СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ВОДОСНАБЖЕНИЕМ

2002122270
iiHiiiiMiiiiiiiiiii
° -      -МПК: 6 G 01 N 35/00
Система автоматического управления водоснабжением.
Техническое решение относится к области коммунального хозяйства, а именно, к области управления системой водоснабжения, и может быть использовано при диспетчерском контроле и управлении системами водоснабжения города или региона, характеризуемых наличием как крупных и малых предприятий промышленности и городского хозяйства, так и жилого сектора.
Из уровня техники известна (US, патент 4387368) система дистанционного управления систем водоснабжения. Известная система содержит множество датчиков, размещенных по всей протяженности системы водоснабжения, причем информация, характеризующая состояние системы, от датчиков поступает на диспетчерский пункт в виде набора числовых данных. Недостатком известной системы является применимость ее только для малых систем, поскольку при наличии больщого количества датчиков диспетчер физически не может проконтролировать состояние системы водоснабжения.
Развитием известной системы (US, патент 4090193) явилось введение информации от датчиков в программу, заложенную в персональный компьютер и визуализацию результатов на дисплее. Однако данная система также применима только для малых объектов водоснабжения.
Наиболее близким аналогом настоящего технического решения можно признать систему управления водоснабжением (RU, патент 2087036), содержащую множество датчиков, размещенных на
объектах водоснабжения, соединенных с входами персонального компьютера диспетчерского пункта, на носителе информации которого записана программа (математическая модель; упраьления водоснабжением.
Данная программа содержит алгоритм математической обработки поступившей информации с вынесением решения о включении/выключении отдельных элементов системы. Однако указанная система не пригодна для сложных объектов водоснабжения, характеризуемых большим количеством факторов, поскольку не предусматривает учета реального водопотребления на объектах. Кроме того, в качестве исполнительных механизмов использованы только насосные агрегаты, что не позволяет обеспечить плавную регулировку напором воды в системе водоснабжения.
Математические модели системы водоснабжения широко применяют для решения различных задач по совершенствованию системы водоснабжения города. В первую очередь с помощью модели отрабатывают задачи перспективного развитиясистемы
водоснабжения. Применение расчетов на модели позволяет выяснить распределение напоров на сети, построить пьезометры по различным участкам сети, выявить закрытые задвижки. С помощью модели отрабатывают задачи оптимального распределения нагрузки между насосными станциями.
Подобные математические модели системы водоснабжения имеют определенные недостатки, не позволяющее более щирокое их применение. На подобных моделях отрабатывают задачи для отдельных конкретных режимов (минимальное, максимальное, среднее водопотребление), при этом они совершенно не приспособлены для работы в режиме реального времени. Далеко не всегда модель соответствует фактическим данным системы.
требуется специальная процедура для обеспечения верификации модели действующей системы водоснабжения.
Техническая задача, решаемая посредством предложенного технического решения, состоит в разработке системы автоматического управления водоснабжением, применимой для любых объектов водоснабжения с возможностью оптимального распределения нагрузки между насосными станциями и плавного изменения основных параметров работы системы водоснабжения.
Технический результат, получаемый при реализации настоящей системы, состоит в обеспечении устойчивого водоснабжения потребителей при минимизации затрат энергии на подачу и распределение воды за счет оптимального распределения нагрузки между насосными станциями в течение всего времени работы при минимальных избыточных напорах в сети, а также в облегчении условий труда диспетчерского персонала и машинистов насосных установок за счет реализации автоматического режима управления системой.
Для получения указанного технического результата предложено использовать систему автоматического управления напорами воды, содержащую множество датчиков, размещенных на объектах системы водоснабжения, соединенных с входами персонального компьютера диспетчерского пункта, на носителе информации которого записана программа управления системой водоснабжением, причем система содержит, по меньшей мере, один датчик контроля напора в сети, по меньшей мере, один датчик контроля потребления воды жилыми массивами, по меньшей мере, один датчик контроля потребления воды промышленными предприятиями, по меньшей мере, два датчика контроля напора воды на выходах насосных станций, один датчик контроля напора воды в диктующей точке, при
этом указанная программа управления водоснабжением выполнена с возможностью учета информации, получаемой от указа1шых датчиков, и управления насосами подачи волы, причем указанная программа дополнительно содержит блок коррекции воздействия, блок прогноза водопотребления, блок оптимизации подачи воды, блок планирования работы насосов станций второго подъема, и блок верификации, соединенный с персональным компьютером обратной связью, при этом блоки оптимизации и блок планирования работы насосов второго подъема обратимо связаны между собой, а также с выходом блока прогноза водопотребления и входом блока оптимизации, выход которого связан с входом блока коррекции воздействия, выход которого соединен с регулируемыми приводами насосов станций второго подъема, а также дистанционно управляемыми задвижками напорных линий, отходящими от насосных станций. Указанные датчики могут быть соединены с интерфейсом компьютера посредством кабельных сетей или радиосвязи. Система может дополнительно содержать блок управления запасами воды, входящий в состав персонального компьютера и выполненный с возможностью управления подачи воды от насосных станций первого подъема и очистных сооружений в водопроводные магистрали и в регулирующие резервуары. Блок прогноза водопотребления, блок коррекции воздействия, блок оптимизации подачи воды и блок верификации могут быть выполнены в виде отдельных персональных компьютеров, на поверхности носителей информации которых записаны соответствующие программы, соединенных с персональным компьютером диспетчерского пункта в замкнутую сеть или в виде отдельных частей указанной программы и записаны на поверхности носителя информации, используемого персональным компьютером.
