АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СТАНЦИЕЙ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОДЫ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОЛИЗНОЙ УСТАНОВКИ, РЕАЛИЗУЕМЫЙ УПОМЯНУТОЙ СИСТЕМОЙ
AUTOMATED CONTROL SYSTEM FOR WATER DECONTAMINATION STATION AND METHOD OF CONTROLLING OUTPUT OF ELECTROLYSIS APPARATUS IMPLEMENTED BY SAID SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области автоматизации процессов водоподготовки и обеззараживания питьевой воды.
Уровень техники
Известна автоматическая хлораторная для обеззараживания воды газообразным хлором (см. патент на полезную модель RU 97365, МПК: C02F 1/76, опубл. 10.09.2010 г). Сходными признаками с заявляемым техническим решением являются наличие системы автоматического регулирования расхода газообразного хлора, которая включает анализатор содержания хлора в воде, управляющий электромеханическим дозирующим вентилем, и процессор, с которым связаны расходомер воды и автоматика сигнализации и нейтрализации аварийного выброса хлора.
Известная хлораторная относится к станциям обеззараживания воды, в которых используют готовый сжиженный хлор, доставляемый на станцию в баллонах или контейнерах. Однако высокотоксичный хлор, в случае его утечки, представляет собой большую опасность не только для обслуживающего персонала станции, но и для населения районов, прилегающих к станции.
Более безопасными являются станции обеззараживания воды, имеющие собственное производство хлора, используемого на месте, что позволяет исключить наличие больших запасов хлора на станции. Так известна станция обеззараживания воды (см. патент на изобретение RU 2281252, МПК: C02F 1/467, опубл. 10.08.2006 г), содержащая мембранный биполярный электролизер с сепараторами анолита и католита и средствами подачи исходных компонентов в электролизер. Получаемый в процессе электролиза раствора поваренной соли газообразный хлор смешивается в эжекторе с получением жидкого дезинфектанта, который подается либо в контактный резервуар на обеззараживание воды, либо в накопительную емкость для временного хранения. Производительность электролизной установки определяется производительностью электролизера и регулируется скоростью подачи электролита и его концентрацией, однако система управления станцией в материалах патента не раскрыта.
В обоих вышеприведенных технических решениях и система подготовки дезинфектанта, и электролизная установка обеспечивают работу только одной точки обеззараживания воды. Для питания нескольких точек обеззараживания, обычно используют независимые электролизные установки (системы подготовки дезинфектанта), что ведет к, кратному числу точек, увеличению количества используемого оборудования, что экономически нецелесообразно.
Известна автоматизированная система водоподготовки (см. патент на изобретение 2377193, МПК: C02F 9/00, опубл. 27.12.2009 г), содержащая программно-логическое устройство в виде управляющей ЭВМ и соединенные с ней конструктивно разделенные измерительные контроллеры и контроллер силовой коммутации. Измерительные контроллеры обрабатывают информацию, поступающую с датчиков, контролирующих параметры воды и работу устройств системы, и передают ее на ЭВМ, которая проводит анализ информации и генерирует команды, передаваемые по цифровому интерфейсу в контроллер силовой коммутации, управляющий исполнительными механизмами шаровых клапанов и электромагнитных вентилей.
Упомянутая система может быть использована для управления распределенной подачей дезинфектанта, однако она имеет существенный недостаток, а именно: в случае неполадок и полного «слета» программного обеспечения ЭВМ, обеспечивающей контроль и управление из единого центра всеми исполнительными механизмами, вся система водоподготовки останется без управления. При этом все операции по проверке показаний датчиков и установке кранов придется производить вручную, что приведет к неоперативному реагированию на изменение потребностей и возможным ошибкам дозирования хлора, что может привести к нежелательным последствиям. При недостаточной дозе хлор не окажет необходимого бактерицидного действия, и вода не будет соответствовать санитарным нормам. Излишняя доза хлора ухудшит вкусовые качества воды, а при значительном отклонении может привести к отравлению.
