Алгоритмы управления дежурным и резервным насосом в автоматизированных системах
В автоматизированных установках распределение функций между рабочими и резервными единицами зависит от схемы подключения и настроек программируемых логических контроллеров. На практике используются три основных алгоритма: циклическое чередование, работа до отказа с последующим переключением и комбинированная схема с равномерным распределением наработки.
Циклическое чередование применяется, когда оба агрегата идентичны по характеристикам. Контроллер учитывает наработку каждого агрегата и через заданный интервал — например, каждые 8 часов — переключает нагрузку на другой. Это равномерно распределяет износ и предотвращает длительный простой одной из машин.
Настраивая алгоритм, задают период переключения, время задержки включения и параметры контроля давления или расхода. В промышленности при подаче воды в производственные системы рекомендуется устанавливать интервал чередования от 4 до 12 часов.
Эти данные подбираются с учетом ресурса подшипников, характеристик уплотнений и допустимого количества пусков, которое для электродвигателей средней мощности составляет не более 10 раз в час.
При работе до отказа дежурный агрегат функционирует до возникновения аварийной ситуации, такой как срабатывание защиты по току, перегрев или выход за пределы заданного давления. Контроллер мгновенно отключает неисправный агрегат и запускает резервный. В такой схеме на контроллере задают параметры срабатывания защиты: ток двигателя, давление на выходе, вибрация.
Для центробежных агрегатов с электродвигателями 30-75 кВт рекомендуемое значение тока отсечки выставляют на уровне 1,1-1,2 от номинала, а датчики давления калибруют на диапазон ±10% от рабочего уровня. В системах водоснабжения это, например, давление 6-10 бар.
Комбинированная схема объединяет равномерное чередование с возможностью мгновенного включения резервного агрегата при аварии. Эта схема чаще всего применяется в ответственных системах: пожаротушение, котельные, циркуляция теплоносителя. Алгоритм строится следующим образом: оба агрегата включаются попеременно каждые 6 часов, но в случае отказа любого из них другой включается без задержки.
Настройки контроллера включают параметры времени чередования, задержки включения и параметры защиты. Для установки программируемого логического контроллера обычно применяют реле времени с дискретностью 1 секунда и датчики давления или расхода с аналоговым выходом 4-20 мА.
Особенностью реализации любого из алгоритмов является настройка параметров автоматического ввода резерва (АВР). Для этого необходимо корректно задать время задержки срабатывания, чтобы избежать ложных включений при кратковременных просадках давления или скачках тока.
В системах перекачки воды оптимальным считается значение задержки 3-5 секунд, в зависимости от инерционности агрегата и длины трубопровода. Контроллеры Siemens серии S7-1200 или Овен ПЛК110 позволяют точно задать эти параметры с дискретностью до 0,1 секунды.
Для повышения надежности в алгоритмы часто включают режим так называемой "периодической проверки резерва". Это периодический кратковременный запуск резервного агрегата на холостом ходу или с нагрузкой. Такой режим полезен для предотвращения заклинивания вала или выхода из строя уплотнений из-за длительного простоя.
Продолжительность такой проверки обычно устанавливают в пределах 2-3 минут раз в 24 часа. В системах подачи воды на промышленные нужды запуск резервного агрегата без отключения основного допускается при наличии обратных клапанов с рабочим давлением не менее 16 бар.
При проектировании алгоритмов важно учитывать характеристики подключаемых электродвигателей и частотных преобразователей. Если используются преобразователи частоты, схема управления усложняется, поскольку требуется синхронизировать запуск и останов обоих агрегатов. Частотные преобразователи Schneider Altivar 630 и Danfoss VLT HVAC Drive позволяют реализовать плавное переключение между рабочим и резервным агрегатом при помощи режима "режим передачи нагрузки".
Этот режим настраивается на основании показаний давления и частоты вращения, чтобы избежать гидроударов. Параметры для насоса производительностью 50 м³/ч обычно устанавливаются следующим образом: частота вращения снижается с 50 до 0 Гц за 5 секунд, а при включении резервного агрегата частота увеличивается до 50 Гц за 6 секунд.
Для систем с несколькими резервными агрегатами применяют так называемое "каскадное управление". В этом случае контроллер поочередно включает агрегаты по мере увеличения потребности в производительности или отключает их при снижении расхода. Применение каскадного алгоритма характерно для насосных станций холодного водоснабжения.
Расчет параметров ведется по формуле N = Q / q, где N — количество работающих агрегатов, Q — текущий расход, q — производительность одного агрегата. При расходе 150 м³/ч и производительности одного агрегата 50 м³/ч контроллер включает 3 агрегата и поддерживает их работу до снижения расхода ниже 130 м³/ч, после чего отключает один из агрегатов.
В системах теплоснабжения или циркуляции теплоносителя часто требуется учитывать температурные параметры. Для таких случаев в алгоритм вводят контроль температуры на подаче и обратке.
Контроллеры Овен серии ПР110 позволяют одновременно обрабатывать до 8 аналоговых сигналов, включая температурные датчики PT100. При температуре обратной линии ниже 50 °C включается дополнительный агрегат, при превышении 70 °C один из агрегатов отключается.
Особое внимание при проектировании алгоритмов уделяют обратным клапанам и задвижкам. При автоматическом включении и отключении агрегатов важно обеспечить герметичное перекрытие линии.
Для насосных станций водоснабжения используют обратные клапаны с демпфированием типа Danfoss 148B, которые закрываются за 1,5-2 секунды при потоке до 100 м³/ч. Задвижки с электроприводом (Valvotubi 16 бар) оснащаются концевыми выключателями для согласования с контроллером. Программирование контроллера учитывает время полного открытия задвижки — обычно 12-20 секунд для диаметра DN150.
Для уменьшения износа контакторов и пускателей желательно использовать плавный пуск с контролем пускового тока. В схемах с электродвигателями 55 кВт пусковой ток ограничивается до 2,5-3 Iн с помощью плавного пуска Schneider Altistart 48. Контроллер учитывает этот параметр при расчете задержек между остановкой одного агрегата и запуском другого. Оптимальная пауза между остановом и повторным пуском составляет 10-15 секунд.
При подборе параметров алгоритмов всегда принимают во внимание характеристики трубопроводов, емкостей и запорной арматуры. При диаметре трубопровода 150 мм и скорости потока 1,5 м/с оптимальное время переключения агрегатов не превышает 5 секунд, чтобы избежать гидроударов. В системах с мембранными гидроаккумуляторами объемом 500 литров допускается увеличение времени переключения до 10 секунд.
В алгоритмах с приоритетом одного агрегата задается так называемый "плавающий приоритет". В такой схеме, после каждого включения система выбирает другой агрегат в качестве основного. Это равномерно распределяет нагрузку без необходимости точного учета времени наработки. В контроллерах Siemens S7-1500 или Овен ПЛК210 этот режим реализуется простым циклическим переключателем с хранением состояния во внутреннем регистре.
