АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ВОДОПОДГОТОВКИ
AUTOMATED SYSTEM OF WATER TREATMENT

Изобретение относится к области многоступенчатой очистки воды с автоматической системой управления и контроля для использования сверхчистой воды с удельным сопротивлением до 18 МОм·см, например, в качестве жидкого диэлектрика в ускорительных комплексах.
Известна автоматизированная система по патенту РФ №-2075326 «Система автоматической промывки фильтрующих зернистых материалов в напорных осветительных фильтрах» авторов Подноса М.И. и др., кл. МПК B01D 24/46, G05D 27/00, приоритет от 30.06.92 г., опубликован в БИПМ №-8 от 20.03.97 г. Система содержит насос промывочной воды, регулятор и задатчик расхода промывочной воды, датчик давления взрыхляющего воздуха, запорный клапан на линии подачи взрыхляющего воздуха, запорную арматуру группы фильтров, программно-логическое устройство. Каждый фильтр содержит датчики верхнего и нижнего уровней воды в фильтре, выходы которых соединены с входом программно-логического устройства.
Недостатками данной автоматической системы промывки является выполнение всего одного режима, заложенного при разработке, и отсутствие контроля за исправностью оборудования и за правильностью его функционирования при проведении различных предписанных алгоритмом действий.
Наиболее близкой к заявляемой системе является «Автоматизированная система сбора, архивирования и визуализации данных для водоподготовки», BBR: Wasser-und Rohrbau. 1995. 46, №-8, с.16-21, Нем. DE. ISSN 0340-3874. Автоматизированная система по прототипу включает программно-логическое устройство, датчики и исполнительные механизмы. Система содержит средства автоматизированной поддержки протоколирования и изготовления документации с применением матричных принтеров. Система обеспечивает сбор, предварительную обработку и отображение или архивирование измерительных данных процесса водоподготовки, в том числе концентрации хлора, величины рН и др. Автоматизированная система выполнена на базе ЭВМ, подключенной ко всем измерительным и регулирующим приборам при помощи магистрали стандарта RS485 длиной до 1200 м.
Основным недостатком прототипа является реализация только функций сбора, архивирования и анализа данных без осуществления функций управления технологическим оборудованием на основании полученных данных.
При создании данного изобретения решалась задача создания технологии водоподготовки сверхчистой воды, используемой в качестве диэлектрической среды в формирующей линии ускорительного комплекса с автоматизированной системой водоподготовки, позволяющей оператору управлять с рабочего места технологическим процессом, а также осуществлять контроль параметров и исправности оборудования. Кроме того, система должна выполнять ряд технологических операций в автоматическом режиме без участия оператора.
3
Техническим результатом при решении данных задач является увеличение производительности до 6 м/ч, расширение функциональных возможностей по контролю параметров качества воды, а также облегчение труда оператора, блокирование его возможных ошибочных действий и, следовательно, снижение экономического ущерба в результате аварий.
Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известной автоматизированной системой водоподготовки, включающей программно-логическое устройство, датчики и исполнительные механизмы, в заявляемой системе программно-логическое устройство в виде управляющей ЭВМ соединено с конструктивно разделенными, по меньшей мере, двумя измерительными контроллерами и контроллером силовой коммутации. Один из измерительных контроллеров осуществляет сбор информации с датчиков давления, уровня и разряжения, другой осуществляет контроль удельного электрического сопротивления воды, а контроллер силовой коммутации осуществляет управление исполнительными механизмами, которыми являются насосы, электромагнитные клапаны и шаровые краны с электрическими приводами.
Заявляемая автоматизированная система водоподготовки в отличие от программируемых аппаратных или логических контроллеров содержит выделенный под измерение удельного электрического сопротивления воды отдельный контроллер, выполненный с целью получения приемлемой для автоматизированной системы точности. Выделение контроллера силовой коммутации в отдельный контроллер выполнено с целью локализации сильноточных потребителей и снижения их влияния на точность работы измерительного контроллера и датчиков удельного сопротивления воды. Программно-логическое устройство в виде управляющей ЭВМ обеспечивает простоту создания и модернизации алгоритмов, простоту реализации интерфейса «человек-машина» и возможность оператору управлять всем оборудованием с рабочего места.
На фиг.1 изображена гидравлическая принципиальная схема водоподготовки.
На фиг.2 изображена структурная схема автоматизированной системы водоподготовки АСВ.
На фиг.3 изображена структурная схема программного обеспечения АСВ.
На чертежах изображены следующие позиции:
1 - фильтры механических примесей;
2 - деионизатор;
3 - дегазатор;
4 - датчики удельного электрического сопротивления воды;
5 - датчики уровня;
6 - датчики давления, электроконтактные манометры;
7 - датчики разряжения;
8 - вакуумный насос;
9 - нагнетательный насос;
10 - формирующая линия ускорителя;
11 - резервный бак;
12 - шаровые краны с электрическими приводами;
13 - электромагнитные клапаны;
14 - управляющая ЭВМ;
15 - измерительный контроллер;
16 - измерительный контроллер датчиков удельного электрического сопротивления воды;
17 - контроллер силовой коммутации;
18 - адаптерный блок.
