МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ “БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ” Кафедра строительства и эксплуатации ГМС АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕЛИОРАТИВНЫХ И ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ СИСТЕМ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Для студентов специальности 1-74 05 01 – мелиорация и водное хозяйство ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ Горки 2008 МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ “БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ” Кафедра строительства и эксплуатации ГМС АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕЛИОРАТИВНЫХ И ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ СИСТЕМ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Для студентов специальности 1-74 05 01 – мелиорация и водное хозяйство ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ Горки 2008 Одобрено методической 09.07.2008 г. (протокол №9). комиссией мелиоративно-строительного факультета Составил Л. И. КУМАЧЕВ. Компьютерный набор и верстка Н. М. Тимошенко. СОДЕРЖАНИЕ Введение…………………………………………………………………………………...3 Лабораторная работа 1. Автоматическая заливка насоса водой…………………….....4 Лабораторная работа 2. Автоматическое управление напорной электрозадвижкой…8 Лабораторная работа 3. Защита электродвигателя насоса при аварийном отключении одной из фаз питающего напряжения…………………………………………………….....10 Литература………………………………………………………………………………..15 УДК 62–52 Автоматизация мелиоративных и водохозяйственных систем: методические указания; издание второе, переработанное и дополненное / Белорусская государственная сельскохозяйственная академия; сост. Л.И. К ум аче в . Горки, 2008. 16 с. Приведены технологические и электрические принципиальные схемы лабораторных установок, цели, задачи, методика проведения испытаний автоматизированных систем, контрольные вопросы, список рекомендованных литературных источников. Рисунков 9. Библиогр. 5. Рецензент: О. А. ШАВЛИНСКИЙ, канд. с.-х. наук, доцент. Составление. Л. И. Кумачев, 2008 Учреждение образования “Белорусская государственная сельскохозяйственная академия”, 2008 ВВЕДЕНИЕ Выполнение лабораторных работ позволит студентам получить глубокие знания и практические навыки в области устройства и функционирования основных систем автоматики насосных станций на мелиорируемых и водохозяйственных объектах: систем автоматической заливки насосов водой, защиты насосных агрегатов, автоматического регулирования подачи воды насосами. Перед выполнением лабораторных работ проводится инструктаж по технике безопасности. Лабораторные установки разрешается включать только после согласования с преподавателем. Лабораторная работа выполняется в присутствии преподавателя после соответствующей теоретической подготовки студента и проверки его знаний преподавателем. По результатам проведения лабораторной работы составляется отчет в рабочей тетради. Контроль знаний студента осуществляется с помощью контрольных вопросов по лабораторной работе при ее защите в назначенное преподавателем время. В методических указаниях приняты следующие условные сокращения: КМ – контактор магнитный (магнитный пускатель); ТV – трансформатор; KV – электромагнитное реле; КV 1:1 – контакт 1 реле КV1; HL1 – сигнальная лампа номер 1; QF – автоматический выключатель; SA – трехфазный выключатель; SA1 – переключатель режима работы системы; SL – электроконтактный измерительный преобразователь (датчик) уровня воды; KK – реле тепловое; SV – электромагнитный клапан; ЭЗ – электрозадвижка; ОР – объект регулирования; РО – регулирующий орган; ЗЭ – задающий элемент; УО – усилительный орган; М – электродвигатель; ОН – основной насос; БН – бустерный насос; ВН – вакуумный насос; ВВК – водно-воздушный котел; ВК – воздушный компрессор. 3 Лабораторная работа 1. АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЗАЛИВКА НАСОСА ВОДОЙ Цель работы – изучить устройство и принцип действия системы автоматической заливки водой центробежного насоса, используемой на оросительных насосных станциях. Общие сведения. На оросительных насосных станциях, работающих на группу дождевальных машин, заливка насосов водой осуществляется с помощью специальных насосов, называемых бустерными. Бустер-насос (БН) имеет небольшую производительность и предназначен для заполнения водой всасывающих труб, рабочих колес основных насосов (ОН), а так же для заливки напорных трубопроводов, подающих воду к дождевальным машинам. Заполняется водой (до заданной отметки) и водно-воздушный котел (ВВК) насосной станции, предназначенный для гашения гидравлических ударов. После этого БН выключается и включается воздушный компрессор, который нагнетает воздух в водно-воздушный котел до заданного давления и выключается. Станция подготовлена к подаче воды в дождевальные машины. После включения одной из них насосная станция автоматически включается и подает воду. Лабораторная установка для изучения системы заливки (рис. 1) состоит из двух насосов – основного (ОН) и бустерного (БН). Всасывающие патрубки насосов оборудованы обратными клапанами ОК1 и ОК2. Бустерный насос забирает воду из резервуара, находящегося под Рис. 1. Схема лабораторной установки: ОН – основной насос; БН – бустерный насос; ОК1 … ОК3 – обратные клапаны; ДУ – датчик уровня воды в насосе; SV – электромагнитный клапан; ЭЗ – электрозадвижка; М – электродвигатель. 