Автоматизация очистных сооружений

Объем работ по автоматизации в каждом конкретном случае должен подтверждаться экономической эффективностью и санитарным эффектом.

На очистных сооружениях могут быть автоматизированы:

1. устройства и приборы, регистрирующие изменения технологического режима при нормальной эксплуатации;
2. устройства и приборы, обеспечивающие локализацию аварий и обеспечивающие оперативные переключения;
3. вспомогательные процессы в работе сооружений, особенно это относится к насосным станциям (залив насосов, откачка дренажных вод, вентиляция и т. д.);
4. сооружения обеззараживания сточных под, прошедших очистку.

Наряду с комплексным решением автоматизации целесообразно автоматизировать отдельные технологические процессы: распределение сточных вод по сооружениям, регулирование уровней осадков, ила.

Частичная автоматизация в перспективе должна предусматривать возможность перехода на комплексную автоматизацию всего технологического цикла.

Относительно небольшое внедрение установок автоматического управления в технику очистки сточных вод на предприятиях пищевой промышленности объясняется тем, что большинство очистных станций имеет малую или среднюю производительность, в силу чего капитальные затраты на автоматизацию часто выражаются значительными суммами н не могут быть компенсированы соответствующей экономией эксплуатационных затрат. В перспективе на очистных сооружениях широко будет применяться автоматическая дозировка реагентов и контроль эффективности очистки сточных вод.

Технические требования к автоматизации процессов очистки сточных вод могут быть сведены к следующему:

1. любая система автоматического управления должна допускать возможность местного управления отдельными механизмами при их осмотре и ремонте;
2. должна быть исключена возможность управления одновременно двумя способами (например, автоматическое и местное);
3. перевод системы с ручного управления на автоматическое не должен сопровождаться отключением находящихся в работе механизмов;
4. схема автомагического управления должна обеспечить нормальное протекание технологического процесса и обеспечивать надежность и точность работы установки;
5. при нормальной остановке агрегата схема автоматики должна быть готова к следующему автоматическому пуску;
6. предусматриваемая блокировка должна исключать возможность автоматического или дистанционного пуска после аварийного отключения агрегата;
7. во всех случаях нарушения нормальной работы автоматизированной установки должен подаваться аварийный сигнал на пункт с постоянным дежурством.

1. насосные станции — основные агрегаты и дренажные насосы; включение и отключение в зависимости от уровня жидкости в резервуарах и приямках, автоматическое переключение при поломке одного насоса на резервный; подача звукового сигнала в случаях выхода из строя насосных агрегатов н переполнения уровня в приемном резервуаре;
2. дренажные приямки — сигнализация аварийного уровня;
3. напорные задвижки насосных агрегатов (при пуске агрегата на закрытую задвижку) — открытие и закрытие, сблокированное с работой насосов;
4. механические грабли — работа в соответствии с заданной программой;
5. электроотопнтельные приборы — включение и отключение электронагревательных приборов в зависимости от температуры в помещениях;
6. приемные резервуары иловых насосных станций — взмучивание сточной жидкости;
7. напорные трубопроводы иловых насосных станций — опорожнение после остановки насосов;
8. здание решеток с механической очисткой — включение и отключение механических граблей в зависимости от перепада уровней до и после решетки (засорение решетки) или по временному графику;
9. песколовки — включение гидроэлеватора для откачки песка по временному графику или в зависимости от уровня песка, автоматическое поддержание постоянного расхода;
10. отстойники, контактные резервуары — выпуск (откачка) ила (осадка) по временному графику или в зависимости от уровня ила; работа скребковых механизмов по временному графику или в зависимости от уровня ила; открытие гидравлического затвора при пуске подвижной скребковой фермы;
11. станции нейтрализации сточных вод, хлораторные на х торной извести — дозирование реагента в зависимости от расхода стоков.

Характерной особенностью сточных вод предприятий пищевой промышленности является отсутствие нормы азота и фосфора для биохимических процессов.

Поэтому возникает необходимость в добавлении недостающих элементов в виде биогенных добавок.

Внесение добавок сопряжено со сложностью регулирования объема добавок в зависимости от размеров поступления сточных вод и загрязнений. С учетом изменяющегося расхода сточных вод дозирование биогенных добавок особенно сложно, поэтому для измерения расхода сточных вод институтом Союзводоканалпроект разработана схема автоматизации, в которой применены диафрагмы и поплавковые показывающие дифманометры типа ДЭМП-280 с индукционными датчиками.

Импульсы от дифманометра передаются на электронный регулятор соотношения ЭРС-67, который электрическим исполнительным механизмом типа МГ, воздействуя на регулирующий клапан, приводит расход биогенных добавок в соответствие с размером поступления сточных вод. При этом необходимое расчетное соотношение между расходом сточных вод и биогенных добавок задается регулятору в зависимости от изменения концентрации загрязнений в сточных водах, поступающих на очистные сооружения.

Введение

Теоретическая часть

1.1 Основы функционирования очистки сточных вод

2 Анализ современных способов очистки сточных вод

3 Анализ возможности автоматизации процессов очистки сточных вод

4 Анализ существующих аппартных (логических программируемых контроллеров ПЛК) и программных средств

5 Выводы по первой главе

2. Схемотехническая часть

2.1 Разработка структурной схемы уровня воды для наполнения резервуара

2.2 Разработка функциональной схемы

3 Расчёт регулирующего органа

4 Определение настроек регулятора. Синтез САУ

5 Расчет параметров встроенного АЦП

2.6 Вывод по второй главе

3. Программная часть

3.1 Разработка алгоритма функционирования системы САК в среде CoDeSys

3.2 Разработка программы в среде CoDeSys

3 Разработка интерфейса визуального отображения измерительной информации

4 Выводы по третьей главе

4. Организационно-экономическая часть

4.1 Экономическая эффективность АСУТП

2 Расчёт основных затрат на систему управления

3 Организация процессов производства

4.4 Выводы по четвертому разделу

5. Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды

5.1 Безопасность жизнедеятельности

2 Охрана окружающей среды

3 Выводы по пятой главе

Заключение

Список литературы

Введение

Во все времена поселения людей и размещение промышленных объектов реализовались в непосредственной близости от пресных водоемов, используемых для питьевых, гигиенических, сельскохозяйственных и производственных целей. В процессе использования воды человеком она изменяла свои природные свойства и в ряде случаев становилась опасной в санитарном отношении. Впоследствии с развитием инженерного оборудования городов и промышленных объектов возникла необходимость в устройстве организованных способов отведения загрязненных отработавших потоков воды по специальным гидротехническим сооружениям.

В настоящее время значение пресной воды как природного сырья постоянно возрастает. При использовании в быту и промышленности вода загрязняется веществами минерального и органического происхождения. Такую воду принято называть сточной водой.

В зависимости от происхождения сточных вод они могут содержать токсичные вещества и возбудители различных инфекционных заболеваний. Водохозяйственные системы городов и промышленных предприятий оснащены современными комплексами самотечных и напорных трубопроводов и других специальных сооружений, реализующих отведение, очистку, обезвреживание и использование воды и образующихся осадков. Такие комплексы называются водоотводящей системой. Водоотводящие системы обеспечивают также отведение и очистку дождевых и талых вод. Строительство водоотводящих систем обусловливалось необходимостью обеспечения нормальных жилищно-бытовых условий населения городов и населенных мест и поддержания хорошего состояния окружающей природной среды.

Промышленное развитие и рост городов в Европе в XIX в. Привели к строительству водоотводящих каналов. Сильным толчком к развитию водоотведения городов стала эпидемия холеры в Англии в 18г. В последующие годы в этой стране усилиями парламента были реализованы мероприятия по замене открытых каналов подземными и утверждены нормативы качества сточных вод, сбрасываемых в водоемы, организована биологическая очистка бытовых сточных вод на полях орошения.

В 1898 г. в Москве введена в эксплуатацию первая водоотводящая система, включавшая самотечные и напорные водоотводящие сети, насосную станцию и люблинские поля орошения. Она стала родоначальницей самой крупной в Европе московской системы водоотведения и очистки сточных вод.

Особое значение имеет развитие современной системы водоотведения бытовых и производственных сточных вод, обеспечивающих высокую степень защиты окружающей природной среды от загрязнений. Наиболее существенные результаты получены при разработке новых технологических решений в вопросах эффективного использования воды систем водоотведения и очистки производственных сточных вод.

Предпосылками для успешного решения этих задач при строительстве водоотводящих систем являются разработки, выполняемые высококвалифицированными специалистами, использующими новейшие достижения науки и техники в области строительства и реконструкции водоотводящих сетей и очистных сооружений.

1. Теоретическая часть

1 Основы функционирования очистки сточных вод

Сточные воды - любые воды и атмосферные осадки, отводимые в водоёмы с территорий промышленных предприятий и населённых мест через систему канализации или самотёком, свойства которых оказались ухудшенными в результате деятельности человека.

Сточные воды могут быть классифицированы по источнику происхождения на:

) Производственные (промышленные) сточные воды (образующиеся в технологических процессах при производстве или добыче полезных ископаемых), отводятся через систему промышленной или общесплавной канализации.

) Бытовые (хозяйственно-фекальные) сточные воды (образующиеся в жилых помещениях, а также в бытовых помещениях на производстве, например, душевые кабины, туалеты), отводятся через систему хозяйственно-бытовой или общесплавной канализации.

) Поверхностные сточные воды (делятся на дождевые и талые, то есть образующиеся при таянии снега, льда, града), отводятся как правило через систему ливневой канализации. Так же могут называться "ливневые стоки".

Производственные сточные воды, в отличие от атмосферных и бытовых, не имеют постоянного состава и могут быть разделены по:

) Составу загрязнителей.

) Концентрации загрязняющих веществ.

) Свойствам загрязнителей.

) Кислотности.

) Токсическому действию и действию загрязнителей на водные объекты.

Основной целью очистки сточных вод является водоснабжение. Система водоснабжения (населенного места или промышленного предприятия) должна обеспечивать получение воды из природных источников, ее очистку, если это вызывается требованиями потребителей, и подачу к местам потребления.

Схема водоснабжения: 1 - источник водоснабжения, 2 - водоприемное сооружение, 3 - насосная станция I подъема, 4 - очистные сооружения, 5 - резервуар чистой воды, 6 - насосная станция II подъема, 7 - водоводы, 8 - водонапорная башня, 9 - водораспределяющая сеть.

Для выполнения этих задач служат следующие сооружения, входящие обычно в состав системы водоснабжения:

) Водозаборные сооружения, при помощи которых осуществляется прием воды из природных источников.

) Водоподъемные сооружения, то есть насосные станции, подающие воду к местам ее очистки, хранения или потребления.

) Сооружения для очистки воды.

) Водоводы и водопроводные сети, служащие для транспортирования и подачи воды к местам ее потребления.

) Башни и резервуары, играющие роль регулирующих и запасных емкостей в системе водоснабжения.

1.2 Анализ современных способов очистки сточных вод

Современные способы очистки сточных вод можно разделить на механические, физико-химические и биохимические. В процессе очистки сточных вод образуются осадки, которые подвергаются обезвреживанию, обеззараживанию, обезвоживанию, сушке, возможна последующая утилизация осадков. Если по условиям сброса сточных вод в водоем, требуется более высокая степень очистки, то после сооружений полной биологической очистки сточных вод устраивают сооружения глубокой очистки.

Сооружения механической очистки сточных вод предназначены для задержания нерастворенных примесей. К ним относятся решетки, сита, песколовки, отстойники и фильтры различных конструкций. Решетки и сита предназначены для задержания крупных загрязнений органического и минерального происхождения.

Песколовки служат для выделения примесей минерального состава, главным образом, песка. Отстойники задерживают оседающие и плавающие загрязнения сточных вод.

Для очистки производственных сточных вод, содержащих специфические загрязнения, применяют сооружения, называемые жироловками, нефтеловушками, масло- и смолоуловителями и др.

Сооружения механической очистки сточных вод являются, предварительной стадией перед биологической очисткой. При механической очистке городских сточных вод удается задержать до 60% нерастворенных загрязнений.

Физико-химические методы очистки городских сточных вод, с учетом технико-экономических показателей, используют весьма редко. Эти методы, в основном, применяют для очистки производственных сточных вод.

К методам физико-химической очистки производственных сточных вод относятся: реагентная очистка, сорбция, экстракция, эвапорация, дегазация, ионный обмен, озонирование, электрофлотация, хлорирование, электродиализ и др.

Биологические методы очистки сточных вод основаны на жизнедеятельности микроорганизмов, которые минерализуют растворенные органические соединения, являющиеся для микроорганизмов источниками питания. Сооружения биологической очистки условно могут быть разделены на два вида.

Рисунок 3 - Схема очистки сточных вод на биофильтрах

Схема очистки сточных вод на биофильтрах: 1 - решетка; 2 - песколовка; 3 - трубопровод для удаления песка; 4 - первичный отстойник; 5 - вывод ила; 6 - биофильтр; 7 - реактивный ороситель; 8 - пункт хлорирования; 9 - вторичный отстойник; 10 - выпуск.

Механическую очистку сточных вод можно выполнять двумя способами:

)Первый способ состоит в процеживании воды сквозь решетки и сита, в результате чего отделяются твердые частицы.

)Второй способ заключается в отстаивании воды в специальных отстойниках, в результате чего минеральные частицы оседают на дно.

Рисунок 4 - Технологическая схема очистной станции с механической очисткой сточных вод

Технологическая схема: 1 - сточная вода; 2 - решетки; 3 - песколовки; 4 - отстойники; 5 - смесители; 6 - контактный резервуар; 7 - выпуск; 8 - дробилки; 9 - песковые площадки; 10 - метантенки; 11 - хлораторная; 12 - иловые площадки; 13 - отбросы; 14 - пульпа; 15 - песчаная пульпа; 16 - сырой осадок; 17 - сброженный осадок; 18 - дренажная вода; 19 - хлорная вода.

Сточные воды из канализационной сети сначала поступают на решетки или сита, где они процеживаются, а крупные составляющие - тряпки, кухонные отходы, бумага и т.п. - удерживаются. Задержанные решетками и сетками крупные составляющие вывозят для обеззараживания. Процеженная сточная вода поступает в песколовки, где задерживаются примеси в основном минерального происхождения (песок, шлак, уголь, зола и т.п.).

1.3 Анализ возможности автоматизации, процессов очистки сточных вод

Главные цели автоматизации систем и сооружений водоотведения состоят в улучшении качества водоотведения и очистки сточной воды (бесперебойность отведения и перекачки сточных вод, качество очистки сточных вод и др.) сокращении эксплуатационных затрат, улучшении условий труда.

