Разработка мини-станции для автоматического управления насосом

1. Вопросы автоматизации насосных станций

 

1.1 Общая классификация насосов

 

Государственный стандарт определяет насос как машину для создания потока жидкой среды. Развитие этого определения приводит к пониманию насоса как машины предназначенной для перемещения жидкости и увеличения её энергии. При работе насоса энергия, получаемая им от двигателя превращается в потенциальную, кинетическую и в незначительной мере в тепловую энергию потока жидкости.

Насосы относятся к классу гидравлических машин.

Классификация насосов по энергетическому и конструктивному признакам представлена на рис. 1.1.1.

ГОСТ 17398–72 подразделяет насосы на два основных класса: динамические и объёмные.

В динамических насосах передача энергии потоку происходит под влиянием сил, действующих на жидкость в рабочих полостях, постоянно соединённых с входом и выходом насосов. Характерными представителями этого класса являются центробежные и осевые насосы. Среди динамических насосов, применяемых в промышленности, наиболее распространены лопастные, в которых жидкая среда перемещается под воздействием движущихся лопастей, и вихревые. В последних жидкость перемещается в тангенциальном направлении благодаря действию плоских радиальных лопастей, расположенных по периферии рабочего колеса.

Большое распространение лопастных машин обусловлено удобством комбинирования их с приводными двигателями, компактностью при больших подачах, достаточно высоким КПД, возможностью достижения высоких давлений.

 

1.2 Понятие об автоматических насосных станциях

Все основные операции на насосной станции (открытие задвижки на всасывающем трубопроводе; включение вакуум-насоса, если отсутствует заливка из напорного трубопровода; включение электродвигателя рабочего насоса; отключения вакуум-насоса; открытие задвижки на напорном трубопроводе; работа насоса; укрытие задвижки; остановка насоса) могут быть автоматизированы. При помощи элементов автоматизации насосные агрегаты могут включаться или отключаться в зависимости от уровня воды в резервуарах и давления в трубопроводах. Насосные агрегаты автоматически отключаются также в случаях перегрузки двигателя, падения напряжения в сети, прекращения подачи воды насосом, перегрева подшипников и т. д. Сигнализацию об изменении уровня воды в резервуарах и давления в трубопроводе осуществляют различные реле, в том числе реле уровня.

Применяются полуавтоматические и полностью автоматические насосные станции. На первых процесс пуска отдельных насосных агрегатов частично или полностью автоматизирован, но первоначальный импульс производится вручную персоналом станции. На автоматических насосных станциях включение отдельных агрегатов, их остановка и все операции по регулированию во время самой работы производятся автоматически без участия обслуживающего персонала. Наибольший экономический эффект и наивысшие технические показатели дают полностью автоматизированные насосные станции.

1.3 Анализ существующих схемотехнических решений датчиков уровня жидкости

Для автоматизации насосных станций применяются специальные электромагнитные, механические, гидравлические и тепловые приборы. В частности, в настоящее время, вариация схемотехнических решений датчиков уровня жидкости очень многообразна. Среди прочих схем данного типа можно выделить несколько, отличающихся своей простотой, которые мы рассмотрим ниже.

Поплавковое реле уровня предназначено для воздействия на электрическую цепь при определенном уровне воды в резервуаре. В резервуар, в котором контролируется уровень жидкости, погружается поплавок 1 (рис. 1.3.1), подвешенный на конце троса, перекинутого через блок 3. На другом конце его укреплен уравновешивающий груз 9. На обеих ветвях троса укреплены две переключающие шайбы 2 и 8, которые при предельных уровнях жидкости в резервуаре поворачивают коромысло 4 контактного устройства 6 и замыкают контакты проводов 7 и 5. Эти контакты в свою очередь замыкают или размыкают соответствующие исполнительные цепи управления. Во избежание неустойчивой работы агрегата необходимо обеспечить мгновенное перемещение контактов из одного положения в другое.

