Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ЖИЛОГО ДОМА НА БАЗЕ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И УПРАВЛЯЮЩЕГО КОНТРОЛЛЕРА SIEMENS LOGO!
|
Введение 6
1. Технологический процесс автоматического поддержания давления воды в
водопроводной системе 8
1.1. Описание технологического процесса 8
1.2. Основные сведения о насосных станциях 11
1.3. Особенности эксплуатации станций 12
1.4. Функции насосных станций 13
2. Выбор оборудования 16
2.1. Расчёт мощности двигателя, выбор двигателя и насосного агрегата 16
2.2. Расчёт комплектующих преобразователя частоты 19
2.3. Выбор преобразователя частоты 30
2.4. Выбор и обоснование датчика давления 34
2.5. Выбор контакторов и автоматов защиты 36
2.6. Выбор источников питания 38
2.7. Выбор кабелей 38
2.8. Выбор клеммных зажимов 39
2.9. Выбор и компоновка шкафа электроавтоматики 39
2.10. Выбор и обоснование контроллера из линейки Siemens Logo 41
3. Расчёт статических и динамических характеристик для разомкнутой системы
регулируемого электропривода 44
3.1. Расчёт естественных характеристик системы регулируемого электропривода 44
3.2. Расчёт искусственных (регулировочных) характеристик системы регулируемого
электропривода 52
3.3. Расчет потерь в асинхронном двигателе при работе на искусственных характеристиках .... 58
3.4. Расчет переходных процессов скорости и момента для режима пуска, наброса и сброса
нагрузки на валу двигателя 60
4. Система автоматического управления электропривода 63
4.1. Разработка системы скалярного управления насоса в программной среде MatLab Simulink63
4.2. Разработка алгоритма функционирования системы управления 71
4.3. Поэтапная реализация технологического процесса в программе Logo! Soft Comfort v7.0.... 73
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 75
5.1. Экспертная оценка 76
5.2. Расчёт стоимости систем водоснабжения 78
5.3. Расчёт величины экономии 80
6. Социальная ответственность 84
6.1. Анализ вредных факторов, которые может создать объект исследования 84
6.2. Анализ опасных факторов, которые может создать объект исследования 88
6.3. Охрана окружающей среды 91
6.4. Защита в чрезвычайных ситуациях 92
6.5. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 95
Заключение 97
Список использованных источников 99
Приложение А 103
Приложение Б 105
1. Технологический процесс автоматического поддержания давления воды в
водопроводной системе 8
1.1. Описание технологического процесса 8
1.2. Основные сведения о насосных станциях 11
1.3. Особенности эксплуатации станций 12
1.4. Функции насосных станций 13
2. Выбор оборудования 16
2.1. Расчёт мощности двигателя, выбор двигателя и насосного агрегата 16
2.2. Расчёт комплектующих преобразователя частоты 19
2.3. Выбор преобразователя частоты 30
2.4. Выбор и обоснование датчика давления 34
2.5. Выбор контакторов и автоматов защиты 36
2.6. Выбор источников питания 38
2.7. Выбор кабелей 38
2.8. Выбор клеммных зажимов 39
2.9. Выбор и компоновка шкафа электроавтоматики 39
2.10. Выбор и обоснование контроллера из линейки Siemens Logo 41
3. Расчёт статических и динамических характеристик для разомкнутой системы
регулируемого электропривода 44
3.1. Расчёт естественных характеристик системы регулируемого электропривода 44
3.2. Расчёт искусственных (регулировочных) характеристик системы регулируемого
электропривода 52
3.3. Расчет потерь в асинхронном двигателе при работе на искусственных характеристиках .... 58
3.4. Расчет переходных процессов скорости и момента для режима пуска, наброса и сброса
нагрузки на валу двигателя 60
4. Система автоматического управления электропривода 63
4.1. Разработка системы скалярного управления насоса в программной среде MatLab Simulink63
4.2. Разработка алгоритма функционирования системы управления 71
4.3. Поэтапная реализация технологического процесса в программе Logo! Soft Comfort v7.0.... 73
5. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 75
5.1. Экспертная оценка 76
5.2. Расчёт стоимости систем водоснабжения 78
5.3. Расчёт величины экономии 80
6. Социальная ответственность 84
6.1. Анализ вредных факторов, которые может создать объект исследования 84
6.2. Анализ опасных факторов, которые может создать объект исследования 88
6.3. Охрана окружающей среды 91
6.4. Защита в чрезвычайных ситуациях 92
6.5. Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 95
Заключение 97
Список использованных источников 99
Приложение А 103
Приложение Б 105
Энергосбережение (или рационализация производства, распределения и использования всех видов энергии) стало в последние годы одним из важнейших приоритетных направленностей технической политики во всех странах мира. Энергосбережение в любой области сводится к уменьшению бесполезных потерь. Анализ структуры потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что определяющая потерь (до 90%) достается сфере потребления.