Основной функцией систем и сооружений водоотведения является повышение надежности работы сооружений путем контроля состояния оборудования и автоматической проверки достоверности информации и стабильности работы сооружений. Всё это способствуют автоматической стабилизации параметров технологических процессов и показателей качества очистки сточных вод, оперативной реакции на возмущающие воздействия (изменение количества отводимой сточной воды, изменение качества очищенной сточной воды). Конечной целью автоматизации является повышение эффективности управленческой деятельности. Система управления очистными сооружениями имеет следующие структуры: функциональная; организационная; информационная; программная; техническая.

Основой создания системы является функциональная структура, при этом остальные структуры определяются самой функциональной структурой. По функциональному признаку каждая системы управления подразделяется на три подсистемы:

оперативный контроль и управление технологическими процессами;

оперативное планирование технологических процессов;

расчет технико-экономических показателей, анализ и планирование работы системы водоотведения.

Кроме того, подсистемы могут быть разделены по критерию оперативности (длительности выполнения функций) на иерархические уровни. Группы однотипных функций одного уровня объединяются в блоки.

Рисунок 5 - Функциональная структура АСУ очистными сооружениями

Для повышения оперативности передачи данных, связи с диспетчерскими пунктами и управления водоотведением, а также процессами очистки сточной воды можно рекомендовать замену не всегда надёжной системы телефонной связи на оптоволоконную. При этом большинство процессов в автоматических системах управления водоотводящими сетями, насосными станциями и станциями очистки сточных вод будет выполняться на ЭВМ. Это также распространяется на учёт, анализ, расчёты перспективного планирования и работы, а также выполнение необходимых документов для отчётности о работе всех систем и сооружений водоотведения.

Для обеспечения бесперебойной работы систем водоотведения на основании учёта и анализа отчётности возможно осуществлять перспективное планирование, которое, в конечном итоге, повысит надёжность работы всего комплекса.

1.4 Анализ существующих аппаратных (логических программируемых контроллеров ПЛК) и программных средств

Программируемые логические контроллеры (ПЛК) уже десятилетия являются неотъемлемой частью систем автоматизации предприятий и систем управления технологическими процессами. Спектр приложений, в которых используют ПЛК, очень широк. Это могут быть как простые системы управления освещением, так и системы слежения за экологической обстановкой на химических заводах. Центральным блоком ПЛК является контроллер, к которому добавляются обеспечивающие требуемую функциональность компоненты, и который программируется на выполнение некой определённой задачи.

Производством контроллеров занимаются как известные производители электроники, например "Siemens", "Fujitsu" или "Motorola", так и фирмы специализирующиеся на выпуске управляющей электроники, например "Texas Instruments Inc.". Естественно все контроллеры отличаются не только по функциональности, но и по сочетанию цены и качества. Поскольку в данный момент микроконтроллеры фирмы "Siemens" являются самыми распространенными в Европе, их можно встретить как на производственных мощностях, так и на лабораторных стендах, то остановим свой выбор на немецком производителе.

Рисунок 6 - Логический модуль "LOGO"

Область применения: управление технологическим оборудованием (насосами, вентиляторами, компрессорами, прессами) системы отопления и вентиляции, конвейерные системы, системы управления дорожным движением, управление коммутационной аппаратурой и т.д.

Программирование контроллеров "Siemens" - модулей "LOGO!Basic" может выполняться с клавиатуры с отображением информации на встроенном дисплее.

Таблица 1 Технические характеристики

Напряжение питания/входное напряжение: номинальное значение~115 … 240 ВЧастота переменного тока~47 … 63 ГцПотребляемая мощность при напряжении питания~3.6 … 6.0 Вт/ ~230 ВДискретные входы: Количество входов: 8Входное напряжение: низкого уровня, не более высокого уровня, не менее 5 В 12 ВВходной ток: низкого уровня, не более высокого уровня, не менее ~0.03 мА ~0.08 мА/=0.12 мАДискретные выходы: Количество выходов 4Гальваническое разделениеестьПодключение дискретного входа в качестве нагрузкиВозможноАналоговые входы: Количество входов 4 (I1 и I2, I7 и I8)Диапазон измерений=0 … 10 ВМаксимальное входное напряжение=28.8 ВСтепень защиты корпусаIP 20Масса190 г

Процесс программирования контроллера "Siemens" сводится к программному соединению требуемых функций и заданию параметров настройки (задержек включения/выключения, значений счетчиков и т.д.). Для выполнения всех этих операций используется система встроенных меню. Готовая программа может быть переписана в модуль памяти, заключенный в интерфейс модуля "LOGO!".

Микроконтроллер "LOGO!", немецкой фирмы "Siemens", по всем техническим параметрам подходит.

Рассмотрим микроконтроллеры отечественного производства. В России в настоящее время не так много предприятий, которые занимаются выпуском микроконтроллерной техники. На данный момент успешным предприятием, специализирующемся на выпуске систем для автоматизации управления, является фирма " ОВЕН", имеющая в своем распоряжении производственные мощности в Тульской области. Эта фирма с 1992 года специализируется на выпуске микроконтроллеров и датчиковой аппаратуры.

Лидером микроконтроллеров фирмы "ОВЕН" является серия логических контроллеров ПЛК.

Рисунок 7 - Внешний вид ПЛК-150

ПЛК-150 может быть использован в различных сферах - начиная от создания систем управления малыми и средними объектами и заканчивая построением систем диспетчеризации. Пример Автоматизация системы водоснабжения здания с использованием контроллера ОВЕН ПЛК 150 и модуля вывода ОВЕН МВУ 8.

Рисунок 8 - Схема водоснабжения здания с использованием ПЛК 150

Рассмотрим основные технические параметры ПЛК-150. Общие сведения приведены в таблице.

Таблица 2 Общие сведения

Конструктивное исполнениеУнифицированный корпус для крепления на DIN&рейку (ширина 35 мм), длина 105 мм (6U), шаг клемм 7,5 ммСтепень защиты корпусаIP20Напряжение питания: ПЛК150&22090…264 В переменного тока (номинальное напряжение 220 В) частотой 47…63 ГцИндикация передней панели1 индикатор питания 6 индикаторов состояний дискретных входов 4 индикатора состояний выходов 1 индикатор наличия связи с CoDeSys 1 индикатор работы программы пользователяПотребляемая мощность6 Вт

Ресурсы логического контроллера ПЛК-150 приведены в таблице 3.

Таблица 3 Ресурсы

Центральный процессор32&x разрядный RISC&процессор 200 МГц на базе ядра ARM9Объем оперативной памяти8 МВОбъем энергонезависимой памяти хранения ядра CoDeSys программ и архивов4 МВРазмер Retain&памяти4 кВВремя выполнения цикла ПЛКМинимальное 250 мкс (нефиксированное), типовое от 1 мс

Информация о дискретных входах приведена в таблице 4.

Таблица 4 Дискретные входы

Количество дискретных входов6Гальваническая изоляция дискретных входовесть, групповаяЭлектрическая прочность изоляции дискретных входов1,5 кВМаксимальная частота сигнала, подаваемого на дискретный вход1 кГц при программной обработке 10 кГц при применении аппаратного счетчика и обработчика энкодера

Информация об аналоговых входах приведена в таблице 5.

Таблица 5 Аналоговые входы

Количество аналоговых входов4Типы поддерживаемых унифицированных входных сигналовНапряжение 0...1 В, 0...10 В, -50...+50 мВ Ток 0...5 мА, 0(4)...20 мА Сопротивление 0...5 кОмТипы поддерживаемых датчиковТермосопротивления: ТСМ50М, ТСП50П, ТСМ100М, ТСП100П, ТСН100Н, ТСМ500М, ТСП500П, ТСН500Н, ТСП1000П, ТСН1000Н Термопары: ТХК (L), ТЖК (J), ТНН (N), ТХА (K), ТПП (S), ТПП (R), ТПР (В), ТВР (А&1), ТВР (А&2)Разрядность встроенного АЦП16 битВнутреннее сопротивление аналогового входа: в режиме измерения тока в режиме измерения напряжения 0...10 В 50 Ом около 10 кОмВремя опроса одного аналогового входа0,5 сПредел основной приведенной погрешности измерения аналоговыми входами0,5 %Гальваническая изоляция аналоговых входовотсутствует

Программирование ПЛК-150 осуществляется при помощи профессиональной системы программирования CoDeSys v.2.3.6.1 и старше. CoDeSys это Controller Development System. Комплекс состоит из двух основных частей: среды программирования CoDeSys и системы исполнения CoDeSys SP. CoDeSys работает на компьютере и применяется при подготовке программ. Программы компилируются в быстрый машинный код и загружаются в контроллер. CoDeSys SP работает в контроллере, он обеспечивает загрузку и отладку кода, обслуживание ввода/вывода и прочие сервисные функции. Более 250 известных компаний изготавливают оборудование с CoDeSys. С ним ежедневно работают тысячи людей, решающих задачи промышленной автоматизации. На сегодняшний день CoDeSys - это самый распространенный комплекс МЭК программирования в мире. Практически он сам служит стандартом и образцом систем МЭК программирования.

Синхронизация ПЛК с персональным компьютером производится при помощи "COM" порта, который есть на каждом персональном компьютере.

Микроконтроллер фирмы "ОВЕН" отечественного производства подходит по всем параметрам. К нему можно подключать как аналоговые, так и цифровые измерительные устройства с унифицированными сигналами. Контроллер легко согласуется с персональным компьютером при помощи "COM" порта, есть возможность удаленного доступа. Возможно согласование ПЛК-150 с программируемыми логическими контроллерами других производителей. Программируется ПЛК-150 при помощи Controller Development System (CoDeSys), на языке программирования высокого уровня.

5 Выводы по первой главе

В данной главе были рассмотрены основы функционирования очистки сточных вод, анализ современных способов очистки и возможность автоматизации этих процессов.

Был произведен анализ существующих аппаратных средств (логических программируемых контроллеров ПЛК) и программных средств для управления технологическим оборудованием, при очистки сточных вод. Произведен анализ отечественных и зарубежных производителей микроконтроллеров.

2. Схемотехническая часть

Одной из важных функций автоматизации является: автоматический контроль и управление технологическими процессами, оборудованием насосных станций и очистных сооружений, создание автоматизированных рабочих мест для всех специальностей и профилей работы на основании современных технологий.

Основной функцией систем и сооружений водоотведения является повышение надежности работы сооружений путем контроля состояния оборудования и автоматической проверки достоверности информации и стабильности работы сооружений. Всё это способствуют автоматической стабилизации параметров технологических процессов и показателей качества очистки сточных вод, оперативной реакции на возмущающие воздействия (изменение количества отводимой сточной воды, изменение качества очищенной сточной воды). Конечной целью автоматизации является повышение эффективности управленческой деятельности.

Современные водоотводящие сети и насосные станции должны по возможности разрабатываться с управлением без постоянного присутствия обслуживающего персонала.

1 Разработка структурной схемы уровня воды для наполнения основного резервуара

Структурная схема системы автоматического контроля представлена на рисунке 9:

Рисунок 9 - Структурная схема

Справа структурной схемы изображен ПЛК-150. Справа от него изображен интерфейс подключения к локальной сети (Ethernet) для получения удаленного доступа к контроллеру. Сигнал передается цифровой. Посредством интерфейса RS-232 происходит согласование с персональным компьютером. Поскольку контроллер не требовательный к технической составляющей вычислительной машины, то для корректной работы всей системы в целом достаточно будет даже слабой "машины" типа Pentium 4 или аналогичных моделей. Сигнал между ПЛК-150 и персональным компьютером передается в цифровом виде.

2 Разработка функциональной схемы

Функциональная схема системы автоматического контроля уровня воды приведена на рисунке 10:

Рисунок 10 функиональная схема

Параметры передаточной функции объекта управления

Согласно техническому заданию имеем:

H= 3 [м]- высота трубы.

h0 = 1,0 [м]-заданный уровень.

Qп0 = 12000 [л/час]-номинальный расход.

d = 1,4 [м]-диаметр трубы.

Передаточная функция ОУ:

(1)

Рассчитаем численные значения передаточной функции.

Площадь сечения бака:

(2)

Номинальный поступающий расход:

(3)

Коэффициент передачи K:

(4)

Постоянная времени T:

(5)

Таким образом передаточная функция для объекта управления будет иметь вид:

(6)

Структура системы автоматического управления представлена на рисунке 0:

Рисунок 11 - Структурная схема САУ

Где: Кр.о.- коэффициент передачи регулирующего органа (РО) поступающего расхода Qпо;

Кд- коэффициент передачи датчика уровня h

Wp- передаточная функция автоматического регулятора

Расчет коэффициента усиления регулирующего органа Kр.о:

,

где - изменение поступающего потока;

изменение степени открытия клапана (в процентах).

Зависимость поступающего потока от степени открытия клапана изображено на рисунке 12:

Рисунок 12 - Зависимость поступающего потока от степени открытия клапана

Оценка коэффициента передачи датчика уровня

Коэффициент передачи датчика уровня определяется как отношение приращения выходного параметра датчика уровня i[мА] к входному параметру [m].

Максимальная высота уровня жидкости,которую должен измерять датчик уровня соответствует 1.5 метрам, а изменение токового унифицированного выходного сигнала датчика уровня при изменении уровня в диапазоне 0-1.5 метра соответствует 4-20 [мА].

(7)

Общепромышленные датчики уровня имеют встроенную функцию сглаживания выходного сигнала инерционным фильтром-звеном первого порядка с устанавливаемой постоянной времени Tф в диапазоне от единиц до десятков секунд. Выбираем постоянную времени фильтра Тф=10 с .

Тогда передаточная функция датчика уровня равна:

(8)

Структура системы управления примет вид:

Рисунок 13 - структура системы управления

Упрощенная структура системы управления с численными значениями:

Рисунок 14 - упрощенная структура систему управления

Логарифмические амплитудно-фазовые частотные характеристики неизменяемой части системы

ЛАФЧХ неизменяемой части САУ строятся приближенным методом, состоящим в том, что для звена с передаточной функцией:

(9)

в логарифмической сетке координат до частоты 1/Т, где Т=56 с - постоянная времени, ЛАЧХ имеет вид прямой, параллельной частотной оси на уровне 20 lg K=20 lg0.43=-7,3 дб, а для частот,больших 1/Т, ЛАЧХ имеет вид прямой линии с наклоном -20дб/дек до сопрягающей частоты 1/Тф, где наклон изменяется дополнительно на -20дб/дек и составляет -40 дб/дек.

