Протокол GSM в технологиях водоснабжения нового поколения

Водозаборный узел, работающий в постоянном режиме, обеспечивает подачу воды в сеть, где она потребляется в случайном режиме. Для нормальной работы любой схемы необходимо подачу привести в соответствие с водопотреблением, обеспечив заданное давление и минимум затрат. Согласование подачи и потребления достигается разными способами: использованием водонапорных башен или гидропневмоаккумуляторов и другими. Современным и наиболее перспективным является способ регулирования производительности электронасоса во всем диапазоне расходов изменением частоты вращения рабочего колеса с помощью преобразователя частоты. Такой способ называется частотно-регулируемым и находит все более широкое применение, т.к. обеспечивает экономию электроэнергии до 30–40 %. При этом нет необходимости применять согласующие элементы, а подачу воды можно осуществить по прямоточному принципу. Более экономичной является схема, где частотно-регулируемый электронасос (РЭН) обеспечивает не весь диапазон изменения расходов, а некоторую его часть. Остальную часть диапазона обеспечивают нерегулируемые электронасосы (НЭН). При этом РЭН имеет уже меньшую производительность, а НЭН дополняют его и в сумме с РЭН покрывают весь диапазон расхода. Такая комбинированная компоновочная схема с погружными насосами, расположенными в скважинах, пока не применялась, поскольку не были решены вопросы разработки средств согласованного управления и коммуникаций для подобных прямоточных технологических схем (рис. 1). Кроме того, отсутствовала научно-обоснованная методика выбора и расчета оптимального состава элементов такой схемы. Сегодня эти вопросы решены в лаборатории водоснабжения ВНИИ электрификации сельского хозяйства. Рамки статьи не позволяют в полной мере осветить результаты работ. С методологическими аспектами можно ознакомиться в [1], здесь же мы расскажем о средствах управления и коммуникаций, обеспечивающих эффективную работу схемы, а также о источниках этой эффективности. Схема состоит из следующих элементов: ❏ скважин; ❏ погружных электронасосов; ❏ инфокоммуникационных устройств управления и защиты электронасосов «Инфоком-Высота-GSM» в составе силовых элементов, контроллера, коммуникационного интерфейса, модема GSM и антенны; ❏ станции управления и защиты частотно-регулируемого насоса Высота-Ч» в составе силовых элементов, преобразователя частоты типа VFD и контроллера; ❏ технологических датчиков; ❏ трубопровода; ❏ удаленного (на ЦДП) компьютера и модема. Подробно остановимся на комплекте «Инфоком-Высота-GSM» , рис. 2. Комплект предназначен для управления погружным электронасосом, защиты его от аварийных ситуаций, передачи информации о режимах работы погружного электронасоса, авариях и оперативного управления с помощью мобильного телефона сотовой связи GSM или с ПК диспетчерского пункта. Контроллер типа SR2B121BD имеет четыре дискретных входа, четыре дискретно-аналоговых входа и четыре релейных выхода. Имеет блоки, реализованные программно на языке FBD. Блок контроля перегрузки . Анализирует информацию о текущей токовой нагрузке, поступающую с АВС-7. Осуществляет защиту от перегрузки электродвигателя насоса. В случае перегрузки посылает соответствующую команду на блок управления пускателем. Информация о рабочем токе электронасоса передается на дисплей контроллера. Имеет возможность установки номинального тока электродвигателя насоса для осуществления более точной защиты от перегрузки. В случае аварийной ситуации запоминает значение тока на момент аварии и передает соответствующую команду коммуникационному интерфейсу на отправку информационного сообщения и значения аварийного тока. Блок контроля асимметрии фаз . Анализирует данные об асимметрии фаз, поступающие с АВС-7. В случае превышения асимметрии фаз выше пороговой данный блок подает команду блоку управления пускателем на остановку электронасоса. При наступлении аварийной ситуации запоминает текущее значение асимметрии и передает соответствующую команду коммуникационному интерфейсу на отправку информационного сообщения и значения асимметрии. Блок контроля сопротивления