4 полом лаборатории и подает ее в полость рабочего колеса ОН по трубопроводу, оборудованному обратным клапаном ОК3. Клапан не препятствует движению воды в ОН, но закрывается при ее обратном направлении. Процесс заливки ОН водой контролируется датчиком уровня ДУ, установленным в верхней точке корпуса ОН. В процессе заливки электрозадвижка ЭЗ закрыта, а электромагнитный клапан SV открыт, благодаря чему воздух в процессе заливки уходит из полости колеса ОН. В момент, когда вода в ОН коснется электрода датчика ДУ, выключится БН и основной насос ОН получит команду «Разрешение» на включение, или сразу же включится, если в этом есть необходимость. Функциональная схема системы заливки показана на рис. 2. Средства автоматики представлены на этой схеме в виде функциональных блоков, между которыми расположены стрелки, указывающие направления и порядок воздействий блоков друг на друга. Рис. 2. Функциональная схема системы заливки водой основного насоса: ОН – основной насос; БН – бустерный насос; М1 и М2 – электродвигатели насосов; ДУ – датчик уровняводы в ОН; KV1…KV4 – электромагнитные реле; КМ1 и КМ2 – магнитные пускатели. Прочитать схему можно следующим образом. От основного насоса (ОН) к датчику уровня SL поступает информация о наличии или отсутствии воды в корпусе ОН. Датчик вырабатывает команды для реле КV1 и КV2. Реле КV3 и КV4 выполняет функции усилителей мощности команд. Усиленные команды воздействуют на магнитные пускатели КМ1 и КМ2. Пускатель КМ1 включает или выключает электродвигатель М1 бустерного насоса БН. Электродвигатель М2 основного насоса ОН включается пускателем КМ2. Если основной насос ОН не залит водой, то информация об этом поступает от датчика SL и по аналогичной схеме приводит к включению бустерного насоса БН и к одновременному «запрещению» включения основного насоса ОН. Если же в основном насосе ОН есть вода, то информация об этом, поступающая от SL, приводит к отключению бустерного насоса БН и к «разрешению» на включение основного насоса ОН. 5 Принципиальная схема заливки насоса приведена на рис. 3. При отсутствии воды в полости рабочего колеса основного насоса контакт датчика SL разомкнут и поэтому в катушке реле КV1 нет тока. Его замыкающий контакт КV1:1 разомкнут и в катушке реле КV2 так же нет тока. Контакт КV2:1 разомкнут и поэтому ОН не включается (в автоматическом режиме работы контакты переключателей SA2 и SA3 находятся в нижнем по схеме положении). Рис. 3. Принципиальная электрическая схема системы заливки основного насоса. Одновременно с этим контакт реле КV2:2 замкнут и поэтому катушка магнитного пускателя КМ2 запитана током, пускатель срабатывает и включает электродвигатель бустерного насоса БН. Бустерный насос заливает водой полость рабочего колеса ОН, уровень воды в ней повышается до электрода датчика SL, замыкается его контакт SL и катушка реле КV1 запитывается током. Реле срабатывает, 6 замыкается его контакт КV1:1 и подается ток в катушку реле КV2. Реле КV2 переключает свои контакты. Контакт КV2:1 замыкается давая команду основному насосу ОН «разрешение» к пуску. Контакт КV2:2 размыкается и выключается бустерный насос БН. Процесс заливки водой основного насоса закончен. Порядок выполнения лабораторной работы. 1. Ознакомиться с расположением механического оборудования и технических средств автоматизации, расположенных на лабораторной установке: где находится, основной и бустерный насосы и их электродвигатели, датчик уровня воды в основном насосе, обратные клапаны, электромагнитные реле КV1 и КV2, магнитные пускатели КМ1 и КМ2, выключатели QF и SA, а так же переключатели SA2 и SA3 режима работы установки. 2. Изучить с помощью настоящих методических указаний работу системы автоматики по рис. 1, 2, 3 в процессе заливки водой основного насоса ОН. 3. Установить переключатели режима работы установки в положение «автоматический режим». 4. Включить автоматический QF и трехфазный SA выключатели. В результате должен автоматически включиться бустерный насос БН и возникнуть давление в его напорном патрубке. О нем можно судить по положению стрелки манометра. Следует определить величину этого давления. 5. Продолжая наблюдение по шкале манометра, нужно зафиксировать, как оно увеличится в конце заливки основного насоса и его включения. Одновременно с включением основного насоса выключится бустерный насос. 6. С помощью трехфазного выключателя SA нужно отключить работающий насос от сети электропитания. Затем, спустя 1 – 2 минуты снова включить его. Обратите внимание на то, что при повторном включении бустерный насос не будет включаться вследствие наличия воды в основном насосе. 7. Окончательно выключить лабораторную установку и подготовиться к ответам на контрольные вопросы. Контрольные вопросы 1. Какое механическое оборудование и какие элементы автоматики смонтированы в лабораторной установке? 2. Каким образом можно управлять процессом заливки основного насоса в полуавтоматическом режиме? Какое переключение нужно сделать для этого в лабораторной установке? 3. Как устроен датчик уровня воды в основном насосе и как он работает? 4. Опишите, как работает автоматика от начала до конца процесса заливки основного насоса в автоматическом режиме. 7 Лабораторная работа 2. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ НАПОРНОЙ ЭЛЕКТРОЗАДВИЖКОЙ Цель работы – изучение и практическое исследование устройства и принципа действия системы автоматического управления открытием и закрытием электрозадвижки на напорном трубопроводе центробежного насоса. Общие сведения. Центробежные насосы обычно запускают при закрытой напорной задвижке. Это позволяет избежать перегрузки электродвигателя насоса в начале его работы, когда напорный трубопровод еще не заполнен водой. Исключение из этого правила составляет пуск насосов крупных оросительных насосных станций. Для сокращения времени заполнения водой напорных трубопроводов этих станций насосы запускают на открытую задвижку. Правила эксплуатации их электродвигателей допускают кратковременную перегрузку, пока начальный участок трубопровода заполнится водой. После этого перегрузка исчезает вследствие значительного гидравлического сопротивления столба воды в трубопроводе. Автоматизация управления напорной электрозадвижкой построена на следующем алгоритме. После пуска залитого водой насоса перед закрытой задвижкой возникает значительное давление. Это давление воспринимается электроконтактным манометром. Его контакты переключаются, вырабатывают команду на открытие электрозадвижки и она плавно открывается. После окончания работы насоса и его выключения, давление в напорном трубопроводе снижается до статического. Стрелка электроконтактного монометра поворачивается и его контакты