3
3
3
Водоподготовка с обменной циркуляцией по фиг.1 включает очистку исходной воды от механических примесей в фильтрах 1, деионизацию в деионизаторах 2, дегазацию в дегазаторе 3, контроль и измерение параметров. Производится, по меньшей мере, двойной контроль удельного электрического сопротивления датчиками 4. Водоподготовку осуществляют в автоматическом режиме непрерывно при постоянном контроле удельного электрического сопротивления датчиками 4, уровня 5, давления 6 и разряжения 7. Предварительно резервный бак 11 заполняют конденсатом ТЭЦ, который имеет удельное сопротивление 0,6 МОм·см. Для получения воды с удельным электрическим сопротивлением 10 МОм·см в водяном объеме формирующей линии 10 ускорителя необходимо осуществить циркуляцию воды в замкнутом контуре. Вначале заполняют водяной объем формирующей линии 10 с помощью нагнетательного насоса 9 водой из резервного бака 11. Затем осуществляют непосредственно режим циркуляции, т.е. нагнетательный насос 9 забирает воду из дегазатора 3, где происходит удаление газов с помощью разряжения, создаваемого вакуумным насосом 8, прокачивает через механический фильтр 1, где удаляются механические примеси, деионизаторы 2, которые загружены смесью ионитов, на которых происходит деионизация воды, далее она поступает в формирующую линию 10, а затем по соответствующему трубопроводу в дегазатор 3. При этом производят контроль параметров уровня воды в резервном баке 11 и дегазаторе 3 посредством поплавковых датчиков 5 марки RSF-40. Для определения уровня воды в дегазаторе 3 используются семь герконовых датчиков 5. Контроль давления технической воды в вакуумном насосе 8 в напорном патрубке нагнетательного насоса 9, в водяном объеме формирующей линии 10 осуществляют посредством датчиков давления 6 марки Sitrans 7MF 1563 фирмы Siemens. Уровень разряжения в дегазаторе 3 и в вакуумном насосе 8 контролируется посредством датчиков разряжения 7 марки МИДА-ДИВ-13П фирмы «Кип Энерго» с диапазоном от минус 10 до 300 кПа. Контроль удельного электрического сопротивления осуществляется посредством трех датчиков 4, установленных перед и после деионизаторов 2 и на выходном патрубке формирующей линии 10. Управление исполнительными механизмами осуществляют в автоматическом режиме непрерывно в реальном времени. Составные части системы водоподготовки, которые соприкасаются с деионизированной водой, были изготовлены из нержавеющей стали, а трубопроводы из полипропилена. В деионизаторах использованы смеси ионообменных смол катионита КУ-2-8чс и анионита АВ-17-8чс, пропустив воду через которые получают деионизированную воду с удельным электрическим сопротивлением 18 МОм·см. Нагнетательный насос 9 использовался производительностью 6 м/ч. Вакуумный насос 8 создает разряжение в дегазаторе 3 минус 0,7 атм. Водяной объем формирующей линии 10 составляет около 3 м, а объем резервного бака 3,5 м.
Автоматизированная система водоподготовки включает программно-логическое устройство в виде управляющей ЭВМ 14, которое соединено с конструктивно разделенными, по меньшей мере, двумя измерительными контроллерами 15 и 16 и контроллером силовой коммутации 17. Один из измерительных контроллеров 15 осуществляет сбор информации с датчиков уровня 5, с датчиков давления 6 и датчиков разряжения 7, а другой измерительный контроллер 16 осуществляет контроль удельного электрического сопротивления датчиками 4. Контроллер силовой коммутации 17 осуществляет управление исполнительными механизмами, которыми являются насосы 8 и 9, электромагнитные клапаны 13 и шаровые краны 12 с электрическими приводами.
В составе автоматизированной системы водоподготовки можно выделить следующие основные модули:
- управляющая ЭВМ 14 совместно с функционирующим на ней программным обеспечением реализует необходимый алгоритм работы системы водоподготовки, пульта оператора (на базе стандартных устройств персонального компьютера) и поддержку протоколов связи по информационным магистралям с использованием двух портов последовательной связи RS-232;
- адаптерный блок 18, который служит для согласования интерфейсов ЭВМ 14, контроллеров 15, 16, 17 и центрального компьютера комплекса;
- измерительный контроллер 15, обеспечивающий регистрацию параметров с датчиков 5, 6 и 7;
- измерительный контроллер 16, который обеспечивает регистрацию параметров с датчиков 4;
- контроллер силовой коммутации 17, предназначенный для управления насосами 8 и 9, гидравлическими электромагнитными клапанами 13 и снятия коммутационных сигналов с электроконтактных манометров, установленных на вакуумном и нагнетательном насосах;
- контрольно-измерительные датчики 4-7.
