Классификация систем управления насосными станциями повышения давления и их потребительские свойства

Проблемные вопросы классификации автоматики насосного оборудования

В настоящее время на рынке систем автоматического управления насосными станциями повышения давления, отсутствует какая-либо системная классификация. Такая ситуация затрудняет определение свойств этих систем, направленных на решение их функциональных задач.

Предлагаемая классификация систем автоматики насосов, обеспечивающих заданное давление в напорной магистрали, имеет целью определить свойства каждой классификационной группы для выявления заказчиком своей выгоды при приобретении той или иной системы.

Основные структуры систем автоматического управления

В основу классификации рассматриваемых систем автоматики насосов целесообразно положить структуру их построения относительно решаемых функциональных задач.

Структуры систем автоматического управления (регулирования) в теории построения этих систем принято делить на две основные группы:

1. Системы с вертикальной структурой
2. Системы с горизонтальной структурой

Системы с вертикальной структурой построения - системы с сильными связями информации и управления при ослабленных горизонтальных связях. Вертикаль структуры (рис.1) обеспечена наличием центрального управляющего процессора - блока управления системой (элемент С).

Системы с горизонтальной структурой - системы с сильными горизонтальными комплексными связями информации и управления при ослаблении вертикальных связей (рис. 2).

Все другие разновидности построения систем автоматического управления, так или иначе, можно отнести к одной из рассматриваемых групп. Для определенности классификации систем автоматики управления насосами целесообразно ввести следующую классификацию
комплексы регулирования - системы с вертикальной структурой построения;
комплексные системы регулирования - системы с горизонтальной структурой.

Системы управления насосами с одним преобразователем частоты

В системах управления насосными станциями водоснабжения с одним преобразователем частоты (ПЧ) элементы на рис.1, 2 можно определить следующим образом:
А – аналоговые датчики;
Б – структурный элемент «преобразователь частоты - регулируемый насос»;
С – управляющий контролер;
D…E  - структурные элементы «защита - коммутация - насос».

Тонкими стрелками представлены связи управления, объемными стрелками - информационные связи.
Объективной особенностью построения рассматриваемых систем является отсутствие в них структурного резервирования элементов управления: датчиков, преобразователя частоты, управляющего контроллера. Структурное резервирование аналоговых датчиков не рассматривается, хотя и не представляет сложности

Частотно - релейные автоматы

Следует выделить еще одну структуру, которая относится к группе комплексных систем, занимая нижний иерархический уровень в этой группе, и может быть классифицирована как «частотно - релейный автомат» (рис.3).

Структура частотно - релейного автомата (ЧРА), представленная на рис.3, состоит из:
А - аналоговых датчиков давления;
В - преобразователя частоты;
D…E - структурных элементов «защита - коммутация - насос».

В отдельных случаях для пуска насосов используются устройства плавного пуска (УПП), в наиболее общем случае являющиеся элементами коммутации и защиты насосов. Для управления коммутацией насосов используется контроллер преобразователя частоты.

ЧРА часто предлагают «россыпью» в виде ПЧ c повышенной степенью пыле - влагозащищенности (в лучшем случае - IP-54) и датчика при цене оборудования, меньшей цены комплектной системы. Заказчик должен своими силами при дополнительных вложениях смонтировать и наладить это оборудование.

При этом часто умалчивается вопрос о необходимости приобретения элементов управления и индикации, коммутационной и защитной аппаратуры, их размещения и монтажа, выполнения объема работ по наладке аппаратной части, наладки программного обеспечения, выполнении значительного объема не адаптированных эксплуатационных настроек, что требует привлечение персонала с высокой квалификацией.

Фактически, щит управления системой должен изготовить сам заказчик не имея эксплуатационной и технической документации конечного изделия.

Существенным недостатком ЧРА является его привязка к строго определенному типу ПЧ. При снятии ПЧ с производства или прекращении его поставок ЧРА автоматически лишается возможности восстановления при отказе преобразователя.

Расчеты показывают, что цена подобного предложения с учетом прямых и косвенных затрат заказчика как правило значительно выше цены готового изделия при более низком качестве функционирования.

Системы автоматики управления насосами с параллельно работающими ПЧ

Развитие систем автоматики управления насосами определяет повышение требований к «комфортности» процессов регулирования давления. Таким требования отвечают насосные станции с параллельно работающими ПЧ, каждый из которых управляет «своим» насосом без возможности прямого включения насоса к сети питающего напряжения.