изоляции . Анализирует дискретный сигнал с АВС-7 при неработающем электронасосе. В случае пониженного сопротивления изоляции выводит соответствующее сообщение на дисплей контроллера и дает соответствующую команду на коммуникационный интерфейс. Блок выбора режима работы . Изменяет режим работы устройства: ручной или автоматический. В ручном режиме пуск и останов электронасоса производится пользователем. В автоматическом режиме пуск и останов электронасоса осуществляетсяпо сигналам датчика или через ЦДП по GSM каналу c головной скважины, где установлен РЭН и контролируется давление. Выбранный режим работы и текущей статус отображаются на дисплее контроллера. Выбор режима работы и пуск/ останов электронасоса осуществляются с панели контроллера или управляющими сообщениями с ЦДП или мобильного телефона. АВС-7. Адаптер входных сигналов . Преобразует сигналы асимметрии фаз и перегрузки с токовых трансформаторов в аналоговый сигнал 0–10 В, наибольший передается на контроллер. Преобразует сопротивление изоляции обмотки двигателя электронасоса в дискретный сигнал с порогом включения 50 кОм. Коммуникационный интерфейс типа SR2COM01 осуществляет двухсторонний дистанционный обмен данных между контроллером и ЦДП или мобильными телефонами ответственных лиц. Хранит в своей памяти телефонные номера мобильных телефонов или персонального компьютера диспетчерского пункта, адрес электронной почты для передачи информации через электронную почту, тексты информационных сообщений, а также параметры инициализации модема и регистрации его в GSM-сети, рис. 3. При поступлении соответствующих сигналов от различных блоков контроллера посылает заранее определенные информационные SMS-сообщения соответствующим реципиентам, при необходимости в сообщения могут быть включены величины различных параметров. Сообщения посылаются как в автоматическом режиме (при наступлении определенных событий, например, смене режима работы или наступления аварийной ситуации), так и по запросу из ЦДП или с мобильных телефонов ответственных лиц. Кроме того, принимает управляющие SMS-сообщения из ЦДП или с мобильных телефонов ответственных лиц, имеющих доступ, и осуществляет управление и изменение параметров различных блоков контроллера, например, смену режима работы устройства или изменение уставки номинального рабочего тока электронасоса (блок контроля перегрузки). GSM-модем подключается к коммуникационному интерфейсу через встроенный разъем COM-M. Имеет съемный держатель для SIM-карты (типа MicroSIM). Предназначен для передачи информации, подготовленной коммуникационным интерфейсом, конечному адресату на заранее определенный телефонный номер или адрес электронной почты. Для дистанционной работы с удаленной станции, она должна находиться в зоне покрытия сотовой связью (GSM) и иметь SIM-карту соответствующего оператора сотовой связи с возможностью передачи информации. Станция управления и защиты «Высота-Ч» находится на головной скважине и вместе с комплектом «Инфоком» обеспечивает согласованную работу всей технологической схемы по определенному алгоритму. В своем составе имеет контроллер, который: ❏ корректирует заданное давление стабилизации в функции расхода для обеспечения постоянного давления у потребителя; ❏ использует реальное суточное время для корректировки давления стабилизации в разных диктующих точках сети; ❏ подключает либо отключает НЭН в зависимостиот недостаточной либо избыточной производительности РЭН со сменой статуса насосов по схеме: работающий от преобразователя РЭН переключается на сеть и становится НЭН, к преобразователю подключается следующий насос и становится РЭН, вывод — аналогично; ❏ производит переключения агрегатов с обеспечением снижения действий гидроударов в водопроводных сетях; ❏ корректирует закон управления преобразователя в зависимости от давления стабилизации в разных диктующих точках сети. Дополнительная экономия электроэнергии при такой схеме компоновки насосов объясняется следующим. В схеме РЭН обеспечивает согласование подачи с водопотреблением, поддерживая давление на выходе постоянным, а НЭН подключаются либо отключаются в зависимости от