Система может дополнительно содержать блок планирования работы насосов станций второго подъема, блок планирования работы насосов станций первого подъема, соединенные между собой обратной связью, датчики, характеризующие уровень воды в регулируемых резервуарах, датчики работы насосных станций первого подъема, блок корректировки воздействия на запорную арматзфу на трубопроводах, подающих воду в резервуары, и насосы станции первого подъема, вход которого соединен с выходом блока оптимизации, средство регулирования степени открытия запорной арматуры на трубопроводах подачи воды в резервуары и блок включения/выключения насосных агрегатов первого подъема, подключенные к блоку корректировки воздействия, при этом выход блока планирования работы станций первого подъема соединен с входом блока оптимизации, вход блока планирования работы второго подъема соединен с выходом блока прогноза, вход блока планирования работы станций первого подъема соединен с датчиками работы насосных станций первого подъема
При разработке предложенного технического рещения создана математическая модель системы водоснабжения нового класса. Основное отличие указанной модели от традиционной заключается в том, что разработанная модель выполнена с возможностью учета данных мониторинга водопроводной сети, насосных станций и крупных потребителей. Это позволило добиться полного соответствия модели действующей системе водоснабжения, применить ее для рещения задач оперативного управления, резко повысить эффективность использования модели.
В предложенную модель системы водоснабжения постоянно поступают данные с различных объектов:
-с насосных станций II подъема о подаче в сеть и напорах на выходе насосных станций;
-с водопроводной сети о напорах в контрольных точках;
-с жилых массивов о потреблении воды населением;
-с крупных предприятий о расходах воды;
Модель содержит блок верификации, посредством которого осуществляют коррекцию алгоритма модели для обеспечения соответствия модели действующей системе водоснабжения. Функция блока верификации состоит в приведении в соответствие расчетных значений напоров в контрольных точках сети и фактических значений напоров в контрольных точках. Для решения различных задач по управленипо системой водоснабжения модель имеет в своем составе блок прогноза водопотребления и блок оптимизации нагрузки между насосными станциями.
Функция блока прогноза водопотребления состоит в проведении на базе имеющейся предшествующей информации о потреблении воды анализа сведений, поступающих от датчиков, и вынесении суждения о возможных режимах потребления воды. Полученное суждение используют для планирования работы насосных станций второго подъема.
Функция блока оптимизации нагрузки между насосными станциями состоит в рациональном распределении нагрузки между насосными станциями с целью обеспечения наименьших затрат энергии на перекачку воды, что позволяет уменьшить потери электроэнергии и воды в процессе подачи воды потребителям.
Предложенная система позволяет решить, кроме всего прочего, две кардинальных проблемы водоснабжения: управление напорами и управление запасами.
Управление запасами воды в резервуарах тесно связано с задачей по управлению насосными станциями второго подъема. Блок планирования работы насосных станций второго подъема решает эту задачу на основе прогноза водопотребления. Результаты плана работы насосных станций второго подъема являются основой для планирования работы насосных станций первого подъема соответствующим блоком. В этот блок поступают данные о подаче воды насосными станциями первого подъема и данные о состоянии насосных агрегатов. Сюда приходят также данные об уровнях и запасах воды в резервуарах питьевой воды и данные о состоянии телеуправляемых задвижек перед входом в резервуары. После пересчета плана работы насосных станций второго и первого подъемов блоком оптимизации нагрузки планы поступают в блок корректирующих воздействий, который вырабатывает управляющие сигналы на включение/выключение насосных агрегатов или изменение степени открытия телеуправляемых задвижек.
Управление напорами воды является одной из важнейцшх задач по управлению системой водоснабжения. От успешного решения этой задачи во многом зависит устойчивость и надежность обеспечения потребителей водой, а также экономические результаты работы системы водоснабжения по подаче и распределению воды. Естественно, обеспечить потребителей водой можно и с избыточными напорами. Однако это приведет не только к излишним затратам электрической энергии, но и к значительным потерям воды. Отсюда вытекает целевая функция этой задачи. Стабильно обеспечить требуемые напоры во всех участках сети и при этом добиться минимизации избыточных напоров в сети.
