполнении.

Линии передачи информации

Так как автоматизированная система получается распределенной, для связи в еди­ное целое систем разных уровней приходится применять различные каналы передачи информации. Как правило, это цифровые каналы, специально разработанные для про­мышленного применения. Широко используются каналы, работающие по стандартам RS-232C, RS-485. Для связи вычислительных средств второго и третьего уровня может применяться и локальная вычислительная сеть (например, Ethernet). В случае, когда ка­кое-нибудь сооружение находится на значительном расстоянии, вполне оправданно при­менение радиоканалов для передачи информации.

Исполнительные устройства

Все исполнительные устройства являются, как правило, электрическими. Это раз­нообразные двигатели: синхронные, асинхронные, постоянного тока. Двигатели могут иметь собственные системы управления, отслеживающие регулирование технологичес­ких параметров путем изменения их частоты вращения. С помощью электрических дви­гателей приводятся в движение различные насосы, мешалки, компрессоры, насосы-до­заторы. Задвижки, затворы, клапаны также имеют электрический привод.

Алгоритмическое обеспечение является одной из важнейших составляющих АСУ. Алгоритмы работы локальных систем управления отработаны в достаточной степени и применяются на многих действующих станциях.

Оптимальное функционирование всей системы в целом определяют алгоритмы ра­боты ЭВМ верхнего уровня. Именно они составляют отличительную особенность пред­лагаемого подхода. Кроме общепринятых алгоритмов сбора, переработки и отображе­ния информации важнейшую роль играют алгоритмы расчета значений оптимизируе­мых параметров для выработки уставок на системы управления второго уровня. Эти ус­тавки формируются таким образом, чтобы оптимизировать работу всей водоочисти­тельной станции в соответствии с каким-либо критерием. Чаще всего в качестве такого критерия выбирается экономический, например приведенные затраты.

На рисунке представлена укрупненная блок-схема алгоритмов ЭВМ верхнего уровня, отражающая особенности технологических процессов водоочистной станции.

Блок-схема алгоритма работы ЭВМ верхнего уровня

Современный уровень развития программирования управляющих систем значи­тельно облегчает разработку и сопровождение программного обеспечения, повышает надежность программного продукта. Практически все проекты, разрабатываемые в на­стоящее время, используют так называемые SCADA-системы, предназначенные для со­здания программ, управляющих технологическими процессами (отечественная SCADA-система Trace Mode). Программное обеспечение функционирует в среде опера­ционных систем реального времени (QNX, RTX и др.).

SCADA-системы позволяют легко программировать стандартные (П, ПИ, ПИД) за­коны регулирования, обеспечивают выполнение любых логических функций, позволя­ют наглядно отобразить всю цепочку технологических процессов станции, представля­ют требуемую информацию о параметрах станции и т.д.

Программирование специальных, нестандартных алгоритмов осуществляется на языках высокого уровня (например, С. Паскаль).

Вернуться к списку