вырабатывают команду для закрытия электрозадвижки. Задвижка закрывается. Таким образом, электрозадвижкой управляет электроконтактный монометр, следящий за давлением в напорном трубопроводе. Лабораторная установка (рис. 4) состоит из центробежного насоса ОН, его электродвигателя М, электрозадвижки ЭЗ, установленной на напорном трубопроводе, а также технических средств автоматизации, установленных на щите управления: электроконтактного манометра ЭКМ, электромагнитного реле КV1 и двух магнитных пускателей – КМ1 и КМ2. Пуск или остановка насоса ОН приводит к изменению давления в напорном патрубке насоса. Величину давления контролирует ЭКМ. Выработанные им команды усиливаются по мощности в электромагнитном реле КV1 и воздействуют на электромагнитные пускатели КМ1 и КМ2. Срабатывание пускателя КМ1 приводит к запуску электродвигателя задвижки в направлении ее открытия. Срабатывание КМ2 – к запуску в направлении ее закрытия. При выключенном электродвигателя М давление в напорном па8 трубке насоса низкое, ЭКМ находится в исходном положении, задвижка закрыта. После включения насоса давление резко возрастает, переключаются контакты ЭКМ и это приводит к открытию задвижки. Рис. 4. Технологическая схема управления напорной электрозадвижкой: ОН – основной насос; М – электродвигатель; ЭЗ – электрозадвижка; ЭКМ – электроконтактный манитор; KV1 – электромагнитное реле; KМ1 и KМ2 – магнитные пускатели соответственно левого и правого направления вращения электродвигателя задвижки. Принципиальная электрическая схема системы управления электрозадвижкой представлена на рис. 5. Если насос не включен, то переключающий контакт электроконтактного манометра ЭКМ находится в верхнем положении, как показано на схеме. Катушка реле КV1 не получает тока и оно находится в исходном положении. Его замыкающий контакт КV1:1 находится в разомкнутом состоянии, а размыкающий КV1:2 – в замкнутом. Переключатели SA1 и SA2 в положении, как на рис. 5, т.е. в автомотическом режиме заливки насоса, поэтому катушка пускателя КМ2 получает питание и он срабатывает. Включается электродвигатель задвижки и она закрывается. Выключение электродвигателя в конце ее закрытия осуществляется специальным концевым выключателем, смонтированным в корпусе электрозадвижки (на схеме не показан). 9 Рис. 5. Принципиальная электрическая схема управления напорной электрозадвижкой. После включения насоса давление в напорном патрубке резко возрастает и переключающий контакт ЭКМ переходит в нижнее по схеме положение. В результате срабатывает реле КV1 и переключает свои контакты. Его контакт КV1:1 замыкается и поэтому срабатывает магнитный пускателя КМ1 и задвижка начинает открываться. В конце открытия ее электродвигатель выключается концевым выключателем открытия (на схеме не показан). В это время контакт КV1:2 остается разомкнутым, а магнитный пускатель КМ2 находится в исходном положении. Таким образом, запуск насоса приводит к автоматическому открытию задвижки, а его остановка – к ее закрытию. Порядок выполнения лабораторной работы. 1. Ознакомиться с расположением оборудования и технических средств автоматики на лабораторной установке с помощью настоящих методических указаний. 2. Изучить с помощью настоящих методических указаний работу системы управления электрозадвижкой, согласно схемы на рис. 5. 10 3. Переключатель режима управления заливкой насоса перевести в положение «Автоматический». 4. Включить автоматический и трехфазный выключатели. 5. Включить электродвигатель насоса нажатием кнопки «Пуск», расположенной на щите управления. 6. Резко повысится давление в напорном патрубке насоса и повернется стрелка электроконтактного монитора ЭКМ. 7. Переключатся контакты манометра и сработает реле КV1. 8. Одновременно сработает магнитный пускатель и электрозадвижка откроется. 9. Насос будет подавать воду в напорный трубопровод, а манометр ЭКМ покажет рабочее давление в напорной трубе. 10. После этого нажатием кнопки «Стоп» выключают насос и наблюдают за положением стрелки манометра. После выключения насоса давление уменьшится до статического и стрелка манометра повернется влево, переключив его контакты. 11. Это приведет к переходу реле КV1 в исходное положение и к запуску двигателя задвижки в сторону ее закрытия. 12. Задвижка закроется, ее электродвигатель выключится и наступит пауза. 13. Нужно снова включить насос и дать задвижке открыться, а затем выключить его и убедиться, что она закрылась. 14. Отключают установку от сети. Контрольные вопросы 1. Назовите и укажите места расположения оборудования и технических средств автоматики лабораторной установки. 2. Как устроен и как работает электроконтактный манометр? 3. Какова функция электромагнитного реле КV1? 4. Почему электродвигателем задвижки управляют два магнитных пускателя? 5. Опишите работу автоматики после запуска насоса. 6. Аналогично опишите ее работу после выключения насоса. 7. Как переключить лабораторную установку в полуавтоматический режим управления. Лабораторная работа 3. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ НАСОСА ПРИ АВАРИЙНОМ ОТКЛЮЧЕНИИ ОДНОЙ ИЗ ФАЗ ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ Цель работы. Изучить устройство и принцип действия системы защиты электродвигателя, приобрести навыки ее настройки. 