В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого технического решения выбрана система управления станцией хлорирования воды (см. патент на полезную модель RU 87161, МПК: C02F 1/76, опубл. 27.09.2009 г, ООО «Кравт», г.Калуга), содержащей установку по подготовке газообразного хлора и распределительную систему, состоящую из нескольких линий, обеспечивающих подачу хлора к точкам обеззараживания воды, как для первичного, так и для вторичного хлорирования. В каждой линии установлено запорно-регулирующее устройство. Система управления станцией включает установленные в точках обеззараживания анализаторы содержания хлора в воде, каждый из которых управляет исполнительным механизмом запорно-регулирующего устройства соответствующей линии подачи.
В упомянутом решении автоматическое управление обеспечивается лишь для части процесса, а именно: автоматическое управление подачей хлора, которое осуществляется анализаторами хлора, напрямую управляющими исполнительными механизмами запорно-регулирующих устройств. В реальности, запорно-регулирующие элементы последних подвержены трению и не исключены случаи их заклинивания. Однако, все операции, связанные с обнаружением возникших неполадок и их устранением в известном решении придется осуществлять вручную, что может отнять слишком много времени и привести к нежелательным последствиям.
Кроме того, в упомянутом решении перед системой управления не стоит проблема регулирования производства хлора в зависимости от его расходования. В случае если заканчивается хлор в одной линии подготовки, происходит автоматическое переключение на другую, дублирующую линию, пока в цервой осуществляют замену баллонов с хлором. Однако наличие значительных «запасов» хлора в баллонах представляет собой угрозу, как для обслуживающего персонала станции, так и для окружающей станцию среды.
Известен способ управления производительностью электролизера путем регулирования скорости подачи электролита и концентрации последнего, имеющий место при работе станции обеззараживания воды, патент на изобретение RU 2281252, МПК: C02F 1/467, опубл. 10.08.2006 г.Однако в известном способе подачу хлора осуществляют только в одну точку обеззараживания воды.
Заявителю неизвестны способы, позволяющие осуществлять автоматическое управление производительностью установки по производству дезинфектанта, в зависимости от суммарной потребности в этом дезинфектанте в нескольких параллельных линиях использования.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка системы управления, обеспечивающей полный контроль и управление станцией обеззараживания воды с системой распределенной подачи дезинфектанта, с одновременным повышением безопасности работ на станции за счет использования собственного производства хлора методом электролиза раствора поваренной соли и осуществления автоматического регулирования производства хлора в зависимости от суммарной потребности в нем.
Одним техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является обеспечение возможности автоматического регулирования процесса производства хлора в соответствии с потребностью в нем более чем в одной линии (точке) обеззараживания воды.
В результате исключается образование «запасов» хлора на станции, т.к. количество производимого хлора соответствует потребляемому суммарно, во всех линиях подачи, чего невозможно добиться, осуществляя настройку параметров работы электролизной установки вручную. В итоге повышается безопасность производства, сокращается количество вспомогательного оборудования.
Другими техническими результатами, достигаемыми при использовании заявляемого изобретения, являются повышение оперативности контроля и обеспечение высокой оперативности реагирования системы управления на изменяющиеся параметры, что позволяет предотвратить повреждение оборудования электролизной установки и обеспечивает высокую безопасность и надежность производства.
Полная автоматизация производства обеспечивает повышение безопасности работы обслуживающего персонала.
Поставленная задача решена и технические результаты достигнуты благодаря усовершенствованиям автоматизированной системы управления станцией обеззараживания воды, включающей установку по подготовке газообразного хлора и распределительную систему, состоящую из нескольких линий подачи хлора на обеззараживание, в каждой из которых установлено запорно-регулирующее устройство, содержащей анализаторы содержания хлора в воде, установленные в точках обеззараживания и управляющие исполнительными механизмами соответствующих запорно-регулирующих устройств.
Усовершенствования системы управления, согласно заявляемому изобретению, заключаются в том, что она содержит контроллер, управляющий производительностью установки по подготовке газообразного хлора, выполненной в виде электролизной установки для производства хлора, на основе суммарной потребности в хлоре во всех линиях подачи, включающий модули приема входных сигналов от анализаторов содержания хлора в воде и запорно-регулирующих устройств, выполненных с возможностью дистанционной электрической индикации положения запорного элемента, программно-логический блок, обеспечивающий анализ входной информации, распознавание нарушений работы запорно-регулирующих устройств и наличия предаварийной ситуации и формирование управляющих сигналов, модули подготовки выходных сигналов, связанные с цепями управления исполнительными механизмами запорно-регулирующих устройств, блоком питания электролизера и приводами дозирующих насосов электролизной установки, а также связанную с контроллером панель оператора с клавиатурой и монитором.
