Методические рекомендации по написанию дипломной работы: Автоматизация насосной станции

Введение, где рождается актуальность проекта

В условиях постоянного роста цен на энергоносители и значительного износа существующего оборудования, проблема эффективного управления объектами коммунальной инфраструктуры становится особенно острой. Неавтоматизированные насосные станции часто работают с избыточной мощностью, что ведет к колоссальным перерасходам электроэнергии и ускоренному выходу из строя дорогостоящих агрегатов. В этом контексте современная автоматизация — это не просто технологическое обновление, а ключевой инструмент для кардинального повышения энергосбережения и общей надежности систем водоснабжения.

Целью дипломной работы является разработка комплексной системы автоматического управления для насосной станции, которая позволит решить эти проблемы. Для достижения этой цели необходимо выполнить ряд конкретных задач:

• Проанализировать существующие решения и выявить недостатки текущей системы эксплуатации объекта.
• Выбрать и обосновать применение современных технических средств автоматизации.
• Разработать структурную схему и алгоритмы управления системой.
• Рассчитать экономическую эффективность от внедрения предлагаемого решения.

Глава 1. Как провести анализ существующих решений и объекта автоматизации

Фундаментом любого успешного инженерного проекта является глубокая подготовительная работа. Она состоит из двух ключевых частей: изучения теории и анализа конкретного объекта.

В рамках литературного обзора необходимо изучить не менее 15-20 релевантных источников — это могут быть научные статьи, патенты на изобретения, техническая документация производителей и профильные учебники. Основное внимание следует уделить таким аспектам, как типовые схемы автоматизации, сравнительный анализ применяемого оборудования (например, ПЛК от Siemens и Schneider Electric), а также современные алгоритмы управления, в частности, ПИД-регулирование для поддержания заданного давления.

Далее следует детальный анализ объекта автоматизации, например, насосной станции г.п. Первомайский. На этом этапе собираются все исходные данные:

• Типы установленных насосов и номинальная мощность их электродвигателей.
• Текущий способ управления подачей (часто это устаревшее «регулирование на повышенном давлении»).
• Ключевые проблемы: отсутствие плавного пуска, приводящее к гидравлическим ударам, и колоссальные пусковые токи асинхронных двигателей, которые могут в 6-8 раз превышать номинальные, создавая огромную нагрузку на сеть и само оборудование.

Изучение успешных примеров, таких как насосная станция №63 в Челябинске, где уже внедрен преобразователь частоты Siemens, позволяет понять вектор развития и сформировать требования к будущей системе.

Глава 2. Проектируем структурную схему и алгоритм будущей системы

После сбора и анализа данных наступает этап концептуального проектирования. Прежде чем подбирать конкретные модели устройств, необходимо визуализировать архитектуру системы и описать логику ее работы. Это делается с помощью структурной схемы и алгоритма управления.

Структурная схема автоматизации — это, по сути, «карта» всего проекта. Она наглядно демонстрирует состав системы и взаимосвязи между ее элементами. На схеме должны быть отражены все ключевые компоненты:

• Нижний уровень: датчики (давления, уровня) и исполнительные механизмы (электродвигатель насоса).
• Средний уровень: программируемый логический контроллер (ПЛК) и преобразователь частоты (ЧП), связанные между собой.
• Верхний уровень: SCADA-система для визуализации и диспетчерского управления.

Важно также указать интерфейсы и протоколы связи, например, Modbus или Profibus, по которым компоненты обмениваются информацией.

Алгоритм управления детально описывает логику работы системы, часто в виде блок-схемы. Он включает основной контур регулирования (например, поддержание давления) и защитные механизмы. Типичная последовательность выглядит так:

1. Постоянный опрос датчика давления в напорной магистрали.
2. Сравнение текущего значения с заданной уставкой.
3. Если давление ниже уставки, ПЛК плавно увеличивает частоту на выходе ЧП, повышая обороты двигателя.
4. Если давление выше уставки, частота плавно снижается.
5. Параллельно происходит мониторинг защитных датчиков для предотвращения аварийных ситуаций, таких как «сухой ход» или перегрузка двигателя.