Сопрягающие частоты:

(10)

(11)

Таким образом имеем:

Рисунок 15 - ЛАФЧХ исходной разомкнутой системы

2.3 Расчет регулирующего органа для поступающего и отходящего расходов

Произведем выбор регулирующего органа на основании условной пропускной способности Cv.

Вычисление величины Сv производится по международному стандарту DIN EN 60534 согласно следующей формуле:

(12)

где Q - расход [м3/ч], ρ - плотность жидкостей [кг/м3], Δp - разность давлений [бар] перед клапаном (Р1) и за клапаном (Р2) по направлению потока.

Тогда для регулирующего органа расхода Qп0 согласно исходным данным:

(13)

Для возможного изменения расхода Qп в процессе автоматического управления относительно его номинального значения Qп0 максимальное значение Qп принимаем в два раза больше номинального, то есть .

Диаметр проходного сечения для поступающего расхода вычисляется следующим образом:

(14)

Аналогично для отходящего расхода имеем:

(15)

(16)

2.4 Определение настроек регулятора. Синтез САУ

Построение ЛАФЧХ разомкнутой САУ исходит из следствия теории линейных систем заключающегося том, что если ЛАЧХ разомкнутой системы(состоящей из минимально - фазовых звеньев) имеет в области существенных частот (секторе, отсекаемом линиями ±20 дб наклон -20 дб/дек, то:

замкнутая САУ устойчива;

переходная функция замкнутой САУ близка к монотонной;

время регулирования

. (17)

Структура разомкнутой исходной системы с ПИ - регулятором:

Рисунок 16 - Структура исходной системы с ПИ-регулятором

Желаемый ЛАЧХ (Lж) простейшего вида разомкнутой САУ, которая бы в замкнутом виде удовлетворяла заданным показателям качества, должна иметь в окрестности существенных частот наклон ЛАЧХ равный -20дб/дек и пересечение с осью частот при:

(18)

В области низкочастотной асимптоты, для создания нулевой (согласно ТЗ) статической ошибки δст =0 частотные характеристик разомкнутой системы должны соответствовать интегратору по крайне мере 1-го порядка. Тогда естественно сформировать в этой области желаемую ЛАЧХ в виде прямой с наклоном -20 дб/дек. как продолжение Lж из области существенных частот. С целью упрощения реализации САУ высокочастотная асимптота должна соответствовать высокочастотной асимптоте неизменяемой части системы. Таким образом, желаемая ЛАЧХ разомкнутой системы представлена на рисунке 0:

Рисунок 17 - Желаемые ЛАФЧХ разомкнутой системы

Согласно принятой структуре промышленной САУ, единственным средством приведения ЛАФЧХ неизменяемой части Lнч к Lж является ПИ- регулятор с передаточной функцией ЛАФЧХ (при Кр=1)

Рисунок 18 - ЛАФЧХ ПИ-регулятора

На рисунке 14 видно, что для в области низких частот ЛАЧХ ПИ-регулятора соответствуют интегрирующему звену с отрицательным фазовым сдвигом -90град, а для частотные характеристики регулятора соответствуют усилительному звену с нулевым фазовым сдвигом в области существенных частот проектируемой системы при надлежащем выборе величины Ти.

Примем постоянную интегрирования регулятора равной постоянной времени Т объекта управления, т.е Ти = 56, при Кр =1. Тогда ЛАЧХ разомкнутой САУ примет вид L1=Lнч+Lпи, качественно соответствующий виду Lж на рисунке, но с меньшим коэффициентом усиления. Для совпадения ЛАЧХ проектируемой системы с Lж необходимо увеличить коэффициент усиления разомкнутой системы на 16 дб, т.е в 7 раз. Следовательно, настройки регулятора определены.

Рисунок 19 - Синтез САУ. Определение настроек регулятора

Такие же параметры настройки регулятора получаются, если из Lж графически вычесть Lнч и по виду ЛАЧХ получившегося последовательного корректора (ПИ регулятора) восстановить его передаточную функцию.

Как видно из рисунка 12 при Ти=Т=56 с, передаточная функция разомкнутой системы имеет вид , в составе которой имеет место интегрирующее звено. При построении ЛАЧХ, соответствующей Wp(p) коэффициент передачи Kp0,32/7850 должен численно соответствовать частоте пересечения ЛАЧХ с осью ω на частоте с-1, откуда с-1 или Kp=6,98.

При расчетных настройках регулятора САУ устойчива, имеет переходную функцию близкую к монотонной, время регулирования tр=56 с, статическая ошибка δст=0.

Датчиковая аппаратура

Измеритель 2ТРМ0 предназначен для измерения температуры теплоносителей и различных сред в холодильной технике, сушильных шкафах, печах различного назначения и другом технологическом оборудовании, а также для измерения других физических параметров (веса, давления, влажности и т. п.).

Рисунок 20 - Измеритель 2ТРМ0

Класс точности 0,5 (термопары)/0,25 (другие типы сигналов). Регулятор выпускается в корпусах 5 типов: настенном Н, монтаж на Дин-рейку Д и щитовых Щ1, Щ11, Щ2.

Рисунок 21 - Функциональная схема прибора ОВЕН 2 ТРМ 0.

Рисунок 22 - Габаритный чертёж измерительного прибора

Схема подключения прибора:

На рисунке приведена схема клеммной колодки прибора. На рисунках приведены схемы подключения прибора.

Рисунок 23 - Схема подключения прибора

Клеммная колодка прибора.

Многоканальный блок питания БП14 предназначен для питания стабилизированным напряжением 24 В или 36 В датчиков с унифицированным выходным токовым сигналом.

Блок питания БП14 выпускается в корпусе с креплением на DIN-рейку типа Д4.

Рисунок 28 -Блок питания

Основные функции:

Преобразование переменного (постоянного напряжения в постоянное стабилизированное в двух или четырех независимых каналах;

Ограничение пускового тока;

Защита от перенапряжения импульсных помех на входе;

Защита от перегрузки, короткого замыкания и перегрева;

Индикация о наличии напряжения на выходе каждого канала.

Рисунок 29 - Схема подключения двухканального блока питания БП14

Частота входного переменного напряжения 47...63 Гц. Порог срабатывания защиты по току (1,2...1,8) Imax. Суммарная выходная мощность 14 Вт. Количество выходных каналов 2 или 4. Номинальное выходное напряжение канала 24 или 36 В.

Рисунок 30 - Габаритный чертёж блока питания

Нестабильность выходного напряжения при изменении напряжения питания ±0,2 %.Нестабильность выходного напряжения при изменении тока нагрузки от 0,1 Imax до Imax ±0,2 %.Рабочий диапазон температур -20...+50 °C.Коэффициент температурной нестабильности выходного напряжения в рабочем диапазоне температур ±0,025 % / °C.Электрическая прочность изоляции- вход - выход (действующее значение)2 к.

САУ-М6 является функциональным аналогом приборов ESP-50 и РОС 301.

Рисунок 31 -Сигнализатор уровня

Рисунок 32 - Схема подключения САУ-М6

Сигнализатор уровня жидкости трехканальный ОВЕН САУ-М6 - предназначен для автоматизации технологических процессов, связанных с контролем и регулированием уровня жидкости.

Рисунок 33 - Функциональная схема САУ-М6

САУ-М6 является функциональным аналогом приборов ESP-50 и РОС 301.

Прибор выпускается в корпусе настенного крепления типа Н.

Функциональные возможности сигнализатора уровня

Три независимых канала контроля уровня жидкости в резервуаре

Возможность инверсии режима работы любого канала

Подключение различных датчиков уровня - кондуктометрических, поплавковых

Работа с различными по электропроводности жидкостями: дистиллированной, водопроводной, загрязненной водой, молоком и пищевыми продуктами (слабокислотными, щелочными и пр.)

Защита кондуметрических датчиков от осаждения солей на электродах благодаря питанию их переменным напряжением

Рисунок 34 - Габаритный чертёж

Технические характеристики прибора номинальное напряжение питания прибора 220 В частотой 50 Гц. Допустимые отклонения напряжения питания от номинального значения -15...+10 %. Потребляемая мощность, не более 6 ВА. Количество каналов контроля уровня - 3. Количество встроенных выходных реле - 3. Максимально допустимый ток, коммутируемый контактами встроенного реле 4 А при 220 В 50 Гц (cos > 0,4).

Рисунок 35 - Модуль дискретного ввода/вывода

Модуль дискретных входов и выходов для распределенных систем в сети RS-485 (протоколы ОВЕН, Modbus, DCON).

Модуль может использоваться совместно с программируемыми контроллерами ОВЕН ПЛК или др.МДВВ работает в сети RS-485 при наличии в ней "мастера", при этом сам МДВВ не является "мастером" сети.

дискретных входа для подключения контактных датчиков и транзисторных ключей n-p-n типа. Возможность использования любого дискретного входа(максимальная частота сигнала - 1 кГц)

Возможность генерации шим-сигнала любым из выходов

Автоматический перевод исполнительного механизма в аварийный режим работыпри нарушении сетевого обмена

Поддержка распрастранненых протоколов Modbus (ASCII, RTU), DCON, ОВЕН.

Рисунок - 36 Общая схема подключения прибора МДВВ

Рисунок 37 - Функциональная схема МДВВ

МЭОФ предназначены для перемещения рабочих органов запорно-регулирующей трубопроводной арматуры поворотного принципа действия (шаровые и пробковые краны, поворотные дисковые затворы, заслонки и пр.) в системах автоматического регулирования технологическими процессами различных отраслей промышленности в соответствии с командными сигналами, поступающими от регулирующих или управляющих устройств. Механизмы устанавливаются непосредственно на арматуру.

Рисунок 38 - Устройство механизма МЭОФ

Рисунок 39 - Габаритные размеры

Схема установки датчика Метран 100-ДГ 1541 при измерении гидростатического давления (уровня) в открытом резервуаре:

Рисунок 40 - Схема установки датчика

Принцип действия датчиков основан на использовании пьезоэлектрического эффекта в гетероэпитаксиальной пленке кремния, выращенной на поверхности монокристаллической пластины из искусственного сапфира.

Рисунок 41 -Внешний вид устройства

Чувствительный элемент с монокристаллической структурой кремния на сапфире является основой всех сенсорных блоков датчиков семейства "Метран".

Для лучшего обзора жидкокристаллического индикатора (ЖКИ)и для удобства доступа к двум отделениям электронного преобразователя последний может быть повернут относительно измерительного блока от установленного положения на угол не более 90° против часовой стрелки.

Рисунок 42 - Схема внешнего электрического соединения датчика:

Где X - клеммная колодка или разъем;

Rн - сопротивление нагрузки или суммарное сопротивление всех нагрузок в системе управления;

БП - источник питания постоянного тока.

2.5 Расчет параметров встроенного АЦП

Рассчитаем параметры встроенного АЦП микроконтроллера ПЛК-150. К основным параметрам АЦП следует отнести максимальное входное напряжение Umax, число разрядов кода n, разрешающую способность ∆ и погрешность преобразования.

Разрядность АЦП определяется по формуле:

Log2N, (19)

где N - число дискрет (квантовых уровней);

Так как АЦП встроено в выбранный контроллер ПЛК-150, то имеем n=16. Разрешающая способность АЦП - входное напряжение, соответствующее единице в младшем разряде выходного кода:

(20)

где 2n - 1 - максимальный вес входного кода,

вх = Umax - Umin (21)

При Umax = 10В, Umin = 0В, n = 16,

(22)

Чем больше n, тем меньше и тем точнее выходным кодом может быть представлено входное напряжение.

Относительное значение разрешающей способности:

, (23)

где ∆ - наименьшая различимая ступенька входного сигнала.

Таким образом, ∆ - наименьшая различимая ступенька входного сигнала. Сигнал меньшего уровня АЦП не зарегистрирует. В соответствии с этим разрешающую способность отождествляют с чувствительностью АЦП.

Погрешность преобразования имеет статическую и динамическую составляющие. Статическая составляющая включает в себя методическую погрешность квантования ∆δк (дискретности) и инструментальную погрешность от не идеальности элементов преобразователей. Погрешность квантования ∆к обусловлена самим принципом представления непрерывного сигнала квантованными уровнями, отстоящими друг от друга на выбранный интервал. Ширина этого интервала и есть разрешающая способность преобразователя. Наибольшая погрешность квантования составляет половину разрешающей способности, а в общем случае:

(24)

Относительная наибольшая погрешность квантования:

(25)

Инструментальная погрешность не должна превышать погрешность квантования. При этом полная абсолютная статическая погрешность равна:

(26)

Полная относительная статическая погрешность может быть определена в виде:

(27)

Далее рассчитаем разрешающую способность встроенного ЦАП микроконтроллера ПЛК-150.Разрешающая способность ЦАП - выходное напряжение, соответствующее единице в младшем разряде входного кода: Δ=Umax/(2n-1), где 2n-1 - максимальный вес входного кода. При Umax = 10B, n = 10 (разрядность встроенного ЦАП) рассчитаем разрешающую способность ЦАП микроконтроллера:

(28)

Чем больше n, тем меньше Δ и тем точнее выходным напряжением может быть представлен входной код. Относительное значение разрешающей способности ЦАП:

(29

Рисунок 43 - Схема подключения

Рисунок 44 - Схема подключения

2.6 Вывод по второй главе

В данной главе была произведена разработка структурной и функциональной схемы. Произведен расчёт регулирующего органа, определение настроек регулятора и синтез САУ.

Параметры передаточной функции объекта управления. Подобранна датчиковая аппаратура. Так же был сделан расчёт параметров АЦП И ЦАП встроенного в микроконтроллер ОВЕН ПЛК 150.

1 Разработка алгоритма функционирования системы САК в среде CoDeSys

Профессиональная разработка систем промышленной автоматизации неразрывно связана с CoDeSys (Controller Development System). Основным назначением комплекса CoDeSys является разработка прикладных программ на языках стандарта МЭК 61131-3.

Комплекс состоит из двух основных частей: среды программирования CoDeSys и системы исполнения CoDeSys SP. CoDeSys работает на компьютере и применяется при подготовке программ. Программы компилируются в быстрый машинный код и загружаются в контроллер. CoDeSys SP работает в контроллере, он обеспечивает загрузку и отладку кода, обслуживание ввода/вывода и прочие сервисные функции.

Более 250 известных компаний изготавливают оборудование с CoDeSys. С ним ежедневно работают тысячи людей, решающих задачи промышленной автоматизации.

Разработка прикладного программного обеспечения для ПЛК-150, как и множества других контроллеров, производится на персональном компьютере в среде CoDeSys под управлением Microsoft Windows. Генератор кода непосредственно компилирует программу пользователя в машинные коды, что обеспечивает высочайшее быстродействие контроллера. Система исполнения и отладки, генератор кода и библиотеки функциональных блоков специально адаптированы на архитектуру контроллеров серии ПЛК.