11 Общие сведения. Во время нормальной эксплуатации насосной станции нередко по различным причинам исчезает напряжение в одной из трех фаз питающей сети. Это создает для работающего электродвигателя аварийный режим работы, в котором он потребляет большой ток и быстро разогревается. Если его не отключить от сети, то он перегреется и сгорит. Для автоматического отключения электродвигателя от сети используется специальная система защиты, срабатывающая при резком увеличении тока, потребляемого двигателем. Лабораторная установка показана на рис. 6. Она состоит из основного насоса ОН, приводного электродвигателя М и средств автоматики на щите. Как следует из приведенной схемы, электропитание к нему поступает от сети через контакты автоматического выключателя SA и магнитного пускателя КМ. Ток, поступающий к электродвигателю М, проходит через реле тепловое КК, контролирующее величину этого тока. Рис. 6. Схема лабораторной установки. Принципиальная схема управления электродвигателем насоса и система его защиты приведена на рис. 7. Система защиты представле12 на четырьмя элементами с названием КК: тремя датчиками перегрузки КК в силовой цепи и размыкающим контактом КК в цепи управления. Датчики перегрузки в совокупности с размыкающим контактом изготовлены на заводе в виде реле теплового. Это реле и есть система защиты. Реле тепловое крепится вблизи магнитного пускателя. Его устройство показана на рис. 8. Датчик перегрузки 1 представляет собой нагревательный элемент. По нему протекает ток, потребляемый электродвигателем и нагревает его. Выделившееся тепло воздействует на биметаллическую пластину 2, выполненную из двух разнородных металлов: левая по схеме часть изготовлена из железа., а правая – из меди. Поэтому при нагревании она изгибается влево (по схеме). Если двигатель работает в нормальном режиме, то потребляемый им номинальный ток сравнительно невелик, а температура нагрева пластинки 2 невысокая. Она слегка изгибается и остается в таком положении пока электродвигатель работает в нормальном режиме. Рис. 7. Принципиальная электрическая схема управления электродвигателем и его защиты. Если исчезает напряжение в одной из фаз сети, то двигатель начинает работать в режиме перегрузки и потребляет большой ток. Сразу же докрасна нагревается спираль 1 и от нее разогревается биметаллическая пластинка 2. Разогревшись, она сильно изгибается и нажимает на рычаг 3, который в свою очередь, выталкивает защелку 4 из упора 5. Разжимается пружина 10 и резко приподнимает шток 6 и кнопку 7 вверх. Контакт 8 размыкается, тем самым, выключая электородвигатель. После аварийного отключения нужно выждать 2 – 3 минуты, чтобы 13 остыла и вернулась в исходное положение биметаллическая пластинка 2. затем нажатием кнопки 7 возвратить реле КК в исходное положение. Его контакт 8 снова замкнется. Реле готово к новому пуску электродвигателя. Рис. 8. Устройство теплового реле: 1 – датчик перегрузки; 2 – биметаллическая пластина; 3 – рычаг; 4 – защелка; 5 – упор; 6 – стержень; 7 – кнопка; 8 – контакты; 9 – регулятор порога срабатывания; 10 – пружина. Для правильной настройки реле КК имеется регулятор 9 порога срабатывания реле. На головке регулятора есть шлиц для отвертки и шкала. При повороте головки против часовой стрелки уменьшается ток срабатывания реле КК, а при повороте ее по часовой стрелке – увеличивается. Настройка реле производится следующим образом. Поворачивают регулятор порога срабатывания 9 по часовой стрелке до упора. Этим самым устанавливается максимальное значение тока через датчик, при котором реле срабатывает. После этого запускают электродвигатель нажатием кнопки «Пуск». Во время работы двигателя преподаватель осторожно отключает один из трех проводов питающей сети. Двигатель оказывается в режиме перегрузки и начинает потреблять большой ток. В это время отверткой поворачивают регулятор 9 против часовой стрелки до тех пор, пока сработает тепловое реле и отключит двигатель. Делать эту работу следует с соблюдением всех мер предосторожности. После окончания настройки реле, нужно снова подсоединить отключенную фазу питающего напряжения и закрыть металлическую коробку магнитного пускателя. 14 Порядок выполнения лабораторной работы. 1. Ознакомиться с расположением и функциями элементов лабораторной установки. 2. С помощью настоящих методических указаний изучить систему защиты электродвигателя, а также устройство и работу реле теплового 3. Запустить электродвигатель нажатием кнопки на щите лабораторной установки. 4. Убедиться в нормальном режиме работы двигателя, а затем (делает преподаватель) отключить один провод питающего напряжения. 5. Отметить изменение звука работающего электродвигателя, а затем факт срабатывания реле теплового и остановку двигателя. 6. Отключить лабораторную установку от сети трехфазным выключателем. 7. Подсоединить отключенный ранее провод питающего напряжения. 8. Закрыть коробку трехфазного выключателя. Контрольные вопросы 1. Из каких элементов состоит реле тепловое КК? Каковы их функции? 2. Опишите взаимодействие деталей реле КК при нормальном режиме работы электродвигателя. 3. Что происходит с реле КК, если во время работы двигателя аварийно отключается одна из фаз питающего напряжения? 4. Как вернуть реле КК в исходное положение? 5. Почему отключается электродвигатель в результате срабатывания реле КК? 6. Как правильно настроить реле? ЛИТЕРАТУРА Основная 1. Бородин, И.Ф. Автоматизация технологических процессов. – М.: Агропромиздат, 2005. – 270 с. 2. Г а н к и н , М . З . Комплексная автоматизация и АСУТП водохозяйственных систем: учебник / М.З. Ганкин. – М.: Агропромиздат, 1991. – 431 с. 3. Б а х о в е ц , Б . А . Основы автоматики и автоматизация производственных процессов в гидромелиорации / Б.А. Баховец, Я.В. Ткачук. – Львов: Вища школа, 1989. – 275 с. 4. Б о ч к а р е в , Я . В . Основы автоматики и автоматизация производственных процессов в гидромелиорации / Я.В. Бочкарев, М.З. Ганкин, Е.Е. Овчаров. – М.: Колос, 1969. – 203 с. 5. Б о ч к а р е в , Я . В . Основы автоматики и автоматизация производственных процессов в гидромелиорации / Я.В. Бочкарев, Е.Е. Овчаров. – М.: Колос, 1981. Дополнительная 6. К о в а л е н к о , П . И . Автоматизация гидромелиоративных систем / П.