Для таких систем в структуре комплекса (рис.1):
А - аналоговые датчики;

В структуре комплексной системы (рис.2) при параллельной работе ПЧ:
А - аналоговые датчики;
В…С - преобразователи частоты.

Следует отметить, что сравнение систем автоматического управления с одним преобразователем в схеме управления и параллельно работающими ПЧ не производится, поскольку эти системы принципиально различны по своему качеству и функциональным возможностям. Объединение этих систем в классификационные группы производится лишь по признакам построения их структур.

Показатели качества систем управления насосами повышения давления

К числу свойств, определяющих качество рассматриваемых систем и являющихся его показателями, можно отнести
- надежность и устойчивость функционирования;
- возможности минимизации ошибки регулирования при минимально возможных энергетических затратах;
- адаптивность к изменению внешних воздействий и величине нагрузки;
- возможности выполнения эксплуатационных настроек по всем координатам программирования;
- минимизацию затрат на выполнение эксплуатационных и ремонтных работ;
- требуемую квалификацию обслуживающего персонала;
- информационное обеспечение;
- возможности работы с программным обеспечением  SCADA верхнего уровня без аппаратного расширения;
- возможности формирования архивов состояний, отказов, параметров;
- документальное сопровождение поставляемого оборудования;
- возможности по обучению персонала;
- ресурс системы: до выполнения среднего, капитального ремонта, назначенного;
- стоимость оборудования.

Потоки информации систем автоматики управления насосами

Потоки информации, поступающие в системы управления насосами, в наиболее общем случае включает в себя текущие и заданные значения регулируемых параметров, частоту вращения управляемого насоса, сигналы состояния элементов структуры и управляемых насосов, аварийные сигналы, внешние управляющие воздействия, а также программируемые оператором координаты системы.

Весь поток информации комплекса регулирования поступает в управляющий контроллер (рис. 1), который при работе с программным обеспечением информационной управляющей системы (SCADA) верхнего уровня выполняет функции локального контроллера без дополнительного аппаратного расширения.

В контроллер комплексной системы поступает лишь та часть информации, которая в силу структурного построения системы, программного и аппаратного обеспечения контроллера может быть им получена, в то время как другая ее часть неизбежно теряется (на рис. 2 - пунктирные объемные стрелки). Контроллером комплексной системы объективно не может быть получена информация о текущих и заданных значениях регулируемых параметров, физическом значении частоты вращения регулируемого насоса. При этом теряемая контроллером информация составляет основу обеспечения качества функционирования системы.

Для комплексной системы с параллельной структурой ПЧ сохраняются те же ограничения по получению информации, что и для комплексной системы с одним ПЧ.

В ЧРА как разновидности комплексной системы не ставится задача получения, накопления и обработки поступающей информации в силу ограниченности возможностей контроллера ПЧ, а также зависимости управляющего контроллера от силовых цепей питания преобразователя, что резко снижает надежность всей системы.

Формирование и хранение архивов отказов комплексных систем производится в кодах ПЧ.

Для сбора и передачи всей информации от комплексной системы в SCADA верхнего уровня необходимо использовать дополнительный контроллер как концентратор информации и дополнительные аналоговые датчики, что существенно повышает стоимость при снижении  надежности.

Функции управляющего контроллера в структуре систем автоматики управления насосами

Принципиальное отличие структур комплекса (рис. 1) и комплексной системы (рис. 2) состоит в функциях управляющего контроллера.

В структуре комплекса функциями контроллера являются:

• считывание информации с аналоговых и релейных датчиков или других информационных устройств;
• регулирование параметров технологических процессов в координатах: ПИД-регулирование, пуск и останов насосов;
• управление преобразователем частоты (элемент В) записью сигнала ПИД-регулятора;
• функциональное резервирование датчика или/и преобразователя частоты при их отказах (ослабление горизонтальных связей): регулированием давления по задаваемым уставкам, управлением по среднему значению давления, включением заданного количества насосов;
• получение и хранение информации о структуре, параметрах комплекса, отказах оборудования и внешних воздействиях;
• обеспечение программирования режимов работы, параметров и структуры комплекса от единого HMI-интерфейса;
• формирование и хранение архивов отказов и состояний оборудования комплекса;
• формирование и хранение параметрических архивов.