Средства отладки включают просмотр и редактирование входов-выходов и переменных, выполнение программы по циклам, контроль исполнения алгоритма программы в графическом представлении, графическую трассировку значений переменных по времени и по событиям, графическую визуализацию и имитацию технологического оборудования.

Главное окно CoDeSys состоит из следующих элементов (в окне они расположены сверху вниз):

) Панель инструментов. На ней находятся кнопки для быстрого вызова команд меню.

) Организатор объектов, имеющий вкладки POU, Типы данных (Data types), Визуализации (Visualizations) и Ресурсы (Resources).

) Разделитель Организатора объектов и рабочей области CoDeSys.

) Рабочая область, в которой находится редактор.

) Окно сообщений.

) Строка статуса, содержащая информацию о текущем состоянии проекта.

Панель инструментов, окно сообщений и строка статуса не являются обязательными элементами главного окна.

Меню находится в верхней части главного окна. Оно содержит все команды CoDeSys. Внешний вид окна изображен на рисунке 45.

Рисунок 45 - Внешний вид окна

Кнопки на панели инструментов обеспечивают более быстрый доступ к командам меню.

Вызванная с помощью кнопки на панели инструментов команда автоматически выполняется в активном окне.

Команда выполнится, как только нажатая на панели инструментов кнопка будет отпущена. Если вы поместите указатель мышки на кнопку панели инструментов, то через небольшой промежуток времени увидите название этой кнопки в подсказке.

Кнопки на панели инструментов различны для разных редакторов CoDeSys. Получить информацию относительно назначения этих кнопок можно в описании редакторов.

Панель инструментов можно отключить, рисунок 46.

Рисунок 46 - Панель инструментов

Общий вид окна программы CoDeSys выглядит следующим образом, рисунок 47.

Рисунок 47 - Окно программы CoDeSys

Блок-схема алгоритма функционирования в среде CoDeSys изображена на рисунке 48.

Рисунок 48 - Блок схема функционирования в среде CoDeSys

Как видно из блок-схемы, после включения микроконтроллера в него загружается программа, происходит инициализация переменных, чтение входов и опрос модулей. Так же есть выбор переключения между автоматическим и ручным режимом. В ручном режиме есть возможность управление клапаном и управление МЭОФ. Затем происходит запись выходных данных и формирование посылок по последовательным интерфейсам. После чего алгоритм зацикливается на чтение входов либо происходит окончание работы.

2 Разработка программы в среде CoDeSys

Запускаем Codesys и создаем новый проект на языке ST. Тарджет-файл для ARM9 на персональном компьютере уже установлен, он автоматически выбирает нужную библиотеку. Связь с контроллером налажена.

reg_for_meof:VALVE_REG; (*регулятор для управления ПДЗ*)

K,b:REAL; (*коэффициенты кривой регулирования*)

timer_for_valve1: TON; (*таймер аварийного отключения*)

safety_valve_rs_manual: RS;(*для ручного управления клапаном*)

reference:REAL; (*задание угла поворота ПДЗ*)_VAR

(*при наладке фиксируем сигнал с датчика положения МЭОФ и рассчитываем значения ain low ain high, изначально примем что датчик 4-20 миллиампер и при 4 ма - ПДЗ полностью закрыт (0%), а при 20 ма - полность открыт (100%) - настраивается в конфигурации ПЛК *)NOT auto_mode THEN (*если не автоматический режим*)_open:=manual_more; (*открываем по нажатию кнопки*)_close:=manual_less; (*закрываем по нажатию кнопки*)

safety_valve_rs_manual(SET:=valve_open , RESET1:=valve_close , Q1=>safety_valve); (*управление аварийным клапаном*)

(*при наладке фиксируем сигнал с датчика давления и рассчитываем значения ain low ain high, изначально примем что датчик 4-20 миллиампер и при 4 ма - резервуар пуст (0%), а при 20 ма - полон (100%) - настраивается в конфигурации ПЛК *)

IF pressure_sensor< WORD_TO_REAL(w_reference1) THEN reference:=100; END_IF; (*если уровень меньше "w_reference1", то открываем заслонку на 100%*)

IF pressure_sensor> WORD_TO_REAL(w_reference1) THEN (*задаём угол поворота - уменьшаем пропорционально росту уровня "датчик давления" --- угол =К*уровень+b *)

K:=(-100/(WORD_TO_REAL(w_reference2-w_reference1)));

b:=100-K*(WORD_TO_REAL(w_reference1));

reference:=K*pressure_sensor+b;

(*таймер для управления аварийной заслонкой*)

timer_for_valve1(

IN:=(pressure_sensor> WORD_TO_REAL(w_reference2)) AND high_level_sensor ,

(*условие открытия аварийного клапана*)

IF timer_for_valve1.Q

reference:=0; (*закрываем МЭОФ*)

safety_valve:=TRUE; (*открываем аварийный клапан*)

safety_valve:=FALSE;

(*регулятор для управления заслонкой*)_for_meof(

IN_VAL:=reference ,

POS:=MEOF_position ,

DBF:=2 , (*чувствительность регулятора*)

ReversTime:=5 , (*не более 600 включений*)

MORE=>MEOF_open ,

LESS=>MEOF_close ,

FeedBackError=>);_IF;

(*преобразование данных для отображения в скаде*)

w_MEOF_position:=REAL_TO_WORD(MEOF_position);_level:=REAL_TO_WORD (pressure_sensor);

(*индикация режима для заливки кнопок авто-ручн*)_out:=auto_mode;

(*индикация выхода для заливки кнопок закр/откр аварийный клапан*)_out:=safety_valve;

3.3 Разработка интерфейса визуального отображения измерительной информации

Для разработки интерфейса визуального отображения была выбрана программа Trace Mode 6, т.к. она обладает всеми нужными нам функциями и характеристиками:

имеет довольно широкий спектр возможностей для имитации технологических процессов на графическом экране;

доступны все стандартные языки программирования для SCADA-систем, контроллеров;

дружественный графический интерфейс;

довольно простое подключение к программируемому логическому контроллеру;

доступная полная версия данной системы на сайте производителя.race Mode 6 предназначена для автоматизации промышленных пред-приятий, энергетических объектов, интеллектуальных зданий, объектов транспорта, систем энергоучета и т.д.

Масштаб систем автоматизации, создаваемых в Trace Mode, может быть любым - от автономно работающих управляющих контроллеров и рабочих мест операторов, до территориально распределенных систем управления, включающих десятки контроллеров, обменивающихся данными с использованием различных коммуникаций - локальная сеть, интранет/интернет, последовательные шины на основе RS-232/485, выделенные и коммутируемые телефонные линии, радиоканал и GSM-сети.

Интегрированная среда разработки проекта в программе Trace Mode показана на рисунке 49.

Рисунок 49 - Интегрированная среда разработки Trace Mode 6

Навигатор проекта позволяет осуществлять быстрый переход между подпунктами проекта. При наведении курсора на один из пунктов появляется комментарий, который позволяет понять содержимое.

Рисунок 50 - Навигатор проекта

Мнемосхема проекта, накопительного бака первой ступени очистки сточных вод показана на рисунке 0. Она включает в себя:

Панель управления (возможность выбора режима управления, возможность регулирования заслонок);

Отображение угла поворота ПДЗ;

Индикацию уровня воды в баке;

Аварийный сброс (при переполнении воды в баке);

График отслеживания измерительной информации (состояния уровня воды и положение заслонки отображаются на графике).

Рисунок 51 - Мнемосхема накопительного бака

Под полем "Положение ПДЗ" отображается фактический угол поворота заслонки (0-100%), что позволяет более точно отслеживать измерительную информацию.

Рисунок 52 - Положение ПДЗ

Стрелочки слева от резервуара меняют цвет с серого на зелёный при срабатывание сходов ПЛК (сигнал с САУ), т.е. если стрелочка зеленая то уровень воды выше чем датчик.

Ползунок на шкале - индикатор уровня (по датчику давления метран) (0-100%).

Рисунок 53 - Индикатор уровня

Управление может осуществляться в двух режимах:

) Автоматическое.

При выборе режима цвет соответствующей кнопки меняет цвет с серого на зеленый и этот режим становится активным для пользования.

Кнопки "Открыть" и "Закрыть" используются для управления клапанами в ручном режиме.

В автоматическом режиме есть возможность выставлять задания, от которых будет зависеть угол поворота ПДЗ.

Справа от поля "задание 1" вводится уровень в резервуаре, при котором начнёт уменьшаться угол поворота ПДЗ.

Справа от поля "задание 2" вводится уровень в резервуаре, при котором ПДЗ будет полностью закрыт.

Так же в автоматическом режиме работает аварийный клапан на случаи возможного перелива воды. Аварийный клапан открывается при условии превышения уровня выше "задание 2" и при срабатывание датчика верхнего уровня (САУ) в течении 10 секунд.

Рисунок 54 - Аварийный сброс

Для удобства отслеживания измерительной информации, состояния уровня воды и положение заслонки отображаются на графике. Синий линией отображается уровень воды в баке, а красной положение заслонки.

Рисунок 55 - График уровня и положения заслонки

4 Выводы по третьей главе

В третьей главе была произведена разработка алгоритма функционирования системы в среде CoDeSys, построена блок-схема функционирования системы и разработан программный модуль ввода/вывода информации в АСУТП.

Так же был разработан интерфейс визуального отображения измерительной информации с помощью программы Trace Mode 6, для системы автоматического контроля.

4. Организационно - экономическая часть

1 Экономическая эффективность АСУТП

Экономическая эффективность - результативность экономической системы, выражающаяся в отношении полезных конечных результатов ее функционирования к затраченным ресурсам.

Эффективность производства складывается из эффективности всех действующих предприятий. Эффективность предприятия характеризуется производством товара или услуги с наименьшими издержками. Она выражается в его способности производить максимальный объем продукции приемлемого качества с минимальными затратами и продавать эту продукцию с наименьшими издержками. Экономическая эффективность предприятия в отличие от его технической эффективности зависит от того, насколько его продукция соответствует требованиям рынка, запросам потребителей.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами обеспечивают повышение эффективности производства за счёт повышения производительности труда, увеличения объёма производства, улучшения качества выпускаемой продукции, рационального использования основных фондов, материалов и сырья и уменьшения числа работающих на предприятии. Внедрение СУ отличается от обычных работ по внедрению новой техники тем, что оно позволяет перевести производственный процесс на качественно новую ступень развития, характеризуемую более высокой организацией (упорядоченностью) производства.

Качественное улучшение организации производства обусловлено значительным увеличением объёма обрабатываемой в СУ информации, резким увеличением скорости её обработки и применением для выработки управляющих решений более сложных методов и алгоритмов, чем те, которые использовали до внедрения АСУТП.

Экономический эффект, получаемый от внедрения одной и той же системы, зависит от уровня организованности производства (стабильности и настроенности технологического процесса (ТП)) до и после внедрения АСУТП, т. е. может быть различным для разных предприятий.

Обоснование разработки (или внедрения) новой техники начинается с технической оценки, путем сравнения проектируемой конструкции с лучшим из существующих отечественных и зарубежных образцов. Высокая экономическая эффективность нового прибора или устройства достигается путем закладки в его проект прогрессивных технических решений. Они могут быть выражены системой технических и эксплуатационных показателей, характеризующих данный вид прибора. Прогрессивные технические показатели являются базой для достижения высокой экономической эффективности - конечного критерия оценки новой техники. Это не умаляет значения технических показателей при оценке экономической эффективности.

Обычно экономические показатели эффективности новой техники немногочисленны и едины для всех отраслей промышленности, а технические показатели специфичны для каждой отрасли и количество их может быть очень велико с тем, чтобы всесторонне характеризовать технические параметры изделий. Технические показатели выявляют в какой мере новый прибор удовлетворяет потребность в выпуске продукции или в производстве работ, а также в какой мере он увязан с другими машинами, которые применяются или проектируются для того же процесса.

Прежде чем приступить к проектированию (или внедрению) необходимо детально и всесторонне ознакомиться, для какой цели создается (внедряется) прибор, изучить технологический процесс, в котором он будет использоваться, и получить четкое представление об объеме работ, подлежащих выполнению новым изделием. Все это должно найти свое отражение в технической оценке новой машины (прибора) изделия.

Оценка деятельности предприятия должна учитывать результаты и затраты производства. Однако практика показывает, что оценка производственных звеньев только с помощью показателей результатно-затратного подхода не всегда нацеливает их на достижение высоких конечных результатов деятельности, изыскание внутренних резервов и на деле не способствует повышению общей эффективности.

2 Расчет основных затрат на систему управления

При определении экономической эффективности внедрения средств механизации и автоматизации должны быть получены ответы на следующие вопросы:

насколько технически и экономически прогрессивны предлагаемые средства механизации и автоматизации и должны ли они быть приняты к внедрению;

какова величина эффекта, от внедрения в производство.

Основные затраты на создание СУ состоят, как правило, из затрат на предпроектные и проектные работы Sn и затрат Sоб на приобретение специального оборудования, устанавливаемого в СУ. При этом в стоимость проектных работ включают помимо расходов, связанных с разработкой проекта, и затраты на разработку математического обеспечения и внедрение СУ, а в стоимость оборудования - помимо стоимости средств управляющей вычислительной техники, устройств подготовки, передачи и отображения информации, стоимость тех узлов технологического оборудования, модернизация или разработка которых вызвана условиями работы оборудования в системе ТП - АСУТП. Кроме затрат на создание СУ предприятие несёт ещё и затраты на её эксплуатацию. Таким образом, годовые затраты на СУ:

(30)

где Т - время эксплуатации; обычно Т = 5 - 7 лет; - годовые эксплуатационные затраты, руб.

Эксплуатационные затраты на СУ:

(31)

где - годовой фонд заработной платы персонала, обслуживающего СУ, руб.; - амортизационные отчисления и плата за фонды, руб.; - затраты на коммунальные услуги (электроэнергию, воду и т.п.), руб.; - годовые затраты на материалы и комплектующие изделия, руб.

Амортизационные отчисления и плата за фонды:

(32)

где - стоимость оборудования i-го типа, руб.; - коэффициент амортизационных отчислений по i-му типу оборудования; - коэффициент отчислений за фонды.

Годовой фонд заработной платы персонала, обслуживающего СУ:

(33)

где - время работы обслуживающего персонала за год, ч; - средняя часовая ставка обслуживающего персонала, руб.; - коэффициент цеховых накладных расходов; m′ - численность обслуживающего СУ и специализированные устройства технологического оборудования персонала, чел.