В отличие от прототипа, в заявляемом решении станция обеззараживания воды включает электролизную установку, обеспечивающую производство хлора методом мембранного электролиза раствора поваренной соли, содержащую мембранный биполярный электролизер и дозирующие насосы с внешним управлением для подачи исходных компонентов на электролиз.
Само по себе использование таких установок известно. Однако вручную невозможно осуществить точное и быстрое регулирование параметров работы оборудования электролизной установки в соответствии с изменяющимися потребностями в производимом ею хлоре, если осуществляется распределенная подача хлора, т.е. одновременно (параллельно) по нескольким линиям. Низкая оперативность реагирования приводит к перерасходу электроэнергии и высокой вероятности повреждения оборудования электролизной установки, например, пережогу мембраны.
В заявляемом решении электролизная установка управляется автоматизированной системой управления (далее - АСУ), обеспечивающей контроль и автоматическое регулирование производительности электролизной установки в соответствии с расходом производимого ею хлора.
Достижение вышеупомянутых технических результатов обеспечивается, во-первых, наличием в системе управления контроллера - процессорного устройства с расширительными модулями, который является центральным элементом АСУ.
Во-вторых, выполнением запорно-регулирующих устройств, в качестве которых предпочтительно использование кранов шаровых, с возможностью организации обратной связи, несущей информацию о действительном положении запорного элемента крана, иначе - с возможностью дистанционной электрической индикации положения запорного элемента. Запорно-регулирующее устройство не только напрямую управляется анализатором хлора, имеет возможность ручного управления, но и связано с контроллером, отслеживающим действительное положение его запорного элемента.
Наличие связей между контроллером и анализаторами хлора, и между контроллером и запорно-регулирующими устройствами является еще одним существенным признаком. Наличие таких связей позволяет контроллеру получать информацию о заданном анализатором хлора положении крана, которое должно обеспечить требуемую дозу хлора в той или иной точке обеззараживания, и истинном положении запорного элемента крана, соответствующем получаемому количеству хлора на самом деле.
Блок логики контроллера в соответствии с записанной в нем программой осуществляет анализ входной информации, получаемой от анализаторов хлора и запорно-регулирующих устройств, по каждой линии, и выявляет нарушения работы запорно-регулирующей арматуры, при возникновении таковых. Вместе с тем, в процессе анализа определяется значение суммарной потребности в хлоре всей распределительной системы станции, на основе которого контроллер формирует управляющие сигналы для оборудования электролизной установки. Возможности контроллера обеспечиваются его программным обеспечением, которое записывается заранее.
Модули приема входных сигналов и модули подготовки выходных сигналов контроллера служат для согласования входных и выходных сигналов устройств.
Для ввода исходной информации и отображения текущих режимов работы и текущих показаний с датчиков служит связанная с контроллером панель управления оператора, содержащая клавиатуру (или сенсорную панель) и монитор.
Использование микропроцессорной техники, отличающейся высоким быстродействием, позволяет добиться высокой степени оперативности реагирования системы на все изменения.
В качестве запорно-регулирующего устройства предпочтительно использование крана шарового с управляемым электроприводом и датчиком положения запорного элемента.
Количество линий подачи хлора может составлять от двух до десяти, что позволяет обслуживать до 10-ти независимых точек хлорирования.
«Точка хлорирования» (обеззараживания) воды может представлять собой контактный резервуар для первичного или вторичного хлорирования, трубопровод под давлением, бетонный канал и проч., на входе которого установлен эжектор, обеспечивающий смешение газообразного хлора с водой.
Система может включать датчики для определения утечек хлора и водорода, установленные в помещении станции и связанные с контроллером, обеспечивающим аварийное отключение электролизной установки и включение аварийной сигнализации.