Сильфонное реле уровня (рис. 1.3.2) состоит из гофрированной тонкостенной трубки 2, закрытой с двух концов. В дне этой трубки сделано отверстие, где закреплен штуцер 1 для включения реле в трубопровод. На стержне 5 прикреплен рычаг 4, соединенный с контактами 3. При повышении давления трубка 2 сильфона растягивается, приподнимает рычаг 4, и цепь сети управления разрывается. При снижении давления пружина 6 сжимает трубку 2 и переводит рычаг 4, вследствие чего цепь сети управления через линейные провода Л₁ и Л₂ замыкается. Беспоплавковое реле уровня работает при давлении 1·10⁵ Н/м²

Рис. 1.3.1. Поплавковое реле уровня

Рис. 1.3.2. Сильфонное реле уровня

Реле давления электроконтактного типа изображено на рис. 1.3.3 Как и в обычных манометрах, основной частью его является трубчатая пружина 1. Электроконтактный манометр имеет два неподвижных контакта – левый 2, замыкающийся при давлении ниже предельного, на которое он рассчитан, и правый 4, замыкающийся при давлении, превышающем установленную – для него величину. Подвижный контакт 3 укреплен на стрелке манометра. Контактная система и изоляция манометра допускают возможность включения их в цепи управления напряжением до 380 В переменного тока или 220 В постоянного тока.

Рис. 1.3.3. Реле давления (электроконтактный манометр типа ЭКМ)

Реле времени (рис. 1.3.4) устанавливается, чтобы обеспечить выдержку времени (от нескольких секунд до нескольких минут) между отдельными операциями при автоматическом управлении. Реле состоит из двух неподвижных контактных пружин и двух биметаллических пластинок, каждая из которых состоит из двух разных металлов с различными коэффициентами расширения.

При нагревании такой пластинки одна часть ее расширяется больше, другая – меньше, благодаря чему пластинка изгибается. На одной из пластинок намотана нагревательная обмотка. При прохождении тока через обмотку пластинка нагревается и, изгибаясь, замыкает или разрывает цепь управления.

Рис. 1.3.4 Реле времени

Электромагнитное реле (рис. 1.3.5) широко используется в схемах автоматики и телемеханики. Реле срабатывает от сравнительно слабого тока, но оно может включить электрические цепи, по которым проходит ток значительно большей силы.

Следовательно, реле является промежуточным звеном между цепью слабого тока и исполнительной цепью значительно большей мощности.

Рис. 1.3.5. Схема электромагнитного реле телефонного типа

На железный стержень (сердечник) 1 надета катушка с обмоткой 2 из медного изолированного провода. При прохождении тока через обмотку сердечник притягивает якорь 6, укрепленный на корпусе реле в шарнире 5. Притягиваясь к сердечнику, якорь замыкает электрические контакты 4, укрепленные на контактных пластинках 3. Последние соединены с исполнительной электрической цепью проводами. Если тока в обмотке реле нет, пружинящие контактные пластины сами размыкают цепь, поворачивают якорь вокруг шарнира 5 и отводят его от сердечника.

На рис. 1.3.6 приведена простейшая схема автоматического управления одним насосным агрегатом при помощи поплавкового реле уровня и магнитного пускателя. Импульс от поплавкового реле передается на агрегат без промежуточного реле. Так как реле уровня РУ работает на рабочем напряжении, то контакты его должны быть рассчитаны на силу тока в катушке магнитного пускателя, включающего электродвигатель. Система работает следующим образом. При заполнении резервуара водой поплавковое реле разрывает цепь катушки магнитного пускателя МП.

Рис. 1.3.6. Простейшая схема автоматического управления одним насосным агрегатом

Последний, сработав, размыкает три фазы МП₁ МП₂ и МП₃ силового тока. Двигатель выключается. Когда же уровень воды опускается до нижнего предела, поплавковое реле РУ замыкает цепь катушки магнитного пускателя МП и двигатель включается в работу. В схеме предусмотрена защита двигателя от перегрузки – термическое реле РТ. Контроля за работой агрегата, а также сигнализации в схеме нет; предусмотрена установка переключателя П для переключения на ручное управление.

Такая схема может применяться лишь при небольшом расстоянии между насосом и резервуаром, когда падение напряжения и проводах, соединяющих катушку магнитного пускателя с поплавковым реле уровня, незначительно. Для работы реле на пониженном напряжении устанавливается понижающий трансформатор.

Электроконтактные реле уровня. Действие их основано на использовании электропроводимости жидкостей и сыпучих материалов. При достижении уровнем (например, жидкости) металлического электрода сопротивление между электродом и металлической стенкой сосуда резко изменяется. Это изменение сопротивления приводит к изменению тока в цепи электрод – стенка сосуда, подключенной к источнику ЭДС.