второго подъема. В первую очередь важно выбрать базовую насосную станцшо, оказывающую сильное влияние на водопроводную сеть, и найти для этой станции диктующую точку. Понятие «базовая станщ1я означает крупную насосную станцшо второго подъема, находящзоося в работе в течение 24 часов в сутки и оказывающую воздействие на распределение напоров в большей части водопроводной сети по сравнению с другими насосными станциями. Понятие «диктующая точка означает ограниченный район городской или региональной сети, наиболее удаленный от источников подачи воды или расположенный на возвышенном районе местности и в первую очередь реагирующий на недостаток напора в сети. Подключив регулируемый привод, установленный на самом мощном агрегате этой насосной станции, к диктующей точке сети и используя выработанный датчиком напора, установленным в диктующей точке, как управляющий сигнал для изменения числа оборотов регулируемого привода, получаем систему автомагического регулирования напоров, работающую в режиме локальной автоматики. Однако ее возможности ограничены глубиной регулирования привода и время от времени необходимо регулируемый привод этой системы переводить в рабочую зону путем включения/выключения насосного агрегата на любой из насосных станций второго подъема и/или изменением положения задвижки в магистрали, отводящей воду от насосной станции.
На чертеже приведена блок схема базового варианта предложенной системы. На чертеже приняты следующие обозначения: персональный компьютер 1 диспетчерского пункта, блок 2 оптимизации нагрузки, блок 3 прогноза водопотребления, блок 4 коррекции воздействия, блок 5 верификации, насосная станция 6 второго подъема, датчик 7 контроля напора в сети, датчик 8
На чертеже приведена блок схема базового варианта системы, используемой при реализации способа автоматического управления водоснабжением. На чертеже приняты следующие обозначения: персональный компьютер 1 диспетчерского пункта, блок 2 оптимизации нагрузки, блок 3 прогноза водопотребления, блок 4 коррекции воздействия, блок 5 верификации, насосная станция 6 второго подъема, датчик 7 контроля напора в сети, датчик 8 потребления воды крупным жилым массивом, датчик 9 потребления воды промышленным предприятием, блок 10 планирования работы насосов второго подъема и блок 11 планирования работы насосов первого подъема.
Изобретение в г. Зеленограде реализовано следующим образом.
Датчики напора воды установлены на водопроводной сети микрорайонов города, причем больщая часть из них размещена в районах 9-ти этажной застройки, обеспечиваемой водой непосредственно от водопроводной сети без подкачивающих насосов, по одному датчику напора установлено на выходах каждой из 11 насосных станций второго подъема, датчики водопотребления установлены в двух крупных жилых массивах города, а также на вводах четырех крупнейщих потребителях воды (районных тепловых станциях). В качестве базовых насосных станций выбраны водопроводный регулирующий узел, оказывающий сильное влияние на старзто часть города, и водопроводный регулирующий узел, оказывающий сильное влияние на новую часть города. Регулируемый привод первого узла подключен к датчику напора («диктующей точке), установленного в районе 9-ти этажных домов старой части города, а регулируемый привод второго узла присоединен к датчику напора, установленного в одном из центральных тепловых пунктов новой части города. Предварительно в течение двух лет была
с возможностью учета информации, получаемой от указанных датчиков, и управления насосами подачи воды. Указанная программа записана на носитель информации персонального компьютера диспетчерского пункта и содержит дополнительно блок прогноза водопотребления, блок оптимизации подачи воды, блок корректировки воздействия, блок планирования работы насосов станций второго подъема, блок планирования работы насосов станций первого подъема и блок верификации, выполненные как составные части указанной программы, при этом блоки оптимизации и блок планирования работы насосов второго подъема обратимо связаны между собой, а также с выходом блока прогноза водопотребления и входом блока оптимизации, выход которого связан с входом блоком коррекции воздействия, выход которого соединен с регулируемыми приводами насосов станций второго подъема, а также дистанционно управляемыми задвижками магистрали подачи воды, отходящими от насосных станций. При отклонении на одном из указанных датчиков показаний от заданного уровня напора в диктующей точке сигнал от датчика напора в диктующей точки поступает на управление регулрфуемым приводом базовой насосной станции и увеличивает или уменьщает подачу воды в магистраль. При необходимости блок корректировки воздействия включает или выключает насосы на остальных станциях второго подъема, а также регулирует степень открытия дистанционно управляемых задвижек на выходе насосных станций. Одновременно с выще указанными действиями диспетчерский пункт с использованием блока планирования работы насосов первого подъема и блока коррекции воздействия рещает задачу управления запасами воды в резервуарах.
подачу и распределении воды за счет оптимального распределения нагрузки между насосными станциями в течение всего времени работы. Одновременно происходит уменьшение потерь воды в масштабе г. Зеленограда на 19,2 % при уменьшении затрат электроэнергии на 7,8 %. Одновременно происходит облегчение условий труда персонала диспетчерской службы и машинистов насосных установок за счет реализации автоматического режима управления системой. Диспетчер участвует в работе системы только в случае форс-мажорных обстоятельств.