Предлагаемая АСУ станции обеззараживания воды обеспечивает реализацию следующих основных функций:
- контроль работы распределительной системы станции, включающий отслеживание технологических параметров хлорирования воды с визуализацией показаний от анализаторов хлора на мониторе панели оператора и отслеживание работы запорно-регулирующей арматуры,
- автоматическое регулирование параметров работы электролизной установки в зависимости от суммарной потребности в хлоре во всех линиях подачи;
- дистанционное управление исполнительными механизмами кранов в аварийных и предаварийных ситуациях;
- автоматическое отключение электролизной установки при угрозе аварийной ситуации;
- подача аварийно-предупредительной сигнализации;
- общий контроль за работой станции, например отслеживание наличия утечек хлора и водорода в помещение станции;
- отображение информации и выполняемых действий на панели оператора.
На решение поставленных задач направлен и заявляемый способ управления производительностью электролизной установки, осуществляющей производство газообразного хлора, по суммарной потребности в хлоре в п точках обеззараживания воды с независимыми линиями подачи. Способ включает анализ содержания хлора и определение его потребности в каждой точке обеззараживания воды в конкретный момент времени, определение суммарной потребности в хлоре во всех точках обеззараживания воды и определение мощности работы электролизной установки по значению суммарной потребности в хлоре, которое осуществляют, используя метод двух шкал, имеющих общее начало и конец и размещенных одна под другой, длина первой шкалы соответствует 100n - суммарной 100%-ной потребности в хлоре во всех точках обеззараживания, т.е. расходу хлора, когда все краны полностью открыты. Длина нижней шкалы соответствует 100% мощности работы электролизной установки. Определенную суммарную потребность в хлоре в конкретный момент времени откладывают на верхней шкале, проецируют ее на нижнюю шкалу, определяя по точке проецирования требуемую мощность работы электролизной установки, значение которой используют для установки рабочего тока электролизера и мощности работы дозирующих насосов, подающих исходные компоненты на электролиз.
«Шкала», согласно толковому словарю русского языка (Ожегов. С.И. Шведова Н.Ю., Москва: «АЗЪ», 1996 г, стр.885), линейка или таблица с отметками и цифрами на отсчетном устройстве, а также просто ряд величин, цифр в восходящем или нисходящем порядке.
В заявляемом способе более предпочтительным является использование шкал, представленных в табличном виде, что позволяет осуществлять цифровую обработку информации.
Сущность заявляемого решения поясняется примером и чертежом.
Осуществление изобретения
Станция обеззараживания воды (кратко - СОВ), управляемая предлагаемой автоматизированной системой управления, включает электролизную установку 1 для производства хлора, содержащую мембранный биполярный электролизер 2 с блоком сепарации 3 и дозирующими насосами 4 с внешним управлением, обеспечивающими подачу исходных компонентов на электролиз, и распределительную систему 5, состоящую из нескольких линий; 6 подачи хлора на обеззараживание, например, в контактные резервуары 7 для первичного или вторичного хлорирования, перед каждым из которых размещен эжектор 8 для смешивания хлора с водой.
В каждой линии 6 установлено запорно-регулирующее устройство 9, выполненное в виде крана шарового с электроприводом 10 с внешним управлением, имеющего возможность организации обратной связи по положению запорного элемента. В качестве запорно-регулирующих устройств могут быть использованы промышленно выпускаемые краны, например, кран регулирующий ФБ39, производство ЗАО «Фобос», или кран шаровый ХПВХ, фирмы FIP.
В резервуарах 7 установлены анализаторы остаточного хлора 11. В помещении станции установлены датчик хлора 12 и датчик водорода 13, контролирующие наличие утечек хлора и водорода в помещение станции.
Основным элементом АСУ является контроллер 14, включающий модули 15 приема входных сигналов от анализаторов 11 содержания хлора в воде, шаровых кранов 9 и датчиков 12 и 13, программно-логический процессорный блок 16 и модули 17 подготовки выходных сигналов, связанные с цепями 18, 19, 20 управления приводами 10 кранов 9, блоком 21 питания электролизера 2 и приводами дозирующих насосов 4, соответственно.
Модули контроллера соединены между собой посредством шины 22, к которой также подключена панель управления оператора 23, содержащая сенсорную клавиатуру 24 и монитор 25.
Контроллер 14 и цепи управления 18-20 могут быть скомпонованы в один шкаф управления и сигнализации, на лицевую панель которого выведена панель оператора 23.