И. Коваленко. – М.: Колос, 1984. – 188 с. 15 16 Работа 4. СИСТЕМА ЗАЩИТЫ НАСОСНОГО АГРЕГАТА ПРИ ПРЕКРАЩЕНИИ ПОДАЧИ ВОДЫ Цель работы. Изучить принцип действия системы защиты, ее конструкцию и практическую работу. Общие сведения. Известно, что при разрыве сплошности потока воды центробежный насос перестает подавать ее в напорный трубопровод, хотя электродвигатель продолжает работать. Такой режим работы является аварийным, так как может привести к выходу из строя насоса, а затем и электродвигателя. Чтобы избежать этого, используют специальную систему защиты, выключающую насосный агрегат после прекращения подачи воды в напорный трубопровод. Обычно работа таких систем защиты строится на основе анализа наличия или отсутствия струи воды в напорном трубопроводе при работающем насосе. Известны также системы, анализирующие величину давления в напорном трубопроводе при включенном насосном агрегате. В первом случае система защиты выключает электродвигатель, если исчезло динамическое давление струи воды на воспринимающий орган струйного реле, установленного на напорном трубопроводе после электрозадвижки. Во втором случае электродвигатель выключается с помощью реле давления, установленного на напорном трубопроводе. Прекращение подачи воды в этом варианте приводит к резкому падению давления в напорном трубопроводе, и система защиты выключает насосный агрегат. Лабораторная установка представляет собой автоматизированную насосную станцию, подающую воду в напорный резервуар до заданного уровня (рис. 10). Центробежный насос Н включается и выключается по командам, поступающим от реле уровня РУ, установленного в напорном резервуаре (HP). Насос включается при закрытой электрозадвижке ЭЗ. Давление в трубопроводе перед закрытой ЭЗ возрастает. Это воспринимает электроконтактный манометр ЭКМ. Он вырабатывает команду на открытие ЭЗ, и она открывается. Уровень воды в HP повышается до требуемого значения, и реле РУ вырабатывает команду для остановки насосного агрегата. Насос ОН выключается, и давление в трубопроводе падает до статического. Это воспринимает ЭКМ и вырабатывает команду на закрытие ЭЗ. Задвижка закрывается. Так осуществляется регулирование уровня воды в HP в нормальном режиме. 17 Рис. 10. Технологическая схема лабораторной установки: ДУ – датчик уровня; РУ – реле уровня; Н – насос; ЭЗ – электрозадвижка; РП – реле промежуточное; РВ – реле времени; ЭКМ – электрокантактный манометр. Блок-схема изучаемой системы защиты представлена на рис. 11. Элементы автоматики, образующие систему защиты, на схеме заштрихованы. Насосный агрегат представлен насосом ОН и электродвигателем Э. Система управления электродвигателем насоса состоит из двух цепей: цепи управления ЦУ и силовой цепи СЦ. Система управления электрозадвижкой ЭЗ также состоит из аналогичных элементов: ЦУ, СЦ и Э. Давление в трубопроводе контролирует электроконтактный манометр ЭКМ. Переключения его контактов при изменениях давления и есть команды для открытия или закрытия ЭЗ. Для усиления команд по мощности использовано промежуточное электромагнитное реле РПэз. При повышении давления реле РПэз переходит во второе положение и ЭЗ автоматически открывается, а при понижении его до статического реле РПэз возвращается в первое положение и задвижка закрывается. Свободные контакты РПэз, не задействованные в управлении электрозадвижкой ЭЗ, используются в системе защиты. Они воздействуют на реле времени РВ. Как видно из схемы, одновременно на реле РВ воздействует и реле РП эд. Последнее контролирует состояние электродвигателя: если он выключен, то РП эд находится в первом состоянии, а если включен, то во втором. 18 Рис. 11. Блок-схема системы защиты насосного агрегата. (Выделены элементы автоматики, задействованные в системе защиты). При нормальной работе насосного агрегата возможны такие варианты: 1. Насос включен, давление воды нормальное. Реле РПэз и реле РПэд находятся во втором положении, аварийное реле РВ не срабатывает. 2. Насос выключился, давление упало до статического. Реле РП эд, а затем и реле РПэз перешли в первое положение. Аварийное реле также не срабатывает. 3. Давление уменьшилось до статического, но электродвигатель работает. В этом варианте реле РПэд находится во втором положении, а реле РПэз переходит а первое положение. Такая комбинация вызывает срабатывание аварийного реле РВ и выключение насосного агрегата. Включается аварийная сигнализация. Для сохранения признаков аварийной ситуации после выключения электродвигателя используется блокировка реле РПэд с помощью свободных контактов РВ. Принципиальная схема системы защиты показана на рис. 12. Левая часть изображения – это система управления электродвигателем насоса. Работу ее следует рассматривать при переключателе режима работы в положении Авт. Если рабочее колесо насоса залито водой, то контакты реле заливки РЗН замкнуты, и это означает разрешение на запуск насосного агрегата. Управляет работой насоса реле уровня РУ. Контакты его включены в цепь управления электродвигателя. Рассматриваемая система защиты в этой цепи представлена нормально замкнутыми контактами 5–6 аварийного реле РВ. Как видно из схемы, к одной из клемм электродвигателя Э подключена катушка реле РПэд. Это реле срабатывает при включении электродвигателя и, наоборот, переходит в первое положение при его выключении, таким образом контролируя электродвигатель. 19 Рис. 12. Принципиальная электрическая схема системы защиты. В правой части изображения на рис. 12 показано взаимодействие остальных элементов автоматики, входящих в состав системы защиты. Если после включения насоса давление в трубопроводе перед электрозадвижкой ЭЗ возрастает до заданного, то контакты 1–2 электроконтактного манометра замыкаются. Срабатывает промежуточное реле РПэз (в результате открывается электрозадвижка). Контакты 1–2 реле РПэз замыкаются. К этому моменту электродвигатель насоса уже включен, и поэтому контакты 1–2 реле РПэд замкнуты. Катушка аварийного реле РВ не получает питания, и реле находится в исходном положении. Если реле уровня воды РУ разомкнет свои контакты в цепи управления электродвигателем Э насоса, то последний будет выключен, а затем давление в трубопроводе уменьшится до статического. В этом случае сначала разомкнутся контакты 1–2 реле РПэз, а затем замкнутся контакты 1–2 РПэз, аварийное реле РВ останется в первом положении. В обоих вариантах система защиты не срабатывает. Если же во время работы насосного агрегата прекратится подача воды и резко уменьшится давление в трубопроводе, то реле РП эд будет во втором положении и его контакты 1–2 будут замкнуты, а реле РПэз перейдет в исходное положение и его контакты 1–2 замкнутся. Катушка