На рис. 1.3.7 изображен простой электроконтактный сигнализатор уровня. В момент достижения уровнем жидкости электрода Э ток в

Рис. 1.3.7. Электромагнитный сигнализатор уровня

Управляющей цепи база – эмиттер становится таким, что транзистор переходит в режим насыщения и лампа Л1 (12 В, 105 мА) зажигается, сигнализируя о наполнении емкости. Вместо лампы может быть использовано любое реле с I_сраб=100 мА. Контакты реле могут замыкать цепь привода исполнительного механизма, регулирующего уровень.

Триггерное реле уровня (рис. 1.3.8). Датчики реле питаются переменным током. В реле применен несимметричный триггер с эмиттерной связью на транзисторах Т1 и Т₂.

При уровне жидкости ниже электродов датчиков цепь переменного тока, составной частью которой является жидкость, разомкнута. Транзистор Т₂ открыт и ток эмиттера создает падение напряжения на резисторе R₂, поддерживающее транзистор Т1 в закрытом состоянии (первое устойчивое состояние триггера). Реле Р (типа КМ, I_сраб = 24 мА) срабатывает, контакты Р² замыкают цепь электродвигателя насоса, подающего жидкость в резервуар. Контакты Р' разрывают цепь переменного тока нижнего датчика Дн.

Рис. 1.3.8. Триггерное реле уровня

В момент соприкосновения жидкости с электродом датчика верхнего уровня Дв его цепь переменного тока замыкается.

Выпрямленное диодами Д1 и Д₂ напряжение подается на вход триггера. Он переходит во второе устойчивое состояние: транзистор Т1 открывается, а Т₂ закрывается. Реле Р, отпуская якорь, замыкает контакты цепи нижнего датчика Р¹ и размыкает контакты цепи управления Р². Электродвигатель насоса останавливается.

Реле уровня, основанное на измерении проводимости по переменному току (рис. 1.3.9). Если уровень жидкости не достигает электродов Э1 и Э₂, выполняются условия самовозбуждения блокинг-генератора на транзисторе Т1. Ток коллектора протекает по резистору R2 и повышает напряжение на базе транзистора Т₂. На эмиттере транзистора Т₂ в это время более низкое напряжение из-за делителя R₃R₄. Поэтому транзистор Т₂ оказывается закрытым, ток в реле Р (типа PC-13, Iсраб=37 мА) не поступает.

При замыкании электродов через жидкость генерация срывается, ток коллектора транзистора Т1 протекающий через резистор R₂, уменьшается, смещение базы транзистора Т₂ возрастает, транзистор переходит в режим насыщения и реле Р срабатывает.

Рис. 1.3.9. Реле уровня, основанное на измерении проводимости по переменному току

Датчик прибора потребляет малую мощность (25 мВт) при малом напряжении; его можно вынести на большие расстояния (до 150 м). Изменением числа витков обмотки III сигнализатор может быть настроен для работы с жидкостями, имеющими различную проводимость.

При числе витков обмоток I, II и III, равном 120, датчик срабатывает при сопротивлении жидкости между электродами 6 кОм и менее.

Для изготовления трансформатора можно применить магнитопровод из двух ферритовых колец марки М2000НМ с наружным О21 и внутренним О11 мм; провод – ПЭВ-1 0,1.

Фотореле уровня. Действие его основано на измерении светового потока, падающего на фоточувствительный элемент (приемник), при изменении оптических свойств среды, находящейся в прозрачном сосуде между источником света и фоточувствительным элементом.

На рис. 1.3.10 приведена схема простого регулятора уровня, в котором используются фотодиод Д1 или фоторезистор (ФСА-1) и миниатюрная лампа накаливания Л1.

 

Рис. 1.3.10. Регулятор уровня

Реле настраивают таким образом, чтобы при уровне, расположенном ниже пучка света, поступающего на фотодиод, реле Р1 (типа РПН, R_обм = 5000 Ом) было включено и контакты Р¹₁ в цепи обмотки промежуточного реле Р₂ (типа МКУ-48, R_обм = 1200 Ом, I_сраб = 14 мА) разомкнуты. При подъеме уровня выше пучка света освещенность фотодиода уменьшается, реле Р₁ выключается и контакты Р¹₁ включают реле Р². Зажигается сигнальная лампа Л₂, и включается сирена. Одновременно контакты Р²₂ разрывают цепь питания обмотки магнитного пускателя ПМ, управляющего работой насоса.