В этом шкафу могут быть размещены также блоки питания, автоматические выключатели и токовые разветвители, с помощью которых осуществляется автоматическое управление технологическим оборудованием. Электропитание аппаратуры АСУ СОВ осуществляется от сети.
Контроллер 14 с заданными функциями может быть выполнен на базе известных комплектующих, используемых для построения микропроцессорных систем, аналогичного назначения, с применением методов и средств, широко раскрытых в известных источниках. В память контроллера 14 заносится программа его работы и соответствующие табличные данные.
Перед началом работы на панели управления 23 задают исходные параметры хлорирования для каждой точки обеззараживания. Доза хлора устанавливается в зависимости от индивидуальных свойств очищаемой воды, определяемых, обычно, на основании лабораторных исследований.
Работа системы осуществляется следующим образом.
При запуске системы анализаторы 11 хлора измеряют содержание хлора, присутствующего в воде в каждом из резервуаров 7 на данный момент времени. Анализатор 11 хлора обычно имеет встроенный микроконтроллер, обеспечивающий сравнение измеренного значения с заданным и выработку сигнала рассогласования, подаваемого на привод 10 исполнительного механизма шарового крана 9, который поворачивает запорный элемент, обеспечивая компенсацию отклонения от заданной концентрации остаточного хлора. Таким образом, анализатор хлора 11 напрямую управляет краном 9.
Одновременно с этим сигнал x1, несущий информацию о заданном положении соответствующего крана 9 с каждого анализатора 11 поступает в контроллер 14 и отражается на мониторе 25 панели управления 23.
2
Сюда же поступают сигналы х с кранов 9, содержащие информацию о действительном положении запорного элемента крана, и характеризующие процент открытия крана.
1
2
Блок 16 контроллера производит сравнение поступивших сигналов x и х по каждой линии 6 подачи. Совпадение сигналов свидетельствует о нормальной работе системы.
Блок 16 контроллера определяет суммарную потребность в хлоре во всех линиях 6 подачи в конкретный момент времени, складывая полученные значения:
11
12
1n
Σ=(x+x+…+x).
Значение последней приводят к табличным значениями первой шкалы, отражающей потребность в хлоре, содержащей ряд чисел от 0 до 100·n, %, и проецируют на вторую шкалу, содержащую ряд чисел от 0 до 100%, определяя по точке проецирования требуемую мощность работы электролизной установки, на основании которой контроллер вырабатывает управляющие сигналы, задающие рабочий ток питания электролизера 2 и мощность работы дозирующих насосов 4.
В случае если возникла необходимость перекрыть кран 9 в одной из линий 6 подачи, система автоматически в течение нескольких минут осуществит стабилизацию режимов работы электролизной установки 1, уменьшив ее производительность ровно настолько, насколько уменьшилась потребность в производимом ею хлоре.
1
2
В случае, если анализ сигналов x и х в какой-либо линии 6 выявил их несовпадение, контроллер 14 выполняет ряд действий, позволяющих стабилизировать возникшие отклонения, изменяя параметры работы электролизной установки. Если проводимые действия не приводят к стабилизации системы, контроллер выдает управляющие сигналы на аварийное отключение электролизной установки и стопроцентное открытие кранов 9, чтобы обеспечить полное выкачивание хлора из электролизера.
В случае выхода из строя контроллера 14 или «слета» программного обеспечения остается автоматическое управление хлорированием: краны 9 управляются анализаторами хлора 11. При этом вручную устанавливается режим работы блоков питания, задается ток питания электролизера 2 и мощность работы дозирующих насосов 4. В этом случае усложняется контроль и управление производительностью электролизной установки, осуществляемые вручную, а также существует опасность повреждения оборудования электролизера, однако в целом станция обеззараживания воды будет функционировать автоматически.
В случае если нарушается связь анализатора хлора 11 с краном 9 остается связь с контроллером 14 и панелью управления 23, где на мониторе 25 отражаются его показания.
Возможно применение заявляемого решения и для двух или более электролизеров. В этом случае распределение хлора осуществляют из общего сепаратора или накопителя аналогичным образом.
При появлении сигналов с датчиков 12 и 13, показывающих наличие утечек хлора или водорода в помещении станции контроллер 14 производит аварийное отключение электролизной установки и включение аварийной сигнализации.