Электропривод, являясь энергосиловой основой современного производства, потребляет примерно 60% всей вырабатываемой электроэнергии, следовательно, важнейший эффект энергосбережения может быть получен в этой сфере. Большая часть электроэнергии потребляется электроприводами на основе всюду используемых асинхронных электродвигателей (АД) с короткозамкнутым ротором, для которых основным назначением энергосбережения является переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому. Это направление принято в мировой практике и динамично развивается, чему активно содействуют два совпавших во времени события: наметившийся дефицит энергоресурсов и ощутимый увеличение их стоимости и выдающиеся успехи силовой электроники и микроэлектроники.
Из спектра разнообразных решений, применяемых для энергосбережения, одно из наиболее эффективных и быстроокупаемых, требующих относительно низких капиталовложений - внедрение высокотехнологичной и наукоемкой энергосберегающей техники - частотно-регулируемых асинхронных приводов.
Центробежные вентиляторы, насосы и компрессоры соединяются в один класс нагрузочных устройств для электропривода, так как их характеристики, с точки зрения запросов и условий работы электропривода, имеют много общего.
Обычные способы регулирования подачи насосных и вентиляторных установок состоят в дросселировании напорных линий и изменении общего числа работающих агрегатов по одному из технологических параметров - давлению на коллекторе или в диктующей точке сети, уровню в приёмном или регулирующем резервуаре и др. Эти способы регулирования обращены на решение технологических задач и практически не учитывают энергетических аспектов транспорта воды или газа.
Гидравлическое и электротехническое оборудование насосных и вентиляторных установок выбирается по наибольшим техническим параметрам (подаче, напору и др.). Всё же в реальной жизни оказывается, что вновь вводимые в эксплуатацию установки выходят на проектные режимы в течение нескольких лет. Поэтому имеющиеся станции нередко работают в режимах, отличающихся от расчётных. Кроме того, имеют место суточные, недельные и сезонные колебания расходов и напоров, обусловленные неустойчивым водопотреблением, в результате этого рабочие режимы насосов оказываются вне рабочих зон их характеристик.
С появлением надёжного регулируемого электропривода образовались предпосылки для разработки принципиально свежей технологии транспорта воды или газа с мягким регулированием рабочих параметров насосной или вентиляторной установок без непроизводительных расходов электроэнергии и с широкими возможностями повышения точности и эффективности технологических критериев работы систем подачи.
В настоящее время в приводах насосов, вентиляторов используются асинхронные двигатели, которые питаются от преобразователей частоты.
Дополнительно новая технология энергосбережения в вентиляторных установках с большой суммарной мощностью позволяет регулировать мощность в часы максимума нагрузки и тем самым сократить затраты на электроэнергию. При частотном регулировании насосов можно в значительной степени избежать аварийные ситуации за счёт предотвращения гидравлических ударов, возникающих при изменении режимов работы и пуске системы при нерегулируемом электроприводе. Поэтому проводимые работы по переводу механизмов на регулируемый электропривод являются актуальными.
Электропривод, являясь энергосиловой основой современного производства, потребляет примерно 60% всей вырабатываемой электроэнергии, следовательно, важнейший эффект энергосбережения может быть получен в этой сфере. Большая часть электроэнергии потребляется электроприводами на основе всюду используемых асинхронных электродвигателей (АД) с короткозамкнутым ротором, для которых основным назначением энергосбережения является переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому. Это направление принято в мировой практике и динамично развивается, чему активно содействуют два совпавших во времени события: наметившийся дефицит энергоресурсов и ощутимый увеличение их стоимости и выдающиеся успехи силовой электроники и микроэлектроники.
Из спектра разнообразных решений, применяемых для энергосбережения, одно из наиболее эффективных и быстроокупаемых, требующих относительно низких капиталовложений - внедрение высокотехнологичной и наукоемкой энергосберегающей техники - частотно-регулируемых асинхронных приводов.
Центробежные вентиляторы, насосы и компрессоры соединяются в один класс нагрузочных устройств для электропривода, так как их характеристики, с точки зрения запросов и условий работы электропривода, имеют много общего.
Обычные способы регулирования подачи насосных и вентиляторных установок состоят в дросселировании напорных линий и изменении общего числа работающих агрегатов по одному из технологических параметров - давлению на коллекторе или в диктующей точке сети, уровню в приёмном или регулирующем резервуаре и др. Эти способы регулирования обращены на решение технологических задач и практически не учитывают энергетических аспектов транспорта воды или газа.
Гидравлическое и электротехническое оборудование насосных и вентиляторных установок выбирается по наибольшим техническим параметрам (подаче, напору и др.). Всё же в реальной жизни оказывается, что вновь вводимые в эксплуатацию установки выходят на проектные режимы в течение нескольких лет. Поэтому имеющиеся станции нередко работают в режимах, отличающихся от расчётных. Кроме того, имеют место суточные, недельные и сезонные колебания расходов и напоров, обусловленные неустойчивым водопотреблением, в результате этого рабочие режимы насосов оказываются вне рабочих зон их характеристик.
С появлением надёжного регулируемого электропривода образовались предпосылки для разработки принципиально свежей технологии транспорта воды или газа с мягким регулированием рабочих параметров насосной или вентиляторной установок без непроизводительных расходов электроэнергии и с широкими возможностями повышения точности и эффективности технологических критериев работы систем подачи.