Смета затрат на систему управления включает в себя следующие статьи расходов:

затраты на основное оборудование;

затраты на дополнительное оборудование;

заработная плата рабочих;

отчисления на социальные нужды;

стоимость машинного времени;

накладные расходы.

Основная заработная плата исполнителей Сосн, руб, определяется по формуле:

Сосн = Тож * tс * b, (34)

где tс - продолжительность рабочего дня, ч (tс = 8 ч);- стоимость 1 чел-ч (определяется делением месячного оклада на количество часов, подлежащих отработке в месяц), руб-ч.

Средняя стоимость 1 чел-ч составляет 75 руб

Трудоемкость работ составляет 30,8 чел-дней.

Сосн = 30.8 * 8 * 75 = 18480 руб. (35)

Дополнительная заработная плата Сдоп, руб, принимается в размере 15 % от основной заработной платы.

Сдоп = 0,15 * 18 480 = 2772 руб.

Отчисления на социальные нужды Сотч, руб, рассчитываются от суммы основной и дополнительной заработной платы в размере 26,2 %

Сотч = 0,262 * (Сосн + Сдоп), (36)

Сотч = 0,262 * (18480 + 2772) = 5568 руб.

Затраты на материалы См составляют:

С1 - стоимость Микроконтроллера ПЛК-150 (средняя стоимость 10000 руб.);

С2 - стоимость блока питания (средняя стоимость 1800 руб.);

С3 - стоимость датчиковой аппаратуры (средняя стоимость 4000 руб.);

С4 - стоимость ПК (средняя стоимость ПК 15000 руб, Pentium DC E6700, GA-EG41MFT-US2H,2 x 2GB,500Gb);

С5 - прочие расходы (расходные материалы, провода, крепления и т.д.);

См = С1 + С2 + С3 + С4 + С5

С1 =10000 руб.

С2 = 1800 руб.

С3 = 4000 руб.

С4 = 15000 руб.

С5 = 9000 руб.

См =10000+1800+4000+15000+9000= 39800 руб.

Машинное время - период, в течение которого машина (агрегат, станок и т. п.) выполняет работу по обработке или перемещению изделия без непосредственного воздействия на него человека.

Стоимость машинного времени определяется по формуле:

Смв = Тмаш * Цмч, (37)

где Тмаш - время использования технических средств, ч;

Цмч - стоимость машино-часа, которая включает амортизацию технических средств, затраты на техническое обслуживание и ремонт, стоимость электроэнергии, руб-ч.

Время использования технических средств равно трудоемкости работы исполнителей и составляет 412 ч.

Стоимость машино-часа Цмч составляет 17 руб.

Смв = 412 * 17 = 7004 руб.

Накладные расходы Снак включают в себя все затраты, связанные с управлением и хозяйственным обслуживанием. Таковых расходов в данном случае нет.

Смета затрат на разработку автоматизированной системы предприятия представлена в таблице 0.

Таблица 6 - Затраты на разработку

Статья расходовСумма, руб.Процент к итогуЗатраты на материалы39800 54.2Основная заработная плата1848025.1Дополнительная заработная плата27723.7Отчисления на социальные нужды55687.5Стоимость машинного времени70049.5Всего73624100

Таким образом, затраты, на систему управления, составляют 73 624 рублей.

Рисунок 56 - Основные затраты на систему управления

3 Организация процессов производства

Организация производственных процессов состоит в объединении людей, орудий и предметов труда в единый процесс производства материальных благ, а также в обеспечении рационального сочетания в пространстве и во времени основных, вспомогательных и обслуживающих процессов. Одним из основных аспектов формирования производственной структуры является обеспечение взаимосвязанного функционирования всех составляющих производственного процесса: подготовительных операций, основных производственных процессов, технического обслуживания. Необходимо всесторонне обосновать наиболее рациональные для конкретных производственно-технических условий организационные формы и методы осуществления тех или иных процессов.

Принципы организации производственного процесса представляют собой исходные положения, на основе которых осуществляются построение, функционирование и развитие производственных процессов.

Принцип дифференциации предполагает разделение производственного процесса на отдельные части (процессы, операции) и их закрепление за соответствующими подразделениями предприятия. Принципу дифференциации противостоит принцип комбинирования, который означает объединение всех или части разнохарактерных процессов по изготовлению определенных видов продукции в пределах одного участка, цеха или производства. В зависимости от сложности изделия, объема производства, характера применяемого оборудования производственный процесс может быть сосредоточен в каком-либо одном производственном подразделении (цехе, участке) или рассредоточен по нескольким подразделениям.

Принцип концентрации означает сосредоточение определенных производственных операций по изготовлению технологически однородной продукции или выполнению функционально-однородных работ на отдельных рабочих местах, участках, в цехах или производствах предприятия. Целесообразность концентрации однородных работ на отдельных участках производства обусловлена следующими факторами: общностью технологических методов, вызывающих необходимость применения однотипного оборудования; возможностями оборудования, например обрабатывающих центров; возрастанием объемов выпуска отдельных видов продукции; экономической целесообразностью концентрации производства определенных видов продукции или выполнения однородных работ.

Принцип пропорциональности заключается в закономерном сочетании отдельных элементов производственного процесса, которое выражается в определенном количественном соотношении их друг с другом. Так, пропорциональность по производственной мощности предполагает равенство мощностей участков или коэффициентов загрузки оборудования. В этом случае пропускная способность заготовительных цехов соответствует потребности в заготовках механических цехов, а пропускная способность этих цехов - потребности сборочного цеха в необходимых деталях. Отсюда вытекает требование иметь в каждом цехе оборудование, площади, рабочую силу в таком количестве, которое обеспечивало бы нормальную работу всех подразделений предприятия. Такое же соотношение пропускной способности должно существовать и между основным производством, с одной стороны, и вспомогательными и обслуживающими подразделениями - с другой.

4.4 Вывод по пятой главе

В данной главе в соответствии с заданием на дипломный проект была определена экономическая эффективность внедрения АСУТП. Так же были рассмотрены основные положения и был произведен расчёт основных затрат на систему управления.

5. Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды

1 Безопасность жизнедеятельности

При создании сложных автоматизированных систем управления все чаще практикуют системное проектирование, на ранних стадиях которого поднимаются вопросы безопасности рабочего места и эргономического обеспечения, таящего в себе большие резервы повышения эффективности и надежности всей системы. Это связано с всесторонним учетом человеческого фактора в процессе его пребывания на рабочем месте. Основной задачей мер безопасности является ограждение здоровья человека от вредных факторов, таких как поражение электрическим током, недостаточная освещенность, повышенный уровень шума на рабочем месте, повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны, повышенная или пониженная влажность воздуха, повышенная или пониженная подвижность воздуха. Все это достигается в результате проведения и выполнения комплекса взаимосвязанных по значению, логике и последовательности процедур и мероприятий, осуществляемых в ходе разработки системы человек-машина и при ее эксплуатации. Тема дипломного проекта - "Автоматизированная система управления процессом очистки сточных вод после автомойки с разработкой программного модуля для микроконтроллера ОВЕН". В связи со спецификой данного рабочего места, на предприятии осуществляется очистка сточных вод с помощью хлора, а хлор относится к аварийно химически опасным веществам (АХОВ).

Поэтому, для обеспечения сохранности здоровья и высокой производительности труда, необходимо исследовать опасные и вредные факторы при работе на предприятии с вероятностью выбросов АХОВ.

Опасные и вредные факторы при работе с АХОВ

Отравление аварийными химически опасными веществами (АХОВ) при авариях и катастрофах происходит при попадании АХОВ в организм через органы дыхания и пищеварения, кожные покровы и слизистые оболочки. Характер и тяжесть поражений определяются следующими основными факторами: видом и характером токсического действия, степенью токсичности, концентрацией химических веществ на пострадавшем объекте (территории) и сроками воздействия на человека.

Вышеуказанные факторы будут определять и клинические проявления поражений, которыми в начальный период могут быть:

)явления раздражения - кашель, першение и боль в горле, слезотечение и резь в глазах, боли в груди, головная боль;

)нарастание и развитие явлений со стороны центральной нервной системы (ЦНС) - головная боль, головокружение, чувство опьянения и страха, тошнота, рвота, состояние эйфории, нарушение координации движений, сонливость, общая заторможенность, апатия и т.п.

Защита от опасных и вредных факторов

Для предотвращения выброса хлора, на предприятии должны чётко соблюдаться правила техники безопасности, проводиться инструктаж при обращении с АХОВ и проводиться контроль к допуску опасных веществ.

На предприятии должны быть средства защиты в случае аварийных ситуаций. Одним из таких средств защит является противогаз ГП-7.Противогаз предназначен для защиты органов дыхания, зрения и лица человека от отравляющих веществ, биологических аэрозолей и радиоактивной пыли (ОВ, БА и РП).

Рисунок 57 - Противогаз ГП-7

Противогаз ГП-7: 1 - лицевая часть; 2 - фильтрующе-поглощающая коробка; 3 - трикотажный чехол; 4 - узел клапана вдоха; 5 - переговорное устройство (мембрана); 6 - узел клапанов выдохов; 7 - обтюратор; 8 - наголовник (затылочная пластина); 9 - лобная лямка; 10 - височные лямки; 11 - щёчные лямки; 12 - пряжки; 13 - сумка.

Противогаз ГП-7 - одна из последних и самых совершенных моделей противогазов для населения. Обеспечивает высокоэффективную защиту от паров отравляющих, радиоактивных, бактериальных, аварийных химически опасных веществ (АХОВ). Имеет малое сопротивление дыханию, обеспечивает надёжную герметизацию и небольшое давление лицевой части на голову. Благодаря этому им могут пользоваться люди старше 60 лет и больные с легочными и сердечно сосудистыми заболеваниями.

Рисунок 58 - время защитного действия ГП-7

Рисунок 59 - Технические характеристики ГП-7

Действия при аварии с выбросом хлора

При получении информации об аварии с АХОВ наденьте средства защиты органов дыхания, средства защиты кожи (плащ, накидка), покиньте район аварии в направлении, указанном в сообщении по радио (телевидению).

Выходить из зоны химического заражения следует в сторону, перпендикулярную направлению ветра. При этом избегайте перехода через туннели, овраги и лощины - в низких местах концентрация хлора выше.

Если из опасной зоны выйти невозможно, останьтесь в помещении и произведите его экстренную герметизацию: плотно закройте окна, двери, вентиляционные отверстия, дымоходы, уплотните щели в окнах и на стыках рам и поднимитесь на верхние этажи здания.

Рисунок 60 - Схема эвакуации от зоны заражения

Выйдя из опасной зоны, снимите верхнюю одежду, оставьте ее на улице, примите душ, промойте глаза и носоглотку.При появлении признаков отравления: покой, теплое питье, обратитесь к врачу.

Признаки отравления хлором: резкая боль в груди, сухой кашель, рвота, резь в глазах, слезотечение, нарушение координации движений.

Средства индивидуальной защиты: противогазы всех типов, марлевая повязка, смоченная водой или 2% раствором соды (1 чайная ложка на стакан воды).

Неотложная помощь: вынести пострадавшего из опасной зоны (транспортировка только лежа), освободить от одежды, стесняющей дыхание, обильное питье 2% раствора соды, промывание глаз, желудка, носа этим же раствором, в глаза - 30% раствор альбуцида. Затемнение помещения, темные очки.

5.2 Охрана окружающей среды

Здоровье человека напрямую зависит от окружающей среды, и в первую очередь от качества воды, которую он пьёт. Качество воды влияет на жизнедеятельность человеческого организма, его работоспособность и общее самочувствие. Недаром, экологии и, в частности, проблеме чистой воды уделяется так много внимания.

В наше время развитого технического прогресса всё больше и больше загрязняется окружающая среда. Особенно опасно загрязнение сточных вод промышленными предприятиями.

Наиболее широко распространенными загрязнителями сточных вод являются нефтепродукты - неидентифицированная группа углеводородов нефти, мазута, керосина, масел и их примесей, которые вследствие их высокой токсичности, принадлежат, по данным ЮНЕСКО, к числу десяти наиболее опасных загрязнителей окружающей среды. Нефтепродукты могут находиться в растворах в эмульгированном, растворенном виде и образовывать на поверхности плавающий слой.

Факторы загрязнений сточных вод нефтепродуктами

Одним из загрязнителей окружающей среды являются нефтесодержащие сточные воды. Они образуются на всех технологических этапах добычи и использования нефти.

Генеральным направлением решения проблемы предотвращения загрязнения окружающей среды является создание безотходных, малоотходных, бессточных и малосточных производств. В связи с этим при приемке, хранении, транспортировке и выдаче потребителям нефтепродуктов надлежит принимать все необходимые меры по предотвращению или максимально возможному сокращению их потерь. Данная задача должна решаться путем совершенствования технических средств и технологических приемов переработки нефти и нефтепродуктов на нефтебазах и перекачивающих станциях. Наряду с этим полезную роль могут выполнять местные сборные устройства различного назначения, позволяющие собирать проливы или протечки продуктов в чистом виде, не допуская их удаления с помощью воды.

При ограниченных возможностях использования вышеупомянутых средств на нефтебазах образуются сточные воды, загрязненные нефтепродуктами. В соответствии с требованиями существующих нормативных документов они подлежат довольно глубокой очистке. Технология очистки нефтесодержащих вод определяется фазоводисперсным состоянием образовавшейся системы нефтепродукт - вода. Поведение нефтепродуктов в воде обусловлено, как правило, меньшей их плотностью по сравнению с плотностью воды и чрезвычайно малой растворимостью в воде, которая для тяжелых сортов близка к нулю. В связи с этим основными методами очистки воды от нефтепродуктов являются механические и физико-химические. Из механических методов наибольшее применение нашло отстаивание, в меньшей мере - фильтрование и центрифугирование. Из физико-химических методов серьезное внимание привлекает флотация, которую иногда относят и к механическим методам.

Очистка сточных вод от нефтепродуктов отстойниками и песколовками

Песколовки предназначены для выделения механических примесей с размером частиц 200-250 мкм. Необходимость предварительного выделения механических примесей (песка, окалины и др.) обуславливается тем, что при отсутствии песколовок эти примеси выделяются в других очистных сооружениях и тем самым усложняют эксплуатацию последних.

Принцип действия песколовки основан на изменении скорости движения твердых тяжелых частиц в потоке жидкости.

Песколовки делятся на горизонтальные, в которых жидкость движется в горизонтальном направлении, с прямолинейным или круговым движением воды, вертикальные, в которых жидкость движется вертикально вверх, и песколовки с винтовым (поступательно-вращательным) движением воды. Последние в зависимости от способа создания винтового движения разделяются на тангенциальные и аэрируемые.