РВ получит питание, и контакты этого реле переключатся. Раньше других замкнутся контакты 1–2 РВ (такова конструкция реле) и заблокируют пока еще замкнутые контакты реле РПэд (двигатель пока еще работает). Через некоторое время (оно регулируется и может быть установлено по желанию оператора) замкнутся контакты 3–4 реле РВ и включат аварийную сигнализацию. Одновременно с этим разомкнутся контакты 5–6 реле РВ в цепи управления электродвигателя насоса, и последний будет выключен. Если не принять никаких мер, то выключение электродвигателя приведет к переходу реле РПэд в первое поло20 жение и вследствие этого к переходу в первое положение аварийного реле РВ, что нежелательно, так как прекратится работа сигнализации и снова включится насосный агрегат. Для того чтобы исключить это, использованы нормально разомкнутые контакты 1–2 реле РВ, блокирующие контакты 1–2 реле РПэд. Благодаря этому признаки аварийной ситуации фиксируются до принятия мер обслуживающим персоналом. Порядок выполнения работы. 1. Изучить лабораторную установку, ее устройство, работу, размещение и устройство элементов автоматики. 2. Усвоить теоретически работу установки в нормальном и в аварийном режимах. 3. Включить установку и ознакомиться практически с ее работой в нормальном режиме. 4. Для создания аварийной ситуации следует приоткрыть краник, установленный на всасывающем патрубке насоса. После этого насос начнет подсасывать воздух и подача воды прекратится. Следует обратить внимание на изменение звука работающего насосного агрегата. За уменьшением давления удобно следить по шкале электроконтактного манометра, установленного на напорном патрубке насоса перед электрозадвижкой. Нужно проследить, как отреагирует на падение давления манометр ЭКМ, а затем и промежуточное реле РП. Задвижка после этого должна закрыться. Через некоторое время РВ включит сигнализацию и выключит насосный агрегат: Работу сигнализации можно остановить лишь после полного отключения от сети всей насосной станции. Нужно сделать это с помощью рубильника. 5. После этого можно попробовать запустить насосный агрегат, включив рубильник станции. В режиме Авт насосный агрегат снова выключится, поскольку рабочее колесо насоса «завоздушено» и нормальное давление в напорном трубопроводе не возникнет. Контрольные вопросы l. Как в автоматическом режиме включается и выключается насосный агрегат по командам РУ? 2. Как осуществляется автоматическое открытие электрозадвижки после включения насоса и ее закрытие после выключения? 3. Какие элементы автоматики образуют систему защиты насосного агрегата? 4. Каким образом автоматически выключается насосный агрегат при прекращении подачи воды? Работа 5. ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА И РАБОТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ 21 ПОДАЧИ ВОДЫ НАСОСАМИ Цель работы. Изучить устройство наиболее широко распространенных систем автоматики, регулирующих подачу воды насосами и насосными станциями. Общие сведения. Насосные станции на мелиорируемых объектах и в водохозяйственных системах выполняют различные функции, но технически их задача сводится к тому, чтобы обеспечивать требуемые уровни воды, расходы воды в открытых каналах и напорных трубопроводах, необходимое давление в системах сельскохозяйственного водоснабжения и т.д. Обычно в описанных случаях используют стержневые датчики уровня воды, поплавковые, сильфонные и др., реле уровня, реле давления, электроконтактные манометры, датчики расхода воды в напорных трубопроводах и т.д. Как правило, информация от названных элементов автоматики поступает в различные приборы и устройства, играющие промежуточную роль (различные электромагнитные реле), а затем в системы, управляющие работой насосных агрегатов. Чаще всего подача воды насосом регулируется дискретно: насос включен, насос выключен. Работа системы имеет релейный характер. С этой точки зрения у названных выше систем регулирования много общего. Различия сводятся к тому, каким образом получена информация о регулируемом параметре. Например, в автоматизированных системах регулирования подачи воды в водоснабжении используют в качестве контролирующих приборов реле давления, электроконтактные манометры, стержневые датчики уровня воды. В последнем случае необходимо предусмотреть дополнительное использование высокочувствительных электромагнитных реле, понижающих трансформаторов, выпрямителей, а часто и усилителей тока не транзисторах. Это объясняется малой мощностью полученных с помощью стержневого датчика сигналов о положении уровня воды. В различных поплавковых реле уровня, в реле давления, как правило, электрические сигналы имеют мощность, достаточную для управления работой промежуточных реле, а иногда и работой магнитного пускателя электродвигателя. Лабораторная установка. Технологическая схема лабораторной насосной станции, оснащенной средствами автоматики, показана на рис. 13. Лабораторная установка позволяет изучить управление насосным агрегатом в различных вариантах: – по командам, поступающим от поплавкового реле уровня РУ, установленного в напорном резервуаре; – по командам от стержневого трехэлектродного датчика ДУ уров- 22 23 Рис. 13. Технологическая схема лабораторной установки: НР – напорный резервуар; ДУ – датчик уровня; РУ – реле уровня; ЭЗ – электрозадвижка; ЭКМ – электроконтактный манометр; ОН – основной насос. ня воды, связанного с напорным резервуаром; – по командам, которые вырабатывает электроконтактный манометр ЭКМ, измеряющий давление в системе. Выбор варианта управления насосным агрегатом осуществляется с помощью блока выбора. Для этого в блоке имеются два переключателя с обозначениями ДУ, РУ, ЭКМ. Их положение нужно установить в соответствии с желаемым вариантом управления. Как видно из схемы, информация от выбранного таким образом управляющего прибора поступает через блок выбора варианта в систему управления основным насосным агрегатом ОН, напорной электрозадвижкой, вспомогательным насосом ВН и т.