того, недостаточна или избыточна производительность РЭН. Таким образом, осуществляется взаимоэффективная работа электронасосов: НЭН, покрывая часть общего потока водопотребления, позволяют РЭН работать в зоне минимального энергопотребления, а РЭН, стабилизируя давление, позволяет НЭН работать в номинальном режиме независимо от графика водопотребления. Зона минимального энергопотребления зависит от количества, соотношения подач и очередности коммутации НЭН, что в свою очередь влияет на перераспределение потоков между насосами и формирование потока через РЭН. Процесс формирования потока через РЭН происходит следующим образом, рис. 4. Если величина расхода в сети q_v1 находится в пределах интервала ∆q, то работает один РЭН. По мере увеличения расхода в сети, например до q_v2, его величина становится больше интервала ∆q и включается 1-й НЭН. При этом он берет на себя часть расхода Q_i и через РЭН проходит разностная часть потока q – Q_i, которая вновь окажется в интервале ∆q. То же самое и при расходе q_v3. По мере того, как расход будет увеличиваться до максимальной величины, в работу будут включаться другие НЭН, обеспечивая величину потока через РЭН в интервале ∆q. По мере снижения расхода НЭН будут выходить из работы, обеспечивая опять работу РЭН в интервале ∆q. На рис. 4 приведен пример перераспределения потоков и преобразования общего расхода (толстая сплошная линия) для двух случаев схемы компоновки: РЭН + НЭН (схема «6» с одним НЭН) и РЭН + НЭН + НЭН (схема «33» с двумя НЭН), его мы рассмотрели выше. Для первого случая общий расход по форме практически не изменился, но стал ниже на величину подачи одного НЭН (прерывистая линия). Для второго — изменения коснулись и формы расхода (тонкая сплошная линия). Однако их диапазон Q_p, равный крайним границам изменения вновь полученного расхода (показан только для второго случая), остался в пределах интервала ∆q. Схемы компоновки приводятся в условных обозначениях. Например, схема «33» означает, что для комплекта используются два НЭН с подачами Q₁ = Q₂ = 3,3 м³/ч, а схема «6» означает, что для комплекта используется один НЭН с подачей Q₁ = 6,6 м³/ч. Вместе с регулируемым насосом, у которого интервал изменения подачи ∆q = 6,6 м³/ ч, они обеспечат максимальную подачу Q_max = 13,4 м³/ч. Схема «0» означает, что НЭН отсутствуют и весь расход водопотребления обеспечивается РЭН. Очевидно, что диапазон Q_p для различных вариантов схем компоновки будет различен. На рис. 4 формирование этого диапазона показано только для схемы «33», при этом общий вид потока через РЭН можно видеть на нижней части графика в виде тонкой сплошной линии. Для схемы «6» общий вид потока через РЭН — в виде тонкой прерывистой линии. В схеме «0» работает лишь один РЭН, поэтому через него проходит весь поток расхода — толстая сплошная линия. Видно, что средние величины — математические ожидания (МО) всех трех потоков различны. Различными будут и величины потребляемой РЭН электроэнергии. Она увеличивается с увеличением МО, а потребляемая электроэнергия НЭН будет снижаться. В результате общее потребление будет сохраняться примерно постоянным, за исключением тех отклонений, которые определены разными величинами общего КПД в каждой схеме. Более подробно с исследованиями характеристик различных схем компоновок и методов их определения можно ознакомиться в [1]. Было исследовано 14 схем и методом математического эксперимента установлено, что снижение энергозатрат по сравнению со схемой «0» имеет место во всех случаях и равно 3–11 %. Использование НЭН приводит к сужениюдиапазона Q_p и повышению общего КПД. Вывод. Прямоточная технологическая схема водоснабжения с несколькими погружными насосами, управляемыми комплектами «Инфоком» протокола GSM-связи, один из которых, кроме того, снабжен частотно-регулируемым приводом, является инновационной энергоэффективной схемой, обеспечивающей дополнительную экономию электрической энергии до 11% .

1. Методические рекомендации по выбору оборудования для частотно-регулируемой насосной станции второго подъема с комбинированной компоновочной схемой. — М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006.