Лекція 13. Автоматизація головних водозабірних вузлів

 

Рис. 13.12. Електрогідравлічна схема керування секторним затвором.

При підвищенні рівня виробляється імпульс від’ємної полярності, який подається на нижню котушку. У результаті якір електромагніта, з'єднаний із трубкою 5, переміщається вниз і клапан 4 відкривається. Вода з колодязя надходить у сектор і він закривається. По закінченні імпульсу клапан закривається під впливом пружини 8. Якщо після закінчення встановленої паузи рівень не відновлюється, то посилається другий імпульс і т.д. Зазвичай, усталений стан досягається за 2–3 імпульси.

Щоб виключити переповнення верхнього б'єфа при відключенні електроенергії або несправностях в електричних пристроях, на штоку 2 за допомогою гвинта 7 закріплений поплавок 6, виконаний з полістиролу. При максимальному рівні у верхньому б'єфі   поплавок переміщається вгору і відкриває клапан 1, що призводить до відкриття затвора.

В якості давачів рівня в автономних системах регулювання можна застосовувати поплавкові, ємнісні та інші давачі, а також пристрої перетворення безперервного сигналу в пропорційні імпульси напруги на базі мікроконтролера.

На водовипусках з магістральних каналів при наявності відповідних гідравлічних перепадів використовують, в основному, регулятори прямої дії. З багатьох конструкцій цих регуляторів досить надійним у роботі є циліндричний регулятор.

На рис.13.13 представлена конструктивна схема трубчастого водовипуску з магістрального каналу, яка забезпечує автоматичне регулювання рівня води у нижньому б’єфі при зміні витрати і рівня води у верхньому б’єфі. Такі системи використовують на водовипусках із магістральних каналів при гідравлічних перепадах не менше 0,7 м і витратах до 10 м3/с.

Наведена на рис. 13.13 система регулювання складається із об’єкта регулювання – нижнього б’єфу, циліндричного регулятора і вимірювального колодязя, який з’єднаний з нижнім б’єфом. Рівень води у нижньому б’єфі задається переміщення поплавка, який підвішений на ланцюгах. Регульованою величиною в системі є рівень води  , а збуренням – витрата з нижнього б’єфу  .

Циліндричний регулятор рівня води складається з трубопроводу 1 з конфузором 11, запірного металевого циліндра 7, який виконує функцію  регулюючого органу, важеля 6 і поплавка 4. У нижній частині циліндра знаходиться діафрагма з центральним отвором 8, яка виконує роль демпфера (гідравлічна диференціююча ланка, яка гасить коливання циліндра). Відбивач у вигляді парасольки 9, який кріпиться за допомогою чотирьох стояків до фланця конфузора, збільшує коефіцієнт витрати регулятора за рахунок зміни напрямку потоку води, що виходить із конфузора. Гумовий ущільнювач 10 забезпечує необхідну герметичність в закритому стані регулятора. 

 

Рис.13.13.Конструктивна схема системи автоматичного регулювання рівня води.

Вимірювальний колодязь 3 сполучений з нижнім б’єфом трубою 12, а з верхнім – трубкою 13. На трубі 12 і трубці13 встановлені вентилі вибору режимів роботи: при відкритому вентилі на трубці 13 і закритому – на трубі 12 регулятор буде закритим, бо рівень води в колодязі зрівняється з рівнем води у верхньому б’єфі; поплавок підніметься, циліндр опуститься і під дією своєї ваги щільно закриє конфузор; при відкритому вентилі на трубі 12 і закритому – на трубці 13 регулятор переводиться на автоматичне регулювання, бо рівні води в колодязі і нижньому б’єфі будуть однаковими.

Зверху поплавок має привантажувальну камеру 5, яка по трубі 2 наповнюється водою, коли рівень води у верхньому б’єфі підніметься до аварійної позначки  . При наповненні камери водою вага поплавка збільшується, що спричиняє повне відкриття регулятора. Внаслідок цього скид води у нижній б’єф значно збільшиться і не виникає переповнення верхнього б’єфу. Коли рівень води опуститься нижче позначки  , вода із привантажувальної камери поступово витече через невеликий отвір і регулятор перейде на режим автоматичного регулювання рівня води у нижньому б’єфі.