д. Пуск ОН влечет за собой повышение давления перед электрозадвижкой ЭЗ. Это давление воспринимает ЭКМ и вырабатывает команду на открытие задвижки. Команда усиливается по мощности в реле промежуточном РП и поступает далее в магнитный пускатель Л левого вращения двигателя задвижки. Последняя открывается, и вода поступает в напорный резервуар. Все упомянутые операции осуществляются одинаково и независимо от выбранного варианта управления станцией. После остановки ОН давление в напорном трубопроводе уменьшается до статического, ЭКМ вырабатывает команду на закрытие ЭЗ и она закрывается. Так осуществляется цикл регулирования подачи воды в напорный резервуар. Частота следования циклов зависит от забора воды потребителями. В лабораторной установке забор воды имитируется с помощью сливной задвижки, установленной в нижней части напорного резервуара. Если ее приоткрыть, то это эквивалентно увеличению забора воды, если закрыть, то уменьшению. Принципиальная электрическая схема блока показана на рис. 14. В схеме задействованы два переключателя П1 и П2. Оба они сдвоенные, что показано на схеме штриховыми линиями. В верхней части схемы показан понижающий трансформатор 220 / 24В. Пониженное напряжение выпрямляется в диодном двухполупериодном выпрямителе. Пульсации напряжения сглаживаются конденсатором С. Потребителями выпрямленного тока являются усилители тока на транзисторах V1 и V2. Они усиливают сигналы, поступающие от стержневого датчика уровня воды. Работают усилители следующим образом. Если уровень мал и вода не касается стержней 2 и 3, то оба транзистора закрыты. В катушках высокочувствительных реле Р1 и Р2 тока нет, и оба реле находятся в исходном положении. В это время контакты 1–2 реле Р1 разомкнуты, а контакты 1–2 Р2 замкнуты. Если уровень воды поднимается и касается стержня 2, то транзистор V1 переходит в открытое состояние. Его коллекторный ток в это время максимальный. Ток эмиттера транзистора V1 проходит по катушке реле Р2, и оно срабатывает. Контакты 1–2 это- 25 Рис. 14. Принципиальная электрическая схема блока выбора варианта управления насосной станцией. 26 го реле размыкаются. Если уровень воды поднимается до стержня 3 и касается его, то аналогично открывается транзистор V2 и срабатывает реле P1. Его контакты 1–2 замыкаются. При понижении уровня воды и его отрыве от стержня 3 транзистор V2 закрывается и реле Р1 переходит в исходное положение. Его контакты 1–2 снова размыкаются. Если уровень понизится и оторвется oт стержня 2, то аналогично перейдет в исходное состояние реле Р2 и его контакты 1–2 снова замкнутся. В нижней части схемы показан электроконтактный манометр ЭКМ. При понижении давления стрелка его поворачивается в левую зону шкалы. Контакты 1–2 замыкаются. При повышении давления они размыкаются, а если давление продолжает повышаться, то замыкаются контакты 2–3. В нижней части схемы показано подключение реле уровня воды РУ. При низком уровне воды РУ находится в исходном положении. В это время его контакты замкнуты. Если же уровень воды повышается до заданного, то РУ срабатывает и его контакты размыкаются. В средней части схемы показаны переключатели П1 и П2 выбора варианта управления насосной станцией. Положение их, показанное на схеме, соответствует управлению станцией по командам, получаемым от датчика уровня ДУ. Если переключатель П1 установить в положение ЭКМ, а переключатель П2 не трогать, то станция будет работать по командам, поступающим от электроконтактного манометра ЭКМ. Если переключатель П2 переключить в положение РУ, то независимо от положения П1 станция будет работать в зависимости от команд, поступающих от реле уровня РУ. Управление работой насосной станции по командам от реле уровня. Рассмотрим работу автоматики в этом режиме. Переключатель П2 находится в положении П/авт. Его контакты 2–3 разомкнуты. Ток в катушку реле РП2 поступать не может ни при каких переключениях контактов ЭКМ и Р2, т.е. электроконтактный манометр и стержневой датчик уровня выключены из работы. Управление станцией зависит только от команд реле уровня РУ. Контакты 4–5 переключателя П2 замкнуты. При низком уровне воды контакты РУ также замкнуты и точки А и Б схемы оказываются замкнутыми. Они включены в цепь управления электродвигателем насоса. Замыкание их эквивалентно нажатию кнопки «Пуск», поэтому при низком уровне воды насос автоматически включается. Если уровень повысится до заданного, то РУ сработает. Его контакты разомкнутся. Это эквивалентно нажатию кнопки «Стоп» в цепи управления электродвигателя насоса, и он остановится. По мере забора воды из резервуара уровень ее понизится и реле РУ снова перейдет в исходное положение и включит насос. Таким образом, будет осуществляться регулирование подачи насоса по командам реле уровня РУ. Система регулирования подачи воды по командам, поступаю- 27 щим от электроконтактного манометра. Если переключатель П2 установить в положение ДУ, ЭКМ, а переключатель П1 – в положение ЭКМ, то управляющим прибором станет электроконтактный манометр ЭКМ. При недостаточном давлении в системе контакты его 2–3 разомкнуты. Если давление продолжает падать, то контакты 1–2 манометра замкнутся. Ток пойдет по катушке реле РП2. Оно сработает и своими контактами 1–2 заблокирует замкнутые контакты 1–2 ЭКМ. Другие его контакты (3–4) в это время также замкнутся, что эквивалентно нажатию кнопки «Пуск». Насос включится. Давление в системе начнет повышаться. Контакты 1–2 ЭКМ разомкнутся, но это место в цепи останется замкнутым блокирующими контактами 1–2 реле РП2. Поэтому насос будет продолжать работать. По мере повышения давления стрелка ЭКМ будет поворачиваться и контакты его 2–3 замкнутся. Сработает реле PП1 и разомкнет свои контакты 1–2 в цепи питания катушки РП2. Реле РП2 перейдет в исходное положение. Его контакты 3–4 разомкнутся в цепи управления двигателя насоса. Это эквивалентно нажатию кнопки «Стоп», и поэтому насос выключится. Одновременно контакты 1–2 реле РП2 также разомкнутся и разблокируют контакты ЭКМ. Система регулирования подачи воды по командам от стержневого датчика уровня воды. Если переключатель П1 установить в положение ДУ, а