Глава 3. Подбираем и обосновываем выбор технических средств

Имея на руках четкую схему и алгоритм, можно приступать к подбору реального оборудования. Это один из самых ответственных этапов, где каждый выбор должен быть технически и экономически обоснован.

Выбор программируемого логического контроллера (ПЛК)

ПЛК — это «мозг» системы. Для аргументированного выбора необходимо сравнить 2-3 подходящих варианта. Например, можно рассмотреть Siemens S7-1200, Schneider Electric Modicon M340 и отечественный ОВЕН ПЛК210. Сравнение проводится по ключевым критериям:

• Стоимость и доступность на рынке.
• Достаточное количество дискретных и аналоговых входов/выходов.
• Поддержка необходимых протоколов связи (например, Modbus TCP/IP).
• Наличие и удобство среды разработки (TIA Portal, CODESYS).

Выбор делается в пользу модели, которая предлагает оптимальное соотношение цены, функциональности и удобства программирования для конкретной задачи.

Выбор преобразователя частоты (ЧП)

ЧП является сердцем энергосбережения. Его применение предпочтительнее прямого пуска или даже устройств плавного пуска (софтстартеров), которые лишь снижают пусковые токи до 3-4 номинальных, но не обеспечивают регулирование скорости. Частотный преобразователь позволяет не только плавно запускать двигатель, но и точно поддерживать его обороты в соответствии с текущей потребностью, что дает прямую экономию электроэнергии от 20% до 50%. При выборе конкретной модели, например, от Yaskawa или VEDA, ключевыми параметрами являются номинальная мощность, соответствующая мощности двигателя, и поддержка векторного типа управления для более точного поддержания момента на валу.

Выбор датчиков и сопутствующей аппаратуры

Надежность системы напрямую зависит от качества «органов чувств» — датчиков. Для насосной станции обязателен следующий минимум:

• Датчик давления: например, ОВЕН ПД100, для обратной связи в контуре регулирования.
• Датчик уровня: например, ОВЕН ПДУ, для защиты от «сухого хода».

Кроме того, в шкаф управления закладывается вся необходимая пускозащитная аппаратура: автоматические выключатели, контакторы и реле, обеспечивающие безопасность и надежность работы системы.

Глава 4. Создаем программное обеспечение для ПЛК и SCADA-системы

Выбранное «железо» — это лишь половина дела. Чтобы система ожила, необходимо разработать для нее программное обеспечение, которое состоит из логики для контроллера и человеко-машинного интерфейса (SCADA).

Программирование ПЛК

Разработка логики для ПЛК ведется в специализированной среде, такой как TIA Portal для контроллеров Siemens. Программа пишется на одном из стандартных языков МЭК 61131-3, чаще всего используется язык релейно-контактных схем (LAD). В программе реализуется ранее разработанный алгоритм: опрос входов (сигналы с датчиков), выполнение логических операций и математических вычислений (например, работа ПИД-регулятора для управления давлением) и формирование управляющих сигналов на выходах (управление частотным преобразователем). Особое внимание уделяется программированию защит и блокировок для предотвращения аварий.

Разработка SCADA-системы

SCADA-система (Supervisory Control and Data Acquisition) — это инструмент для визуализации технологического процесса и взаимодействия с ним оператора. Для ее создания используются такие платформы, как WinCC, Ignition или Trace Mode 6. Ключевым элементом является мнемосхема — графическое представление насосной станции на экране компьютера. На ней отображаются:

• Анимированные изображения насосов и трубопроводов.
• Актуальные показания датчиков (давление, уровень в резервуаре, потребляемый ток).
• Элементы управления: кнопки «Пуск/Стоп», поля для ввода уставки давления.
• Графики изменения параметров во времени (тренды).
• Журнал событий и аварийных сообщений.

Качественно разработанная SCADA-система позволяет оператору не только управлять станцией, но и быстро диагностировать неисправности и анализировать эффективность ее работы.