Самые простейшие горизонтальные песколовки представляют собой резервуары с треугольным или трапециидальным поперечным сечением. Глубина песколовок 0,25-1 м. Скорость движения воды в них не превышает 0,3 м/с. Песколовки с круговым движением воды изготавливаются в виде круглого резервуара конической формы с периферийным лотком для протекания сточной воды. Осадок собирается в коническом днище, откуда его направляют на переработку или отвал. Применяются при расходах до 7000 м3/сут. Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму, в них сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0,05 м/с.

Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации взвешенных веществ. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки. Из опыта работы нефтебаз следует, что горизонтальные песколовки необходимо очищать не реже одного раза в 2-3 суток. При очистке песколовок обычно применяют переносный или стационарный гидроэлеватор.

Отстаивание - наиболее простой и часто применяемый способ выделения из сточных вод грубо дисперсных примесей, которые под действием гравитационной силы оседают на дне отстойника или всплывают на его поверхности.

Нефтетранспортные предприятия (нефтебазы, нефтеперекачивающие стан-ции) оборудуют различными отстойниками для сбора и очистки воды от нефти и нефтепродуктов. Для этой цели обычно используют стандартные стальные или железобетонные резервуары, которые могут работать в режиме резервуара-накопителя, резервуара-отстойника или буферного резервуара в зависимости от технологической схемы очистки сточных вод.

Исходя из технологического процесса, загрязненные воды нефтебаз и нефтеперекачивающих станций неравномерно поступают на очистные сооружения. Для более равномерной подачи загрязненных вод на очистные сооружения служат буферные резервуары, которые оборудуют водораспределительными и нефтесборными устройствами, трубами для подачи и выпуска сточной воды и нефти, уровнемером, дыхательной аппаратурой и т.д. Так как нефть в воде находится в трех состояниях (легко-, трудноотделимая и растворенная), то попав в буферный резервуар, легко- и частично трудноотделимая нефть всплывает на поверхность воды. В этих резервуарах отделяют до 90-95% легко отделимых нефтей. Для этого в схему очистных сооружений устанавливают два и более буферных резервуара, которые работают периодически: заполнение, отстой, выкачка. Объем резервуара выбирают из расчета времени заполнения, выкачки и отстоя, причем время отстоя принимают от 6 до 24 ч. Таким образом, буферные резервуары (резервуары-отстойники) не только сглаживают неравномерность подачи сточных вод на очистные сооружения, но и значительно снижают концентрацию нефти в воде.

Перед откачкой отстоявшейся воды из резервуара сначала отводят всплывшую нефть и выпавший осадок, после чего откачивают осветленную воду. Для удаления осадка на дне резервуара устраивают дренаж из перфорированных труб.

Отличительная особенность динамических отстойников заключается в отделении примеси, находящейся в воде, при движении жидкости.

В динамических отстойниках или отстойниках непрерывного действия жидкость движется в горизонтальном или вертикальном направлении, отсюда и отстойники подразделяются на вертикальные и горизонтальные.

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический или квадратный (в плане) резервуар с коническим днищем для удобства сбора и откачки осаждающегося осадка. Движение воды в вертикальном отстойнике происходит снизу вверх (для осаждающихся частиц).

Горизонтальный отстойник представляет собой прямоугольный резервуар (в плане) высотой 1,5-4 м, шириной 3-6 м и длиной до 48 м. Выпавший на дне осадок специальными скребками передвигают к приямку, а из него гидроэлеватором, насосами или другими приспособлениями удаляют из отстойника. Всплывшие примеси выводят с помощью скребков и поперечных лотков, установленных на определенном уровне.

В зависимости от улавливаемого продукта горизонтальные отстойники де-лятся на песколовки, нефтеловушки, мазутоловки, бензоловки, жироловки и т.п. Некоторые типы нефтеловушек представлены на рисунке 0.

Рисунок 61 - Нефтеловушки

В радиальных отстойниках круглой формы вода движется от центра к периферии или наоборот. Радиальные отстойники большой производительности, применяемые для очистки сточных вод, имеют диаметр до 100 м и глубину до 5 м.

Радиальные отстойники с центральным впуском сточной воды имеют повышенные скорости впуска, что обуславливает менее эффективное использование значительной части объема отстойника по отношению к радиальным отстойникам с периферийным впуском сточных вод и отбором очищенной воды в центре.

Чем больше высота отстойника, тем больше необходимо времени для всплытия частицы на поверхности воды. А это, в свою очередь, связано с увеличением длины отстойника. Следовательно, интенсифицировать процесс отстаивания в нефтеловушках обычных конструкций сложно. С увеличением размеров отстойников гидродинамические характеристики отстаивания ухудшаются. Чем тоньше слой жидкости, тем процесс всплытия (оседания) происходит быстрее при прочих равных условиях. Это положение привело к созданию тонкослойных отстойников, которые по конструкции можно разделить на трубчатые и пластинчатые.

Рабочий элемент трубчатого отстойника - труба диаметром 2,5-5 см и длиной около 1 м. Длина зависит от характеристики загрязнения и гидродинамических параметров потока. Применяют трубчатые отстойники с малым (10) и большим (до 60) наклоном труб.

Отстойники с малым наклоном трубы работают по периодическому циклу: осветление воды и промывка трубок. Эти отстойники целесообразно применять для осветления сточных вод с небольшим количеством механических примесей. Эффективность осветления составляет 80-85%.

В круто наклонных трубчатых отстойниках расположение трубок приводит к сползанию осадка вниз по трубкам, и в связи с этим отпадает необходимость их промывки.

Продолжительность работы отстойников практически не зависит от диаметра трубок, но возрастает с увеличением их длины.

Стандартные трубчатые блоки изготовляют из поливинилового или полистирольного пластика. Обычно применяют блоки длиной около 3 м, шириной 0,75 м и высотой 0,5 м. Размер трубчатого элемента в поперечном сечении составляет 5х5 см. Конструкции этих блоков позволяют монтировать из них секции на любую производительность; секции или отдельные блоки легко можно устанавливать в вертикальных или горизонтальных отстойниках.

Пластинчатые отстойники состоят из ряда параллельно установленных пластин, между которыми движется жидкость. В зависимости от направления движения воды и выпавшего (всплывшего) осадка, отстойники делятся на прямоточные, в которых направления движения воды и осадка совпадают; противоточные, в которых вода и осадок движутся навстречу друг другу; перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно к направлению движения осадка. Наиболее широкое распространение получили пластинчатые противоточные отстойники.

Рисунок 62 - Отстойники

Достоинства трубчатых и пластинчатых отстойников - их экономичность вслед-ствие небольшого строительного объема, возможность применения пластмасс, которые легче металла и не корродируют в агрессивных средах.

Общий недостаток тонкослойных отстойников - необходимость создания емкости для предварительного отделения легко отделимых нефтяных частиц и больших сгустков нефти, окалины, песка и др. Сгустки имеют нулевую плавучесть, их диаметр может достигать 10-15 см при глубине в несколько сантиметров. Такие сгустки очень быстро выводят из строя тонкослойные отстойники. Если часть пластин или труб будет забита подобными сгустками, то в остальных повысится расход жидкости. Такое положение приведет к ухудшению работы отстойника. Принципиальные схемы отстойников приведены на рисунке 0.

5.3 Выводы по пятой главе

В данном разделе были рассмотрены основные вопросы безопасности жизнедеятельности и охраны окружающей среды. Был произведен анализ опасных и вредных производственных факторов. Так же была произведена разработка защитных мер при выбросе хлора. Кроме того, в этой главе были рассмотрены основные задачи по защите окружающей среды, была предложена установка горизонтального отстойника, для очистки сточных вод от нефтепродуктов.

Заключение

В данном дипломном проекте была разработана программная часть для системы автоматического контроля очистки сточных вод после автомойки.

Были рассмотрены основы функционирования и современные способы очистки сточных вод. А так же возможность автоматизации этих процессов. Был произведен анализ существующих аппаратных (логических программируемых контроллеров ПЛК) и программных средств для систем управления.

Разработана аппаратная часть управляющей системы управления процессом очистки сточных вод автомойки.

Разработан алгоритм функционирования системы в среде CoDeSys. Разработан интерфейс визуального отображения в среде Trace Mode 6.

Список литературы

автоматизация очистка сточный вода

1.Лекции, по курсам "Электроника" и "Технические измерения и приборы". Харитонов В.И.

2."Управление техническими системами" Харитонов В.И., Бунько Е.Б., К.И. Меша, Е.Г. Мурачёв.

3."Электроника" Савелов Н.С., Лачин В.И.

Техническая документация по мойке автомобилей МГУП "Мосводоканал".

Журомский В.М. Курс лекций по курсу "Технические средства"

Казиник Е.М. - Методическое указание к выполнению организационно экономической части - Москва, издательство МГТУ МАМИ, 2006. - 36с.

Сандуляк А.В., Шарипова Н.Н., Смирнова Э.Е. - Методическое указание по выполнению раздела "безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды" - Москва, издательство МГТУ МАМИ, 2008. - 22с.

Техническая документация МГУП "Мосводоканал"

Стахов - Очистка нефтесодержащих сточных вод предприятий хранения и транспорта нефтепродуктов -Ленинград Недра.

Ресурсы сайта http://www.owen.ru.

К механическим процессам очистки относят процеживание воды через решетки, пескоулавливание и первичное отстаивание. Структурная схема автоматизации процессов механической очистки сточных вод представлена на рис. 52.

Рис.52. Структурная схема АСУ:

1 – распределительная камера; 2 – решетка ступенчатого пита; 3 – горизонтальная песколовка;4 – первичный отстойник; 5 – песковой бункер

Для улавливания из сточных вод крупных механических примесей применяют решетки. При автоматизации решеток основная задача состоит в управлении граблями, дробилками, транспортерами и шиберами на подводящем канале. Вода проходит через решетку, на которой задерживаются механические примеси, затем по мере накопления отбросов, ступенчатая решетка включается и отчищается от отбросов.Автоматические устройства на решетках включаются при увеличении разности уровней сточных вод до и после решеток. Угол наклона решетки 60 о -80 о. Выключение грабель осуществляется либо контактным устройством, срабатывающем при падении уровня до заданного значения, либо с помощью реле времени (через определенный промежуток времени).

Далее после задержания крупных механических примесей сток направляется на песколовки, которые предназначены улавливания из сточных вод песка и других минеральных нерастворённых загрязнений. Принцип действия песколовки основан на том, что под влиянием сил тяжести частицы, удельный вес которых больше, чем удельный вес воды, по мере движения их вместе с водой, выпадают на дно.

Горизонтальная песколовка состоит из рабочей части, где движется поток и осадочной, назначение которой собирать и хранить выпавший песок до его удаления Время пребывания жидкости в горизонтальной песколовке принимают обычно 30 – 60 с, расчётный диаметр частиц песка 0,2 – 0,25 мм, скорость движения сточной воды 0,1 м/с. Автоматические устройства в песколовках применяют для удаления песка при достижении им предельного уровня. Для нормальной и эффективной работы песколовки необходимо следить и контролировать уровень осадка, если он будет подниматься выше допустимой величины, то будет происходить его взмучивание, и вода будет загрязняться ранее осевшими веществами. Также автоматическое удаление песка может производиться через определенные промежутки времени, установленные на основе опыта эксплуатации.

Затем сток поступает на первичный отстойник для задержания плавающих и выпадающих в осадок веществ. Вода медленно движется от центра к периферии и сливается в периферийный желоб с затопленными отверстиями. .Для удаления осадка из сточных вод служит медленно вращающаяся металлическая ферма с укрепленными на ней скребками, сгребающими осадок к центру отстойника, откуда он периодически откачивается гидроэлеватором. Время пребывания (отстаивания) сточной жидкости принимают 2 часа, скорость движения воды 7 м/с.

Автоматизация процесса физико-химической очистки сточных вод

В системах очистки сточных вод физико-химическими методами наибольшее распространение получила напорная флотация. При этом способе очистки сточные воды насыщаются газом (воздухом) под избыточным давлением, которое затем быстро снижается до атмосферного.

На рис. 53 показана блочная схема АСР со стабилизацией качества очищенной воды путем изменения расхода потока рециркуляции, несущего во флотатор мелкодисперсную газовую фазу.

Система состоит из флотационного резервуара 1, мутномера 2-1, измеряющего концентрацию взвешенных частиц в очищенной воде, сигнализатора 2-3, расходомера 1-1, регулятора 1-2 , регулирующих клапанов 1-3, который регулирует расход сточной воды, поступающей во флотатор, и клапана 2-2, который регулирует расход циркуляционного потока, насыщаемого воздухом в напорном ресивере 2.

Сигнал, возникающий при увеличении на выходе флотатора концентрации взвеси в воде выше заданного значения, с мутномера 2-1 поступает на регулятор, который через клапан 2-2 увеличивает расход потока рециркуляции. Новое количество газа уменьшает мутность очищенных стоков. Одновременно при увеличении расхода потока рециркуляции через флотационный резервуар появляется сигнал отклонения на выходе расходомера 1-1, который поступает на регулятор 1-2. Этот регулятор через 1-3 уменьшает поступление сточной воды во флотатор, обеспечивая постоянство суммарного расхода через него.

Рис. 53. Схема АСР процесса очистки сточных вод напорной флотацией

В настоящее время имеется значительное число технологических схем процесса биологической очистки, каждая из которых отличается числом ступеней аэрации, наличием или отсутствием регенерации активного ила, способами ввода в сооружения сточной воды и возвратного ила, степенью очистки и др. Каждый тип сооружений характеризуется своими показателями нормальной работы и требует индивидуального подхода к проектированию системы автоматизированного управления.

Воздействия, которыми можно воспользоваться для построения системы автоматизированного управления, следующие :

Управление расходом возвратного ила с целью поддержания концентрации активного ила в аэротенке;

Управление расходом воздуха таким образом, чтобы поддержать заданную концентрацию растворённого кислорода во всем объёме аэротенка;

Управление расходом выводимого из системы активного ила для поддержания возраста ила постоянным;

Изменение соотношения объёмов аэротенка и регенератора(при сохранении постоянства их суммарного объёма) с целью оптимальной регенерации ила;

Распределение расхода поступающих сточных вод между параллельно работающими аэротенками;

Поддержание оптимального значения рН воды, поступающей в аэротенк

Управление расходом ила, выпускаемого из отстойников, чтобы поддержать в них оптимальный уровень ила и изменять его в зависимости от концентрации и расхода иловой смеси, мутности очищенной отстоянной воды, а также илового индекса.