переключатель П2 в положение ДУ, ЭКМ, то насосная станция будет работать по командам, поступающим от стержневого датчика уровня воды. При низком уровне воды (вода не касается стержней 2 и 3) реле Р2 и Р3 будут находиться в исходном положении. Контакты 1–2 реле Р2 замкнуты, а контакты 1–2, реле Р1 разомкнуты. По катушке РП2 идет ток. Оно срабатывает и замыкает свои контакты 3–4 в цепи управления электродвигателем насоса. Насос запускается. Уровень поднимается и касается стержня 2. Срабатывает реле Р2. Его контакты 1–2 размыкаются, но это место в цепи остается замкнутым контактами 1–2 реле РП2. Насос будет продолжать работу, а уровень воды повышаться. Когда он коснется стержня 3, то сработает реле Р1. Его контакты 1–2 замкнутся в цепи катушки реле РП1 и оно сработает. Контакты 1–2 реле РП1 разомкнутся и реле РП2 вернется в исходное положение. В результате разомкнутся контакты 3–4 реле РП2, что эквивалентно нажатию кнопки «Стоп». Насос выключится. При заборе воды ее уровень понизится и оторвется от стержня 3. Реле Р1 возвратится в исходное положение. Контакты его 1–2 разомкнутся и реле РП1 тоже перейдет в исходное положение. В результате получит разрешение на питание катушка реле РП2. Это эквивалентно отпусканию кнопки «Стоп». При дальнейшем понижении уровня воды он оторвется от стержня 2. Реле Р2 перейдет в исходное положение. Его контакты1–2 замкнутся и катушка реле РП2 получит питание. Реле РП2 сработает. Его контакты 3–4 в точках А и Б схемы снова замкнутся, насос вклю- 28 чится и т.д. Таким образом, станция оказывается в состоянии обеспечивать требуемые уровни воды в зависимости от высоты установки реле уровня РУ либо в зависимости от настройки стержней датчика уровня ДУ, а также обеспечивать заданные давления в сети в зависимости от настройки электроконтактного манометра ЭКМ. Порядок выполнения работы. 1. Изучить лабораторную установку, ее устройство, размещение элементов автоматики и их функции. 2. Усвоить теоретически работу систем управления насосом. 3. Установить переключатели в нужное положение и тем самым выбрать один из вариантов управления. 4. Включить силовой рубильник станции. 5. Установить переключатель режима ее работы в положение Авт. При этом установка включится. 6. Нужно отметить, какие операции и в какой последовательности выполняются автоматически во время пуска и остановки станции. 7. Во время работы насоса и во время паузы нужно внимательно следить за изменениями регулируемого параметра (уровня, давления). Следует уяснить, каким образом эти изменения преобразуются в управление насосом. 8. В процессе изучения работы станции нужно изменить забор воды из напорного резервуара с помощью сливной задвижки, слегка приоткрывая ее или, наоборот, закрывая. Следует установить, как это влияет на характер работы станции. 9. После выполнения работы установку нужно выключить. Для этого необходимо дождаться автоматического отключения насоса и закрытия напорной задвижки, а затем выключить рубильник. Контрольные вопросы 1. Из чего состоит стержневой датчик уровня воды? 2. Из каких элементов автоматики состоит реле уровня воды стержневое? Как оно работает? 3. Опишите устройство и работу поплавкового реле уровня воды. 4. Как устроен и как работает электроконтактный манометр? 5. Опишите устройство лабораторной установки по технологической схеме и по самой установке. 6. Как работает система регулирования подачи насоса по командам от поплавкового реле уровня? 7. Как автоматически регулируется подача насоса по командам от стержневого датчика уровня? 8. Опишите, как управляет подачей насоса электроконтактный манометр? 29 ЛИТЕРАТУРА Основная 1. Г а н к и н М . З . Комплексная автоматизация и АСУТП водохозяйственных систем. – М.: Агропромиздат. 1991. – 431 с. 2. Р е в и н Ю . Г . , К о с т е н к о Ю . В . Основы автоматизации производственных процессов. – М: Агропромиздат. 1991. – 191 с. 3. Б а х о в е ц Б. А., Т к а ч у к Я. В. Основы автоматики и автоматизация производственных процессов в гидромелиорации. Львов: Вища школа, 1989. 4. Б о ч к а р е в Я. В., Г а н к и н М. З., О в ч а р о в Е. Е. Основы автоматики и автоматизация производственных процессов в гидромелиорации. М.: Колос, 1969. 5. Б о ч к а р е в Я. В., О в ч а р о в Е. Е. Основы автоматики и автоматизация производственных процессов в гидромелиорации. М.: Колос, 1981. 6. Б о ч к а р е в Я. В., Н а т а л ь ч у к М. Ф. Практикум по эксплуатации и автоматизации гидромелиоративных систем. М.: Колос, 1982. Дополнительная 7. Б о ч к а р е в Я. В. Гидроавтоматика в орошении. М.: Колос, 1978. 8. Б о ч к а р е в Я. В. Эксплуатационная гидрометрия и автоматизация просительных систем. М.: Агропромиздат, 1987. 9. К о к я л е и к о П. И. Автоматизация гидромелиоративных систем. М; Колос, 1984. СОДЕРЖАНИЕ Введение…………………………………………………………………………………. 3 Работа 1. Автоматическая заливка насосов водой……………………………………. 4 Работа 2. Автоматическое управление напорной электрозадвижкой……………….. 7 Работа 3. Защита электродвигателя насоса при аварийном отключении одной из фаз питающего напряжения……………………………………………………………………... 10 Работа 4. Система защиты насосного агрегата при прекращении подачи воды….... 14 Работа 5. Изучение устройства и работы автоматизированных систем регулирования подачи воды насосами………………………………………………………………………. 19 Литература………………………………………………………………………………. 26 30 Учебно-методическ ое издание Леонид Иванович Кумачев АВТОМАТИЗАЦИЯ МЕЛИОРАТИВНЫХ И ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ СИСТЕМ Методические указания по выполнению лабораторных работ Ответственный за выпуск Л.И. Кумачев Компьютерный набор и верстка Н. М. Тимошенко. Подписано в печать 1.10.2008 г. Формат 6084 1/16. Бумага для множительных аппаратов. Печать ризографическая. Гарнитура “Таймс”. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 0,87. Тираж 75 экз. Заказ . Цена 1440 руб. Отпечатано с оригинал-макета в отделе издания учебно-методической литературы, ризографии и художественно-оформительской деятельности БГСХА 213407, Могилевская обл., г. Горки, ул. Мичурина, 5 31