Тепловое реле уровня. Различие коэффициентов теплопроводности различных сред позволяет построить тепловые реле уровня.

Реле (рис. 1.3.11) представляет собой неуравновешенный мост, в два плеча которого включены термочувствительные элементы R₈ и R₉. Каждый из них состоит из пяти последовательно включенных терморезисторов ММТ-4, КМТ-4 или КМТ-10 с сопротивлениями по 2 кОм (при t=20°С).

Рис. 1.3.11. Тепловое реле уровня

Помещенные в жидкость, уровень которой регулируется, термочувствительные элементы нагреваются до температуры, несколько большей, чем температура жидкости. Когда резисторы R₉ и R₈ находятся в жидкости, мост сбалансирован и реле Р выключено. Как только уровень станет ниже термочувствительного элемента R₈, его температура возрастает (сопротивление R₈ при этом уменьшается), мост разбалансируется и реле Р сработает, включив сигнализацию и промежуточное реле привода насоса.

Сопротивление резистора R₁ подбирается в зависимости от среды, уровень которой регулируется, и от типа выбранного реле (например, можно применить реле РЭС-15, имеющее R_обм = 160 Ом).

Реле уровня жидкостей с относительной диэлектрической проницаемостью ε= 2,0÷3,5 (масло, дизельное топливо, бензин, керосин, скипидар и т. п.) в резервуарах открытого или закрытого типа при давлении до 2 • 10⁶ Па. Допустимая погрешность срабатывания – не более ±5 мм относительно оси датчика.

В основе работы реле – явление резкого увеличения емкости между трубками датчика в ε₂/ε₁| раз при заполнении их жидкостью через продольную прорезь во внешней трубке (ε₂ и ε₁ – соответственно относительные диэлектрические проницаемости контролируемой жидкости и воздуха).

Рис. 1.3.12. Реле уровня жидкости

Датчиком уровня служит цилиндрический конденсатор (рис. 1.3.12), обкладками которого служат две коаксиально расположенные никелированные трубки, изолированные гетинаксовой шайбой.

Внешняя трубка датчика соединена с корпусом резервуара, а внутренняя – с электронным блоком при помощи коаксиального кабеля. Плечи моста электронного реле уровня состоят из ёмкости датчика С_дат, соединенного последовательно с разделительным конденсатором С₅, подстроечного конденсатора С₉, включенного параллельно конденсатору С₆, и участков 3–4 и 4–5 обмотки II трансформатора Tp₁. Суммарная емкость конденсаторов С₆ и С₉ выбирается средней между максимальном и минимальной емкостям датчика, т. е. С_{дат min}<C₆+C₉ <C_{дат max}.

Если уровень контролируемой жидкости ниже уровня установки датчика, то емкость между трубками минимальна:

C_{дат min}C₅/C_{дат min}+C₅<C₆+C₉.

В этом случае возникают обратная связь и, следовательно, генерация. Транзистор T₃ открыт, на его коллекторе нулевое напряжение, а транзистор T₄ закрыт, и ток в обмотке реле Р отсутствует.

Если уровень контролируемой среды достигает уровня установки датчиков, то емкость между трубками С_датmax = ε₂С_датmin/ε₁.

Емкость последовательно соединенных С_{дат max} и С₅ становится больше емкости параллельно включенных конденсаторов С₉ и С₆, т. е.

C_{дат min}C₅/C_{дат min}+C₅>С₆+С₉.

Возникает ООС, и происходит срыв генерации. Транзистор T₃ закрывается, на его коллекторе образуется отрицательное напряжение 10 В, транзистор T₄ открывается. Реле (типа РЭС-10, R_обм = 630 Ом, I_сраб = 22 мА) срабатывает, сигнализируя о превышении уровнем номинального значения. Трансформатор Тр выполнен на ферритовом кольце М2000НМ 14x6x6. Обмотка I содержит 50 витков, II – 80 + 80 и III – 25 витков провода ПЭЛШО 0,88. Диаметр внешней трубки цилиндрического конденсатора датчика уровня 26 мм, диаметр внутренней трубки 16 мм, длина трубок 120 мм, толщина 1 мм. Емкость датчика в воздухе С_датmin = 45 пФ.