В настоящее время в приводах насосов, вентиляторов используются асинхронные двигатели, которые питаются от преобразователей частоты.
Дополнительно новая технология энергосбережения в вентиляторных установках с большой суммарной мощностью позволяет регулировать мощность в часы максимума нагрузки и тем самым сократить затраты на электроэнергию. При частотном регулировании насосов можно в значительной степени избежать аварийные ситуации за счёт предотвращения гидравлических ударов, возникающих при изменении режимов работы и пуске системы при нерегулируемом электроприводе. Поэтому проводимые работы по переводу механизмов на регулируемый электропривод являются актуальными.
В результате выполнения выпускной квалификационной работы был исследован технологический процесс поддержания давления воды, а также приведен обзор насосных станций. На основе исходных данных выполнен выбор релейно-контакторной аппаратуры, системы защит, электродвигателя, насосного агрегата, преобразователя частоты и логического контроллера Siemens Logo.
Были рассчитаны и построены механические и электромеханические характеристики АД.
Системы скалярного управления имеют ряд преимуществ перед другими системами: простота, надёжность, требуется минимум информации о двигателе, нет необходимости в использовании датчиков скорости и положения ротора.
Для исследования системы автоматического поддержания давления воды синтезирована имитационная модель асинхронного электропривода насоса с учётом рассчитанных данных. Исследование режимов работы модели и оценка её адекватности выполнены в среде моделирования MatLab. Полученные результаты работы модели в режиме поддержания давления свидетельствуют о корректности настройки технологического ПИ-регулятора.
Была разработана и собрана в программной среде Logo! Soft Comfort v7.0 модель технологического процесса насосной станции, что позволило с помощью простых логических элементов доступно показать, как работают подобные комплексы систем.
В заключение хотелось бы отметить, что зачастую лица принимающие решения по модернизации оборудования, изучив стоимость внедрения преобразователей частоты, откладывают решение в долгий ящик, не осознавая долгосрочную выгоду проекта в целом. В действительности, каждое внедрение требует экономической оценки. И, безусловно, большинство компетентных инженеров в состоянии провести соответствующее технико-экономическое исследование. Тем более что рынок преобразователей достаточно насыщен и имеет широкий горизонт цен, в зависимости от функциональности и марки
• экономия электроэнергии, за счет организации работы электропривода в зависимости от реального потребления воды достигает 20-50%;
• снижение расхода воды, за счет снижения утечек, возникающих при повышенном давлении в магистрали, когда водопотребление в действительности невелико (в среднем на 5%);
• уменьшение затрат на плановый и капитальный ремонт сооружений и оборудования (всей инфраструктуры подачи воды), в результате пресечения аварийных ситуаций, вызванных в частности гидравлическим ударом, который нередко происходит в случае использования нерегулируемого электропривода (ресурс службы оборудования повышается минимум в 1,5 раза);
• достижение экономии тепла в системах горячего водоснабжения за счет снижения потерь воды, несущей тепло.
Были рассчитаны и построены механические и электромеханические характеристики АД.
Системы скалярного управления имеют ряд преимуществ перед другими системами: простота, надёжность, требуется минимум информации о двигателе, нет необходимости в использовании датчиков скорости и положения ротора.
Для исследования системы автоматического поддержания давления воды синтезирована имитационная модель асинхронного электропривода насоса с учётом рассчитанных данных. Исследование режимов работы модели и оценка её адекватности выполнены в среде моделирования MatLab. Полученные результаты работы модели в режиме поддержания давления свидетельствуют о корректности настройки технологического ПИ-регулятора.
Была разработана и собрана в программной среде Logo! Soft Comfort v7.0 модель технологического процесса насосной станции, что позволило с помощью простых логических элементов доступно показать, как работают подобные комплексы систем.
В заключение хотелось бы отметить, что зачастую лица принимающие решения по модернизации оборудования, изучив стоимость внедрения преобразователей частоты, откладывают решение в долгий ящик, не осознавая долгосрочную выгоду проекта в целом. В действительности, каждое внедрение требует экономической оценки. И, безусловно, большинство компетентных инженеров в состоянии провести соответствующее технико-экономическое исследование. Тем более что рынок преобразователей достаточно насыщен и имеет широкий горизонт цен, в зависимости от функциональности и марки
• экономия электроэнергии, за счет организации работы электропривода в зависимости от реального потребления воды достигает 20-50%;
• снижение расхода воды, за счет снижения утечек, возникающих при повышенном давлении в магистрали, когда водопотребление в действительности невелико (в среднем на 5%);
• уменьшение затрат на плановый и капитальный ремонт сооружений и оборудования (всей инфраструктуры подачи воды), в результате пресечения аварийных ситуаций, вызванных в частности гидравлическим ударом, который нередко происходит в случае использования нерегулируемого электропривода (ресурс службы оборудования повышается минимум в 1,5 раза);
• достижение экономии тепла в системах горячего водоснабжения за счет снижения потерь воды, несущей тепло.