Глава 5. Выполняем расчет экономической эффективности внедрения

Любой инженерный проект должен быть не только технически совершенным, но и экономически целесообразным. Эта глава — обязательная часть дипломной работы, доказывающая, что инвестиции в автоматизацию окупятся.

Расчет капитальных затрат

Первым шагом является определение полной стоимости проекта. Сюда входит суммарная стоимость всего закупленного оборудования, которое было выбрано в третьей главе:

• Программируемый логический контроллер (ПЛК).
• Преобразователь частоты (ЧП).
• Комплект датчиков и реле.
• Шкаф управления и пускозащитная аппаратура.

К стоимости оборудования добавляются затраты на проектные работы, монтаж, пусконаладку и обучение персонала.

Расчет годовой экономии

Основной эффект от внедрения — это экономия электроэнергии за счет использования частотного регулирования. Расчет строится на сравнении потребления «до» и «после». Существует прямая зависимость: снижение скорости вращения насоса на 20% приводит к экономии потребляемой энергии почти на 50%. Зная график водопотребления в течение суток, можно рассчитать среднее снижение мощности и, умножив его на количество часов работы в год и стоимость 1 кВт*ч, получить сумму годовой экономии.

Расчет срока окупаемости

Срок окупаемости (Payback Period) — это ключевой показатель эффективности инвестиций. Он рассчитывается по простой формуле:

Срок окупаемости (лет) = Капитальные затраты / Годовая экономия

Полученный результат позволяет сделать однозначный вывод о целесообразности проекта. Например, если срок окупаемости составляет 2-3 года, это считается отличным показателем для проектов в сфере промышленной автоматизации.

Глава 6. Как провести моделирование и тестирование разработанной системы

Перед внедрением системы на реальном объекте крайне желательно проверить ее работоспособность и корректность алгоритмов в виртуальной среде. Это позволяет выявить потенциальные ошибки в логике управления и настроить параметры регуляторов без риска для дорогостоящего оборудования. Стандартом де-факто для таких задач является среда MATLAB и ее пакет расширения Simulink.

Процесс моделирования включает:

1. Создание модели объекта: В среде Simulink из стандартных блоков собирается математическая модель, имитирующая физические процессы: модель асинхронного двигателя, модель центробежного насоса и гидравлической системы.
2. Интеграция системы управления: В эту же модель добавляется блок, реализующий разработанный алгоритм управления — чаще всего это блок ПИД-регулятора.
3. Проведение виртуальных экспериментов: На вход модели подаются различные управляющие и возмущающие воздействия. Например, можно имитировать резкое изменение уставки давления или изменение расхода воды.

По результатам симуляции строятся графики переходных процессов. Анализируя их, можно оценить качество регулирования: устойчивость системы, время выхода на уставку, величину перерегулирования. Это позволяет доказать, что разработанный алгоритм корректно справляется со своей задачей.

Глава 7. Финальное оформление работы: пояснительная записка и чертежи

Результаты всей проделанной работы необходимо грамотно структурировать и оформить в соответствии с государственными стандартами (ГОСТ). Итоговый дипломный проект традиционно состоит из двух частей: пояснительной записки и графической части.

Пояснительная записка — это текстовый документ объемом 100-150 страниц, который детально описывает все этапы проекта. Ее структура должна быть логичной и последовательной: введение, 4-5 основных глав (анализ, разработка, выбор оборудования, программная часть, расчеты), заключение с выводами, список использованной литературы и приложения. Особое внимание стоит уделить правильному оформлению ссылок, формул и таблиц.

Графическая часть представляет собой комплект из 6-7 чертежей, выполненных на листах формата А1 в системе автоматизированного проектирования (САПР), например, AutoCAD или КОМПАС-3D. Обязательный состав чертежей обычно включает:

• Структурную схему комплекса технических средств.
• Функциональную схему автоматизации.
• Принципиальную электрическую схему шкафа управления.
• Схему внешних проводок и подключений.
• Чертеж общего вида шкафа управления.
• Главный вид окна SCADA-системы (мнемосхему).