Работает заявляемая автоматизированная система водоподготовки следующим образом. Центром системы является управляющая ЭВМ 14, на которой функционирует программное обеспечение автоматизированной системы водоподготовки. Аналоговые сигналы от контрольно-измерительных датчиков 4, 5, 6, 7 по измерительным кабелям поступают в измерительные 15, 16 и силовой 17 контроллеры, преобразуются в цифровой код и по цифровому интерфейсу попадают на управляющую ЭВМ 14. Программное обеспечение, выполнив анализ состояния системы и команд оператора, в соответствии с заложенным алгоритмом генерирует команды, которые по цифровому интерфейсу передаются в контроллер силовой коммутации 17. Он в соответствии с полученными командами управляет исполнительными механизмами 12 и 13. Для снижения вреда от аварийных ситуаций с целью скорейшего отключения оборудования адаптерный блок 18, расположенный рядом с оператором, оборудован кнопкой аварийного отключения. Нажатием на данную кнопку, оператор аппаратно обесточит насосы 8 и 9, а программное обеспечение обработает нажатие в соответствии с заданным алгоритмом. С этой же целью при отсутствии сигнала «HOST-OK» от программного обеспечения в течение 5 секунд модули промышленной автоматики контроллеров перейдут в режим исходного состояния, т.е. будут обесточены насосы 8 и 9 и электромагнитные клапаны 13. Программное обеспечение разделено на несколько модулей, которые можно объединить в следующие группы:
- главная программа;
- динамически подключаемые библиотеки;
- компоненты пользовательского интерфейса, с помощью которых реализуется интерфейс оператора;
- библиотеки и компоненты пользовательского интерфейса сторонних производителей.
Разделение на модули произведено для облегчения совершенствования автоматизированной системы водоподготовки, сокращения времени отладки программного обеспечения, применения многопоточного программирования с различными уровнями приоритета потоков и возможности подключения отлаженных библиотек при создании программного обеспечения других автоматизированных систем водоподготовки.
В примере реализации заявляемой автоматизированной системы водоподготовки (фиг.2) адаптерный блок состоит из модуля промышленной автоматики IC-7520, преобразователя интерфейса ADAM-4541 и автономного источника питания постоянного тока 24 В RP-1072. Блок также оборудован кнопкой аварийного отключения. Измерительный контроллер состоит из модулей промышленной автоматики IC-7041, IC-7017F и автономного источника питания постоянного тока 24 В RP-1072. Измерительный контроллер датчиков удельного электрического сопротивления состоит из модуля IC-7018 и автономного источника питания постоянного тока 24 В RP-1072. В состав контроллера силовой коммутации входят: модуль промышленной автоматики IC-7063B, два трехфазных твердотельных реле GRD84130310, два модуля промышленной автоматики IC-7042, 23 твердотельных реле ОАС24А, тороидальный понижающий трансформатор с входным напряжением 220 В, выходным напряжением 2×24 В мощностью 600 ВА, модуль DSCA33-нормализатор переменного напряжения, модуль промышленной автоматики IC-7017F, реле контроля фаз 3UG3511, автономный источник питания постоянного тока 24 В RP-1072. Контроль давления технической воды вакуумного насоса и в выходном тракте нагнетательного насоса осуществляется посредством электроконтактных манометров типа ЭКМ-1У. Также давление в выходном тракте нагнетательного насоса и на входном трубопроводе формирующей линии контролируется посредством датчиков давления Sitrans 7MF 1563 фирмы Siemens. Контроль уровней воды в агрегатах осуществляется посредством поплавковых датчиков RSF30. Для определения уровня воды в дегазаторе применены 7 герконовых датчиков. Измерение величины разряжения в вакуумном насосе и дегазаторе производят посредством датчиков разряжения МИДА-ДИ-13П фирмы «Кип Энерго» с диапазоном от минус 10 до 300 кПа. Измерение удельного сопротивления воды производится с помощью датчиков удельного электрического сопротивления воды, разработанных в РФЯЦ-ВНИИЭФ. Определение количества включаемых электромагнитных клапанов происходит путем анализа показаний нормализатора действующего значения переменного напряжения DSCA33. Для контроля трехфазного питающего напряжения 380 В используется реле 3UG3511. Для управления насосами применены твердотельные реле фирмы Gordos. В системе также используются электромагнитные управляемые клапаны типа 9100F и 9120F фирмы AVCON, вакуумный водокольцевой насос марки ВВН1-1,5 мощностью 5,5 кВт, нагнетательный насос марки ЦГ 6,3/32-2,2-2 мощностью 2,2 кВт и шаровые краны с электроприводом типа 77UM Ду 32 мм 24 В переменного тока.
3
Таким образом, заявляемая автоматизированная система водоподготовки по сравнению с прототипом позволила увеличить производительность системы до 6 м/ч, расширить функциональные возможности по контролю параметров качества воды, облегчить труд оператора, блокировать его возможные ошибочные действия и снизить экономический ущерб в результате аварий.