Принцип дії регулятора полягає у зрівноважуванні моментів, які діють на важіль. В усталеному режимі момент від маси поплавка   і виштовхувальної сили   дорівнює моменту від маси циліндра  :

 ,                               /13.6/

де   і   плечі важеля.

При зміні втрати води з нижнього б’єфу, наприклад, на  , знижується рівень води в ньому і у вимірювальному колодязі, що спричиняє зменшення сили  . Рівність /13.6/ порушується і циліндр почне переміщуватись вверх, збільшуючи подачу води у б’єф. Цей процес буде йти доти, доки не наступить знову рівність моментів /13.6/. При рівності моментів циліндр займе таке положення, при якому витрата його збільшиться на  .

 

У випадках коли створення гідравлічних перепадів на перегороджуючих спорудах неможливо (пропорційні водоподільники) або недоцільно при малих (0,0001 ... 0,001) ухилах каналів, застосовують електричні системи регулювання, що забезпечують усі відомі способи регулювання рівнів і витрат, тому що давачі можна розташовувати на будь-яких відстанях від керованих затворів. Така система складається з об'єкта регулювання 3 (ділянки каналу, розташованого між давачем і затвором), давача 4, регулятора 1 і виконавчого пристрою 2, що складається з виконавчого механізму і щитового затвора (рис. 13.14).

Робота системи регулювання відбувається в такий спосіб. Вимірювання регульованої величини і перетворення її в електричний сигнал здійснює давач, сигнал з якого надходить у регулятор, де порівнюється з задаючим сигналом, величина якого відповідає необхідному значенню регульованої величини.

 

Рис. 13.14. Структурна схема електричної системи автоматичного регулювання.

 

Різниця задаючого сигналу і сигналу давача перетворюється в регуляторі у відповідності з закладеним законом регулювання у певний сигнал, що включає виконавчий механізм, який змінює положення затвора у напрямку компенсації збурення, яке вплинуло на систему регулювання.

Як уже показано, ділянка каналу як об'єкт регулювання має запізнення  , що залежить від часу добігання (спадання) зміненої витрати від затвора до давача. У неперервних системах регулювання запізнення викликає коливальний процес, якщо час переміщення затвора

  /13.7/

де   – зміна переміщення затвора, при якій забезпечується компенсація витрати, що змінилося;   – швидкість переміщення затвора, буде більшим за  .

Дійсно, якщо  , то за час   затвор переміститься на   і виникне перерегулювання - відхилення регульованої величини протилежного знака відносно усталеного значення. При перерегулюванні регулятор виробить сигнал на переміщення затвора в протилежному напрямку, що при   знову викликає перерегулювання і т.д. Амплітуда коливань може наростати і зумовити переповнення каналу.

Щоб виключити коливання, переміщення затвора   повинне бути залежним від відхилення регульованої величини від заданого значення, тобто

 , /13.8/

де   – коефіцієнт, який визначають з витратної характеристики затвора.

Залежність  /13.8/ може реалізувати регулятор, який при виникненні неузгодженості  , що виходить за зону нечутливості  , виробляє імпульс на переміщення затвора тривалістю

 . /13.9/

Після імпульсу регулятор створює паузу, протягом якої затвор не переміщується, а регульована величина наближається до заданого значення, Якщо за час паузи регульована величина не досягає зони нечутливості  , то регулятор виробляє другий імпульс і т.д. Регулятори, що формують разом з виконавчим пристроєм сталою швидкості такий закон регулювання, називаються пропорційно-інтегральними регуляторами і описуються рівнянням

 , /13.10/

де   і   – відповідно вихідна і вхідна величини регулятора;   – коефіцієнт пропорційності;   – стала часу інтегрування.

Рівнянню /13.11/ відповідає передаточна функція

 .         /13.11/

Для структурної схеми (рис. 13.14) передаточна функція замкнутої системи регулювання матиме вид

 , /13.12/

 

де   – передаточна функція об'єкта;   – передаточна функція вимірювального пристрою.

При швидкій зміні рівнів регулятор доповнюють диференціюючою ланкою. У такому складі регулятор формує пропорційно-інтегрально-диференціальний закон регулювання і його передаточна функція має вигляд

 , /13.13/

де   – стала часу диференціювання, яку можна регулювати в діапазоні 5 ... 500 с.