    В структуре комплексной системы функциями контроллера являются:

• коммутация цепей управления преобразователя частоты (элемент В): пуск/стоп ПЧ;
• управление пуском и остановом насосов по сигналам ПИД - регулятора ПЧ;
• получение информации об отказах и состояниях оборудования;
• управление структурой системы при отказе структурного элемента «датчик - преобразователь частоты - регулируемый насос» прямым включением насоса.

Принципиальным различием двух структур является то, что в структуре комплекса регулирования контроллер выполняет функции управления комплексом (блок управления комплексом - БУК), в структуре комплексной системы - только функции блока коммутации или интеллектуального реле. При этом следует отметить, что один и тот же контроллер в различных схемах построения систем автоматического управления может выполнять функции как блока управления комплексом, так и блока коммутации.

В соответствие выполняемым функциям, к контроллерам комплекса и комплексной системы предъявляются различные требования по мощности процессора, объему памяти, возможностям программного обеспечения, наличию и возможностям HMI - интерфейса, а также требования по надежности, что в конечном итоге определяет их стоимостные показатели. Выбором управляющего контроллера определяется рациональность его применения при построении автоматики управления насосами.

Надежность функционирования систем автоматики управления насосными станциями

Анализ надежности рассматриваемых структур показывает, что надежность функционирования комплекса (рис.1) определяется надежностью только одного структурного элемента - управляющего контроллера (БУК). БУК получает весь объем информации и выполняет все функции управления, тем самым он имеет возможность распознавать возникающие отказы оборудования и реализовать режимы функционального резерва этого оборудования для обеспечения возможности функционирования системы в целом. При этом следует учитывать, что надежность БУК определяется надежностью промышленного контроллера.

Надежность функционирования комплексной системы (рис. 2) из-за наличия сильных горизонтальных связей зависит от надежности функционирования всех структурных элементов, объединенных на горизонтальном уровне: «датчик - преобразователь частоты - управляющий контроллер». Отказ любого из этих элементов приводит к нарушению функционирования всей системы.

Наименее надежным элементом рассматриваемых структур (1,2) является элемент «преобразователь частоты - регулируемый насос», т.к. его надежность определяется совместной надежностью этих двух элементов. При этом отказ ПЧ достаточно сложно различим на фоне отказа управляемого им насосного агрегата. Таким образом, надежность функционирования структуры комплексной системы (рис.2) фактически определяется надежностью элемента «преобразователь частоты - регулируемый насос», являющегося наименее надежным элементом структуры.

В комплексной системе из-за неполноты получаемой контроллером информации объективно возможна только элементарная функция резерва отказа структуры «аналоговый датчик - ПЧ - управляемый насос», определяемая включением одного или нескольких насосов с потерей функций управления.

Надежность функционирования частотно - релейного автомата (ЧРА) полностью определяется надежностью структурного элемента «датчик - ПЧ - насос», являющегося наименее надежным элементом структуры. В отличие от структуры комплексной системы (рис. 2), ЧРА не предусматривает функций резерва отказа преобразователя частоты или аналогового датчика. Любой отказ оборудования частотно - релейного автомата приводит к потере возможности функционирования всей системы.

Надежность функционирования вертикальной структуры рис.1 для параллельной схемы работы ПЧ также определяется только надежностью функционирования БУК. Для структуры комплекса отказ любого элемента «ПЧ - насос» является безопасным, т.к. сохраняется структурное резервирование этих элементов, реализуемое БУК.

В комплексной системе при параллельной работе ПЧ назначение одного из этих элементов «ведущим» резко снижает надежность функционирования всей системы. При отказе «ведущего» преобразователя (цепь «датчик - ПЧ - насос») его структурное резервирование полностью исключается. Система теряет возможность функционирования без вмешательства оператора.

Основные эксплуатационные настройки систем автоматики управления насосами

Все основные эксплуатационные настройки систем автоматики управления насосами можно разделить на три группы (координаты программирования):

1. Режимы работы
2. Параметры
3. Структура

Режимы работы определяются: режимом регулирования по уставкам (постоянная уставка, графики, пропорциональное регулирование), режимами функционального резерва основных структурных компонентов: преобразователя частоты и датчиков.

Основные параметры определены значениями уставок регулируемого параметра; уровнями команд «Пуск» / «Стоп»; таймерами пуска и останова насосов, таймерами состояния магистралей, таймером чередования; пределами датчиков, параметрами и пределами ПИД-регулятора, параметрами фильтров, таймерами программируемых входов.