В традиционных АСУ применяются алгоритмические модели, связывающие управляющее воздействие с входными данными (или их изменением). Недостатком традиционных методов управления применительно к процессу биологической очистки сточных вод является многомерность и сложность создаваемых математических моделей при низкой точности и неполноте исходной информации и неоднозначности критерия управления . С другой стороны, ситуации, возникающие при функционировании блока биологической очистки сточных вод, зачастую позволяют использование для управления методов формальных рассуждений, близких к естественному ходу рассуждений человека-эксперта. Для решения задач управления биологической очисткой они могут быть значительно более эффективны, чем традиционные АСУ, особенно с точки зрения сроков и стоимости разработки и модификации при изменении требований к системе и внешних условий, что является крайне важным фактором в свете непрерывного совершенствования технологии и повышения производительности блока биологической очистки. Характерной особенностью управляемого объекта является присущая очистной станции возможность корректировки технологической схемы и изменения состава оборудования. Данное обстоятельство повышает требования к открытости, перспективности и стандартизации создаваемой системы. Изменения в нормах качества очистки сточных вод, наращивание мощности очистных сооружений или добавление новых параметров контроля потребуют полной переработки математических моделей традиционной АСУ, в то время как в экспертной системе достаточно будет лишь скорректировать правила или добавить новые.

Кроме того, в процессе управления биологической очисткой часто возникают проблемные ситуации, для преодоления которых необходимо использовать опыт многих экспертов, нормативно-техническую, справочную и регламентирующую информацию, которая не всегда может быть доступна оператору. Управление работой очистных сооружений является сложной задачей, связанной с особенностями состояния и функционирования очистных сооружений. На практике, технолог очистных сооружений, осуществляющий принятие решений по управлению очисткой сточных вод, сталкивается со следующими проблемами:

Недостаток параметров для принятия решений, вследствие ограниченного резерва времени и высокой стоимости проведения специализированных лабораторных анализов;

Неполнота, неточность естественно-языковых инструкций для принятия решений;

Недостаточность теоретических знаний о процессе управления очисткой сточных вод и отсутствие учета особенностей функционирования конкретного очистного сооружения.

Процесс очистки сточных вод осуществляется в режиме запаздывания реакции системы и зависит от многих входных сигналов. Сигналы эти являются разнородными, поступают с разной периодичностью, на обработку части из них необходимо время, а также специальные лабораторные условия и дорогостоящие реактивы. Очистные сооружения функционируют частично за счет деятельности разнообразных живых организмов, чьи реакции на воздействие входных параметров специфичны и взаимозависимы. Оптимальные условия для существования комплексов организмов, осуществляющих очистку сточных вод, весьма сложно подбирать вследствие изменчивости этих комплексов в зависимости от состава сточных вод. Регулирование концентрации биогенных элементов, поддержание рН среды и температуры в нужном диапазоне положительно отражаются не только на развитии микроорганизмов, но и на биохимической активности последних по очищению воды. Для подбора оптимальных условий функционирования микроорганизмов в аэротенках используются автоматизированные системы управления, которые основываются на математических моделях (таблица 1.2) . Такие системы имеют ряд недостатков. Они хорошо работают, когда очистные сооружения находятся в нормальном режиме работы и плохо применимы в случае внештатного режима.

Естественно, что при возникновении проблемных ситуаций, необходимы знания и опыт экспертов, и разработки имитационных моделей и программ для решения уравнений явно недостаточно. Возникает необходимость использовать субъективную информацию, накопленную за годы, а также неполные данные и объективную информацию, накопленную за период работы очистных сооружений.

Применение методов и средств искусственного интеллекта предоставляет новые возможности для решения проблемы управления очистными сооружениями. Экспертные системы на основе искусственного интеллекта в идеальном случае должны обладать уровнем эффективности решений неформализованных задач, сравнимым с человеческим или превосходящим его. В любом случае, экспертная система «знает» меньше, чем человек-эксперт, но тщательность, с которой применяются эти знания, компенсирует их ограниченность. На данный момент за рубежом существует ряд экспертных систем (ЭС), применяемых для очистки сточных вод (таблица 1.3) .

Анализируя примеры из таблицы 1.3, следует отметить, что для управления блоком биологической очистки, являющимся элементом комплексной системы очистки бытовых сточных вод наиболее целесообразно использование системы, основанной на правилах.

Таблица 1.2 - Модели классического управления на биологических очистных сооружениях

Название	Пример применения	Оборудование	Недостатки моделей	Достоинства моделей
Корреляционная	Установление взаимо-связей и взаимо-зависимостей между характеристиками воды	Очистные сооружения	Наличие большого числа внешних факторов, взаимовлияние микроорганизмов взаимодействие с субстратом приводит сложности выбора адекватной модели описания системы. Модели сложно разрабатывать, они часто неточны и чрезмерно упрощают действительность. Имитационное моделирование не работает с неизвестными или не смоделированными ситуациями. Качественные данные не могут быть использованы для модели числового управления. Данные неточны или отсутствуют, датчики выдают ошибочную информацию или отсутствуют, не все характеристики, необходимые для моделирования анализируются каждый день, что влияет на точность моделей. Характеристики втекающей воды сильно изменчивы и неуправляемы. Задержка в получении данных из-за длительных лабораторных анализов и аналитических расчетов.	Оценка поведения очистных сооружений в ответ на определенный сценарий развития (операционные условия и характеристика втекающей воды) и прогноз на средний и длительный период возможных исходов при определенных действиях по процессу очистки Повышение эффективности удаления загрязнителей Сокращение расхода электроэнергии, химических реагентов и затрат на обслуживание очистных сооружений Разработка альтернатив для модифицирования существующих очистных сооружений
Адаптивный алгоритм	Для поддержания необходимого уровня кислорода в аэротенке	Аэротенк
Прагматические модели Фундаментальные модели	Рост бактерий и потребление субстрата	Аэротенк
Имитационные модели Статистический синтез	Моделирование эволюции состояний очистных сооружений	Очистные сооружения
Кластеризация	Классификация данных с датчиков	Очистные сооружения
Закон Стокса	Моделирование осаждения	Песколовка
Кривая Гусмана	Моделирование осажде-ния твердых веществ
Метод оптимизации	Оптимизация обработки осадка	Первичный, вторичный отстойники
Детерминистические, прогнозные модели	Осаждение	Первичный, вторичный отстойники
Кривые функционирования и стохастические модели	Прогноз поведения отстойников	Первичный, вторичный отстойники

Таблица 1.3 - Средства искусственного интеллекта, разработанные для очистных сооружений

Название. Разработчик	Представле-ние знаний	Основные функции и характеристики	Недостатки
ЭС реального времени. (Baeza,J)		Регулирование работы очистных сооружений. Управление процессом очистки сточных вод через Интернет.	Системы на основе правил: Не обучаются в процессе работы Сложности с процессом извлечения знаний и опыта исходных данных Неспособны к предви-дению, их область ограничена прошлыми предопределёнными ситуациями. Системы на прецедентах: Проблема индексации прецедентов в базе знаний; Организация эффективной процедуры поиска ближайших прецедентов; Обучение, формирования правил адаптации; Удаление прецедентов, потерявших актуальность. Прецеденты и правила: Отсутствует синтаксическая и семантическая интеграция модулей системы
ЭС для определения состояния очистных сооружений. (Riano) 4]		Система автоматического построения правил, используемых для идентификации состояния очистных сооружений.
ЭС для управления очистными соору-жениями.(Yang)		Экспертная система для определения последовательности стадий очистки воды на очистных сооружениях
ЭС для управления ОС.(Wiese, J., Stahl, A., Hansen,J.)	Преце-денты	Экспертная система для определения вредных микроорганизмов в системе активного ила
ЭС по сокращению ущерба от загрязнения водных ресурсов. (Университет Сев. Каролины)	прецеденты	Оценка потенциальных воздействий для управления рассеянными источниками загрязнения в бассейне рек, основанная на информации и решениях, поступающих от пользователя.
ЭС реального времени для управления очистными сооружениями, (Sanchez-Marre)	прецеденты	ППР при наблюдении, комплексном контроле и управлении работой очистных сооружений. Комбинирует во фреймовую структуру: обучение, рассуждение, приобретение знаний, распределенное принятие решений. Правила вывода частично моделируют данные и экспертные знания. Система на прецедентах моделирует эмпирические знания.
Управление системой активного ила. (Comas ,J.)	прецеденты	Система контроля и управления системой активного ила на биологических очистных сооружениях. Ядро и основные модули разработаны на основе объектно-ориентированной оболочки, реализующей механизм логического вывода. Управляет получением данных, БД, системой правил и прецедентов.

Наиболее характерной формой для решения задач управления непосредственно блоком биологической очистки, являются экспертные системы, построенные на основе продукционной модели, где знания представлены совокупностью правил вида “если – то”. Основные преимущества такой экспертной системы - это простота пополнения, модификации и аннулирования информации и простота механизма логического вывода. Для организации структуры экспертной системы, представленной на рис.1.1 , требуется преобразовать технологическую информацию в структуру принятия решений, которая описывает работу базы знаний, а затем, на основе выбранной программной оболочки, составить программу работы экспертной системы.

Это и будет являться целью данной дипломной работы: адаптировать опыт теоретических исследований и практических решений в области использования экспертных систем для управления блоком биологической очистки сточных вод к конкретному процессу очистки, с учётом конструктивных параметров и принятой при проектировании индивидуальной технологической схемы данных очистных сооружений. А также создание полноценной системы автоматизации процесса и выбор технических средств её реализации.

Рисунок 1.1 – Структура управления процессом очистки сточных вод

1

Для эффективного управления процессом очистки сточных вод промышленных предприятий от фенольных соединений (на примере Бисфенола-А) с использованием усовершенствованных окислительных процессов (УФ излучения, λ = 365 нм, Н2О2, FeCl3) предложена экспоненциальная модель снижения концентрации фенольных соединений, идентифицированная в программной среде Statistica. С целью стабилизации неустойчивых параметров модели использована идея регуляризации А.Н. Тихонова, проведена процедура «гребневой регрессии». Полученная регуляризованная модель, устанавливающая зависимость степени разложения фенольных соединений в водной среде под действием физико-химических факторов (реактив фото-Фентона) от параметров процесса, является статистически значимой (R2 = 0,9995) и обладает улучшенными прогнозными свойствами, чем модель, идентифицированная по методу наименьших квадратов. С использованием регуляризованной модели снижения концентрации фенольных соединений методом множителей Лагранжа в системе MathCad определены удельные оптимальные уровни расходов FeCl3, H2O2, обеспечивающие снижение концентрации фенольных соединений в сточных водах до предельно допустимого уровня.

регуляризация

некорректные задачи

моделирование

сточные воды

усовершенствованные окислительные процессы

1. Вучков И., Бояджиева Л., Солаков Е. Прикладной линейный регрессионный анализ. – М.: Финансы и статистика, 1987. 240 с.

2. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2007. – 912 с.

3. Елисеева И.И. Эконометрика. – М.: Издательство Юрайт, 2014. – 449 с.

4. Кармазинов Ф.В., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Храменков С.В. Ультрафиолетовые технологии в современном мире: монография. – Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. – 392 с.

5. Моисеев Н.Н., Иванилов Ю.П., Столярова Е.М. Методы оптимизации. – М.: Наука, 1978. – 352 с.

6. Рабек Я. Экспериментальные методы в фотохимии и фотофизике: Т. 2. – М.: Мир, 1985. – 544 с.

7. Соколов А.В., Токарев В.В. Методы оптимальных решений. В 2 т. Т.1. Общие положения. Математическое программирование. – М.: Физматлит, 2010. – 564 с.

8. Соколов Э.М., Шейнкман Л.Э., Дергунов Д.В. Исследование снижения концентрации фенольных соединений в водных средах с использованием математического моделирования // Вестник Южного научного центра РАН. – 2013. – Т. 9, № 2. – С. 23–31.

9. Соколов Э.М., Шейнкман Л.Э., Дергунов Д.В. Нелинейная кинетика распада фенольных соединений в водной среде // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9, Ч. 12. – С. 2677–2681.

10. Стерлигова А.Н. Управление запасами в цепях поставок. – М.: ИНФРА-М, 2009. – 430 с.

11. Сычев А.Я., Исак В.Г. Соединения железа и механизмы гомогенного катализа активации О2, Н2О2 и окисления органических субстратов // Успехи химии. – 1995. – № 64 (12). – С. 1183–1209.

12. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. – М.: Наука, 1979. – 285 с.

13. Тихонов А.Н. О регуляризации некорректно поставленных задач // Доклады АН СССР. – 1963. – № 153(1). – С. 45–52.

14. Тихонов А.Н. Решение некорректно поставленных задач и метод регуляризации // Доклады АН СССР. – 1963. – № 151(3). – С. 501–504.

15. Тихонов А.Н., Уфимцев М.В. Статистическая обработка результатов экспериментов. – М.: Издательство МГУ, 1988. – 174 с.

17. Marta I. Litter, Natalia Quici Photochemical Advanced Oxidation Processes for Water and Wastewater Treatment // Recent Patents on Engineering. – 2010. – Vol. 4, № 3. – P. 217–241.

18. Xiangxuan Liu, Jiantao Liang, Xuanjun Wang Kinetics and Reaction Pathways of Formaldehyde Degradation Using the UV-Fenton Method // Water Environment Research. – 2011. – Vol. 83, № 5. – P. 418–426.

Сточные воды ряда отраслей промышленности (химической, фармацевтической, металлургической, целлюлозно-бумажной, горно-перерабатывающей и др.) вносят значительный вклад в загрязнение поверхностных и подземных водных объектов фенольными и трудноокисляемыми органическими соединениями. Фенол - потенциально опасное, канцерогенное вещество, представляющее значительную медицинскую проблему, даже при низких концентрациях.

Усовершенствованные окислительные процессы (AOP) играют важную роль в разложении органических веществ, содержащихся в сточных водах в широких пределах концентраций. AOP-процессы генерируют гидроксильные радикалы, которые являются сильными окислителями, способными осуществлять минерализацию широкого спектра органических веществ. Гидроксильный радикал имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал (E0 = 2,80 В) и способен реагировать с фактически всеми классами органических соединений . Окисляющие гидроксильные радикалы могут быть инициированы фотолизом в результате фото-Фентон процесса.

Очистка сточных вод от фенольных соединений с использованием усовершенствованных окислительных процессов происходит преимущественно в фотохимических реакторах. Фотохимические реакторы, представляют собой аппараты, в которых осуществляются фотохимические реакции. Но в них не только совершаются превращения, но и протекают сопутствующие процессы массо- и теплообмена и интенсивное движение среды. От правильности выбора типа реактора, его конструкции и режима работы в наибольшей степени зависит эффективность и безопасность процесса очистки .