Заключение и подготовка к защите

Завершающий этап работы над дипломным проектом — это подведение итогов и подготовка к их публичному представлению.

В заключении необходимо кратко, но емко сформулировать основные результаты, полученные в ходе работы. Важно, чтобы выводы четко соответствовали задачам, поставленным во введении. Например: «В ходе дипломного проекта была проанализирована работа насосной станции, разработана эффективная система автоматизации, произведен аргументированный выбор оборудования и программных средств, а также рассчитан срок окупаемости проекта, составивший 2.5 года». Главный вывод должен подтверждать достижение цели работы.

Подготовка к защите — не менее важный процесс. Необходимо подготовить наглядную презентацию (10-12 слайдов) и отрепетировать доклад продолжительностью 7-10 минут. В своем выступлении следует сделать акцент на самых сильных сторонах проекта:

• Актуальность проблемы.
• Новизна и эффективность предложенного технического решения.
• Экономические результаты и срок окупаемости.

Будьте готовы к вопросам от аттестационной комиссии, особенно касающимся причин выбора того или иного ПЛК, ЧП или программной платформы. Уверенная и аргументированная защита — залог высокой оценки вашего многомесячного труда.

Список использованной литературы

1. Справочник по автоматизированному электроприводу. Под ред. В.А.Елисеева и А.В.Шинянского. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – с.
2. Азарх Д.Н., Попова Н.В., Монахова Н.П., Ситнова А.Н. Справочник гидромашиностроения. – М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1959. – с.
3. Строительные нормы и правила водоснабжения. Наружные сети и сооружения СНиП 2.04.02-84. М.: Стройиздат, 1985. – с.
4. Лезнов Б.С. Экономия электроэнергии в насосных установках. М.: Энергоатомиздат, 1991. – 144 с.
5. Маурер В.Г. Элементы и устройства для плавного пуска асинхронных двигателей. – Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 1998. – 98 с.
6. Гафиятуллин Р.Х., Маурер В.Г., Мацин В.П. Теория автоматического управления: Методические указания к лабораторно-практическим занятиям. – Челябинск: ЧГТУ, 1995. – 62 с.
7. Гафиятуллин Р.Х., Цытович Л.И., Маурер В.Г., Рахматулин Р.Х. Интегрирующая развертывающая система импульсно-фазового управления тиристорными преобразователями для электроприводов с источниками питания ограниченной мощности // Электротехнические системы и комплексы: Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 1. – Магнитогорск: Издательство МГМА, С.29-38.
8. Петров Л.П., Андрюшенко О.А., Капинос В.И. и др. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 200 с.
9. Грейвулис Я.П., Рыбницкий Л.С. Тиристорный асинхронный электропривод для центробежных насосов. – Рига: Зинатне, 1983. – 228 с.
10. Теория автоматического управления: Учебник для вузов. Под ред. А.А.Воронова. – М.: Высшая школа, 1986. – 367 с.
11. Усынин Ю.С. Управление замкнутыми электроприводами: Конспект лекций. Часть 1. – Челябинск: ЧПИ, 1975. – 71 с.
12. Цытович Л.И. Развертывающие преобразователи для систем управления вентильными электроприводами и технологической автоматики. – Дисс. докт. техн. наук. – Челябинск: ЧГТУ, 1996. – 465 с.
13. П.А.Долин. Справочник по технике безопасности. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – с.
14. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Недошивин Р.П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 401 с.
15. Гельман М.В., Лохов С.П., Худоносов Г.В. Проектирование тиристорного преобразователя для электропривода постоянного тока: Учебное пособие к курсовой работе для студентов спец. 0601 и 0628. – Челябинск: ЧПИ, 1986.– 96 с.
16. ЗАО “ЭЛЕКТРОТЕКС” Руководство по эксплуатации “Преобразователи частоты транзисторные”, 2005.-58с.