Структура систем определяет схемы работы датчиков, разрешенное количество работающих насосов, наличие тестового режима насосов, разрешение пуска по частоте, значение функций программируемых входов, функцию засыпания, активизацию и значение функции чередования насосов.

Для комплекса регулирования, имеющего HMI - интерфейс управляющего контроллера, по определению являющийся единым HMI - интерфейсом, программирование перечисленных групп параметров не представляет сложности.

Программирование комплексной системы необходимо производить для двух элементов ее структуры в отдельности: ПЧ (параметры и пределы ПИД - регулирования, параметры датчиков) и контроллера (значения таймеров) при отсутствии единого HMI - интерфейса. При этом процесс настройки параметров производится в меньшем, по сравнению с комплексом, объеме, становится более трудоемким и требует более высокой квалификации обслуживающего персонала. Необходимо учесть сложность программирования структуры системы, а также формирования более одного уровня доступа для настройки параметров, что объективно снижает глубину настройки комплексной системы .

Эксплуатационные настройки ЧРА производятся от выносного пульта ПЧ, при этом ограниченность объема и относительная сложность настроек вполне очевидна.

Следует учесть, что в качестве HMI - интерфейса в комплексных системах часто представляют панель управления ПЧ с цифровой индикацией или же экран индикации логического контроллера, монтируемые на лицевую панель шкафа управления.

    Более полная и точная настройка системы автоматики позволяет минимизировать ошибку регулирования, обеспечить адаптивность системы к изменению нагрузок и отказам элементов системы.

Определение выгоды заказчика при приобретении систем автоматики управления насосными станциями

Выгода заказчика при приобретении систем автоматикиуправления насосными станциями определяется тем набором конструктивных и эксплуатационных свойств системы или ее качеством, которые приобретает заказчик, уплатив за оборудование определенную сумму денег. В идеале максимальная выгода достигается при условиях равновесия весов, на одну чашу которых «положены» свойства системы, на другую - их стоимость в оценках производителя.

Вполне очевидно, что при снижении качества или количественной оценки свойств системы пропорционально должна уменьшаться ее стоимость для сохранения условного равновесия, как это показано на рисунке для позиции 1. Однако на практике часто происходит непропорциональное снижение качества системы таким образом, что стоимость начинает «перевешивать», при этом цена единицы качества растет (позиция 2).

Одним из способов непропорционального повышения стоимости оборудования является назначение его опциональности. Зачастую необходимые свойства системы определяются как опции и предлагаются за отдельную стоимость. При этом базовая стоимость оборудования предлагается без наличия этих свойств, что на первый взгляд делает это оборудование привлекательным по показателю его стоимости и затрудняет определение реальной выгоды при приобретении такого оборудования.

Для комплексов регулирования, являющихся, как было отмечено, функционально более устойчивыми, а также более информативно обеспеченными, имеется возможность без дополнительных аппаратных затрат повышать их качество (поз.3) за счет совершенствования программного обеспечения, направленного на повышение гибкости и технологичности процессов регулирования, формирование, хранение и обработку массивов информации, достижение экстремумов показателей качества функционирования.

При определении качества оборудования неизбежно приходится учитывать стоимость затрат на его эксплуатацию и ремонт. Это, прежде всего, объем и стоимость всех видов работ в процессе эксплуатации оборудования, определяемых его надежностью, устойчивостью функционирования, а также эксплуатационно-ремонтной технологичностью; требования, предъявляемые к обслуживающему персоналу по уровню его квалификации; документальная поддержка оборудования; предоставляемые возможности по обучению и повышению квалификации персонала.

В любом случае, каждая из систем, предлагаемых их поставщиками, независимо от ее структуры и функциональных возможностей, может иметь наибольшие показатели качества, определяемые конструктивными, эксплуатационными, функциональными и ценовыми показателями, в тех или иных областях задач, решаемых этими системами. Вполне очевидно, что при повышении качества системы области решаемых задач, в пределах которых показатели качества достигают своих максимальных значений, расширяются. В том случае, когда задачи, которые ставит заказчик перед той или иной системой автоматики, принадлежат области задач ее максимального качества, он приобретает максимальную выгоду при поставке данной системы автоматики управления насосами.

Предлагаемая классификация систем автоматики управления насосными станциями повышения давления направлена на решение вопросов определения тех областей решаемых этими системами технологических задач, в пределах которых показатели качества этих систем объективно стремятся к своим максимальным значениям.