При использовании фотореакторов для решения различных прикладных задач эффективному облучению в них должны подвергаться большие объемы реагентов.

Важным элементом модуля фотохимической очистки в общей системе локальных очистных сооружений является система дозирования реагентов, катализатора FeCl 3 и перекиси водорода Н 2 О 2 .

Для стабильного функционирования реакторов и повышения эффективности минерализации органических соединений необходима оптимизация процесса очистки с целью определения оптимальных доз реагентов, вводимых в реактор. Оптимизация может быть основана на минимизации затрат, требуемых для осуществления запаса реагентов с учетом экологического регулирования процесса очистки. В качестве экологического регулятора может выступать функция зависимости концентрации органического загрязнителя от параметров процесса (концентраций реагентов и времени УФ-облучения), ограниченная предельно допустимым значением концентрации фенольного соединения. Функция концентрации определяется на основе статистического анализа экспериментальных данных АОР-процесса методом наименьших квадратов (МНК).

Зачастую задача определения параметров регрессионного уравнения методом наименьших квадратов является некорректно поставленной, и использование полученного уравнения при решении задачи оптимизации по определению оптимальных доз реагентов может привести к неадекватным результатам.

Таким образом, целью работы является применение методов регуляризации к построению устойчивой модели зависимости концентрации фенольного соединения от параметров процесса фотохимической очистки и идентификации оптимальных уровней расходов перекиси водорода и хлорида железа (III) при минимизации затрат на реагенты.

Для построения математической модели зависимости снижения концентрации фенольного соединения от параметров АОР-процесса при совместном воздействии перекиси водорода, хлорида железа (III) и ультрафиолетового излучения длиной волны 365 нм на фенольный загрязнитель в водной среде с целью решения задачи оптимизации по идентификации уровней расходов химических реагентов проводились экспериментальные исследования на модельных растворах, содержащих фенольные соединения (бисфенол-А, ВРА), с применением жидкостной и газовой хроматографии. При проведении оптимального планирования эксперимента оценивалось влияние УФ-излучения и окислителей на уровень разложения органического загрязнителя при различных концентрациях ВРА - x1 (50 мкг/л, 100 мкг/л); перекиси водорода H 2 O 2 - x2 (100 мг/л; 200 мг/л) и активатора - хлорида железа (III) FeCl 3 (1; 2 г/л) - x3. Модельный раствор, содержащий ВРА, перекись водорода и FeCl 3 , подвергался воздействию УФ-излучения в течение 2 часов (время облучения t - x4). Пробы отбирались через 1 и 2 часа после облучения, и измерялась остаточная концентрация ВРА (y). Измерения осуществлялись жидкостным хроматографом LC-MS/MS. Продукты полураспада в течение фотодеградации ВРА были определены с помощью газового хроматографа GS-MS .

При реализации процесса фото-Фентона (Fe2+/Н2О2/hν) для минерализации органических загрязнителей в кислой среде при рН = 3, формируется комплекс Fe(OH) 2+ :

Fe 2+ + H 2 O 2 → Fe 3+ + OH ● + OH − ;

Fe 3+ + H 2 O → Fe(OH) 2+ + H + .

Под действием УФ-облучения комплекс подвергается разложению, в результате чего образуются радикал OH● и ион Fe 2+ :

2+ + hν → Fe 2+ + OH ● .

Количественное описание фото-Фентон процесса на макроуровне, применительно к деградации органического загрязнителя в водной среде, можно описать моделью :

где 0 - начальная концентрация органического загрязнителя; 0 , 0 - начальные концентрации, активатора, содержащего ионы железа (II) и перекиси водорода соответственно; k - константа скорости реакции; r - скорость реакции; α, β, γ - порядки реакции по веществам.

При создании математической модели зависимости снижения концентрации фенольного соединения, от факторов процесса фотохимической очистки с участием реагента «фото-Фентона» будем исходить из линейных моделей или моделей, которые можно свести к линейным по коэффициентам с помощью подходящего преобразования, которые могут быть записаны в общем виде следующим образом :

где fi(x1, x2, …, xm) - произвольные функции факторов (регрессоров); β1, β2,…, βk - коэффициенты модели; ε - ошибка эксперимента.

Исходя из закона действующих масс зависимость концентрации фенольного соединения от факторов процесса математически можно представить следующим выражением:

где η - уровень остаточной концентрации BPA в момент времени t, мг/л; x1 - исходная концентрация ВРА, мг/л; x2 - концентрация перекиси водорода, мг/л; x3 - концентрация хлорида железа (III), г/л; x4 - время процесса очистки, ч; β1, β2, β3, β4, β5 - параметры модели.

Коэффициенты в модель (2) входят нелинейно, но при линеаризации путем логарифмировании по натуральному основанию, правой и левой частей уравнения (2), получим

где в соответствии с (1)

Однако при таком преобразовании случайное возмущение (ошибка эксперимента) входит в модель мультипликативно и имеет логнормальное распределение, т.е. , и после логарифмирования это дает

После линеаризации и введения новых переменных выражение (2) примет вид

где предикторные переменные X1, X2, X3, X4 и отклик Y являются логарифмическими функциями:

Y = lny, X1 = lnx1,

X 2 = lnx 2 , X 3 = lnx 3 , X 4 = lnx 4 ;

b0, b1, b2, b3, b4 - параметры модели.

Обычно в задачах обработки данных матрица эксперимента и вектор отклика известны неточно, т.е. с погрешностями, и задача определения регрессионных коэффициентов по методу наименьших квадратов неустойчива к ошибкам в исходных данных . При плохой обусловленности информационной матрицы FTF (F - матрица регрессоров) МНК-оценки обычно неустойчивы. Для преодоления плохой обусловленности информационной матрицы предложена идея регуляризации, обоснованная в работах А.Н. Тихонова .

Применительно к решению регрессионных задач идея регуляризации А.Н. Тихонова интерпретирована А.Э. Хоэрлом как процедура «гребневой регрессии». При использовании метода «гребневой регрессии» для стабилизации МНК-оценок (определяемых b = (FTF)-1FTY) регуляризация связана с добавлением некоего положительного числа τ (параметра регуляризации) к диагональным элементам матрицы FTF .

Выбор параметра регуляризации τ Хоэрл, Кеннард и Белдвин предложили осуществлять следующим образом:

где m - количество параметров (без учета свободного члена) в исходной модели регрессии; SSe - остаточная сумма квадратов, полученная по исходной модели регрессии без корректировки на мультиколлинеарность; b* - вектор-столбец коэффициентов регрессии, преобразованный по формуле

,

где bj - параметр при переменной Xj в исходной модели регрессии, определенный по МНК; - среднее значение j-й независимой переменной.

После выбора величины τ формула для оценки регуляризованных параметров регрессии будет иметь вид

где I - единичная матрица; F - матрица регрессоров; Y - вектор значений зависимой переменной.

Величина параметра регуляризации, определяемая по формуле (4), принимает значение, равное τ = 1,371·10-4.

Регуляризованная модель снижения концентрации фенольного соединения, построенная в системе Statistica с учетом формулы (5), может быть представлена в виде

где С ост и С ВРА - остаточная и начальная концентрации фенольного загрязнителя соответственно, мг/л; - концентрация перекиси водорода, мг/л; СА - концентрация хлорида железа (III), г/л; t - время, ч.

Значения коэффициента детерминации, R 2 = 0,9995, критерия Фишера F = 5348,417, превышающего критическое значение (F кр (0,01; 4,11) = 5,67), характеризуют адекватность регуляризованной модели результатам эксперимента на уровне значимости α = 0,1.

Определение оптимальных удельных значений концентраций химических реагентов (FeCl 3 , H 2 O 2), необходимых для очистки воды, при достижении минимального удельного уровня затрат представляет собой задачу нелинейного (выпуклого) программирования вида (7-9) :

(8)

где f - функция финансовых средств, связанная с запасом химических реагентов f = Z(c2, c3); gi - функция снижения концентрации фенольного соединения в водной среде в процессе физико-химической очистки, g = Cost(с1, c2, c3, t) (функция ограничения); x1, x2,…, xn - параметры процесса; x1 - начальная концентрация фенольного соединения, х1 = c1, мг/л; х2 и х3 ‒ концентрации перекиси водорода и хлорида железа (III) соответственно х2 = c2, мг/л, х3 = с3, г/л; t - время, ч; bi - предельно допустимая концентрация фенольного соединения (ПДК), мг/л.

Функцию финансовых средств, представляющую двухноменклатурную модель затрат, связанную с запасом перекиси водорода и хлорида железа (III), с учетом формулы Вильсона можно представить в виде

(10)

где Z(c2, c3) - удельные суммарные затраты, связанные с запасом, руб.; A - удельные накладные затраты одной общей поставки, руб.; c2 - удельное потребление перекиси водорода, мг/л; c3 - удельное потребление хлорида железа, г/л; I1, I2 - удельные тарифы затрат на хранение перекиси водорода и хлорида железа (III) соответственно, руб.; m1, m2 - доля цены продукции, приходящаяся на затраты на выполнение одного заказа по перекиси водорода и хлориду железа (III) соответственно; i1, i2 - доля цены продукции, приходящаяся на затраты на содержание запаса по перекиси водорода и хлориду железа (III) соответственно; k2, k3 - удельная закупочная цена единицы запаса перекиси водорода (руб./мг) и хлорида железа (III) (руб./г) соответственно.

Для решения системы (7)-(9) вводится набор переменных λ1, λ2, …, λm, называемых множителями Лагранжа, составляют функцию Лагранжа:

,

находятся частные производные и и рассматривается система n + m уравнений

(11)

c n + m неизвестными x1, x2, ..., xn; λ1, λ2, ..., λm. Всякое решение системы уравнений (11) определяет условно-стационарную точку, в которой может иметь место экстремум функции f(x1, x2, ..., xn). При соблюдении условий Куна ‒ Таккера (12.1)-(12.6) точка является седловой точкой функции Лагранжа, т.е. найденное решение задачи (7)-(9) оптимально :

Задача идентификации оптимальных параметров процесса очистки промышленных сточных вод от фенольных соединений при достижении минимального уровня текущих удельных затрат, необходимых для обесфеноливания вод, решалась при следующих исходных данных: начальная концентрация фенольного загрязнителя в сточных водах 0,006 мг/л (6ПДК); время очистки, определенное технологическим процессом, - 5 суток (120 часов); предельно допустимая концентрация загрязнителя 0,001 мг/л (b = 0,001); удельная закупочная цена единицы запаса по перекиси водорода 24,5·10 ‒6 руб./мг (k2 = 24,5·10 ‒6), по хлориду железа (III) 37,5·10 ‒3 руб./г (k3 = 37,5·10 ‒3); доля цены продукции, приходящаяся на затраты по содержанию запаса по перекиси водорода и хлориду железа, равна соответственно 10 % (i = 0,1) и 12 % (i = 0,12); доля цены продукции, приходящаяся на затраты по выполнению заказа по перекиси водорода и хлориду железа 5 % (m1 = 0,05) и 7 % (m2 = 0,07) соответственно.

Решая задачу (7)-(9) в системе MathCad, получаем точку X* с координатами

(с2*, с3*, λ*) = (6,361∙103; 5,694; 1,346·10 4),

в которой соблюдаются условия Куна - Таккера (12.1)-(12.6). Существует точка, принадлежащая области допустимых решений, в которой выполняется условие регулярности Слейтера:

Сost(c2°, c3°) = Сost (10 3 ,1) = - 7,22·10 -9 < 0.

Вид условно-стационарной точки определялся в соответствии с критерием Сильвестра применительно к матрице Гессе функции Лагранжа:

В соответствии с критерием Сильвестра матрица L является ни положительно, ни отрицательно определенной (полуопределенной) (Δ 1 = 4,772·10 -8 ≥ 0; Δ 2 = 6,639·10 -9 ≥ 0; Δ 3 = ‒5,042·10 -17 ≤ 0).

Из выполнения условий Куна - Таккера, регулярности Слейтера и на основе исследования знакоопределенности матрицы Гессе функции Лагранжа в условно-стационарной точке следует, что точка (6,361∙10 3 ; 5,694; 1,346·10 4) является седловой точкой функции Лагранжа, т.е. оптимальным решением задачи (7)-(9).

Таким образом, для снижения уровня фенолов в промышленных сточных водах с 0,006 мг/л (6 ПДК) до предельно допустимого (0,001 мг/л), потребуются удельные текущие затраты в размере 1,545 руб./л. Данное значение удельных затрат является минимальным при использовании в процессе очистки оптимальных удельных уровней расхода перекиси водорода 6,361·10 3 мг/л и хлорида железа (III) 5,694 г/л.

Методом множителей Лагранжа для технико-экономических условий (с 1 = 0,006 мг/л; t = 120 ч; b = 10 -3 мг/л; k 2 = 24,5·10 -6 руб./мг, k 3 = 37,5·10 -3 руб./г; i 1 = 10 %, i 2 = 12 %; m 1 = 5 %, m2 = 7 %) решена задача определения оптимальных удельных значений ингредиентов, используемых в качестве окислителей в фотокаталитическом процессе разложения фенольного соединения, содержащегося в промышленных сточных водах до уровня ПДК.

Идентифицированная регуляризованная математическая модель, устанавливающая зависимость уровня снижения концентрации фенольного соединения в водной среде от параметров процесса фотохимической очистки, обладает лучшими прогнозными свойствами, чем модель, определяемая по методу наименьших квадратов. С использованием полученной регуляризованной математической модели методом множителей Лагранжа решена задача математического программирования по определению оценок оптимальных удельных уровней расхода химических реагентов (FeCl 3 , H 2 O 2), являющихся устойчивыми решениями.

Рассмотренный подход к идентификации оптимальных параметров процесса фотохимической очистки с применением регуляризации позволит обеспечивать эффективное управление очисткой сточных вод от фенольных соединений.

Рецензенты:

Яшин А.А., д.т.н., д.б.н., профессор кафедры «Общая патология» Медицинского института, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», г. Тула;

Короткова А.А., д.б.н., профессор, заведующая кафедрой биоэкологии и туризма, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого», г. Тула.

Работа поступила в редакцию 16.02.2015.

Библиографическая ссылка

Шейнкман Л.Э., Дергунов Д.В., Савинова Л.Н. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ФОТОХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ФЕНОЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ РЕГУЛЯРИЗАЦИИ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 4. – С. 174-179;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37143 (дата обращения: 17.09.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»