1.5: Контрольно-вимірювальні прилади та Scada

Результати навчання студентів

Прочитавши цю главу, ви повинні мати можливість:

• Поясніть відмінності між первинними та вторинними приладами
• Перерахуйте різні способи використання водоканалів SCADA для роботи системи розподілу
• Визначте термін телеметрія і як він пов'язаний з SCADA системою

Існує багато різних процесів, які необхідно контролювати оператори водоканалу. Вони включають, але не обмежуючись ними, витрати, суматори лічильників, хімічні дози, тиск, рівні та різні параметри якості води.

Первинне приладобудування

Первинне приладобудування - це прилад, який використовується для вимірювання змінних процесів. Деякі з найбільш поширених змінних процесу, виміряних у системі розподілу води, включають, але не обмежуючись ними, потоки, тиск, рівні, хімічні дози та температури. Цей вид вимірювання технологічного потоку надає операторам водоканалу інформацію про ефективність та загальну роботу системи. Насосні станції, свердловини підземних вод, резервуари для зберігання та інші об'єкти повинні контролюватися, щоб забезпечити їх правильну роботу та сприяти підтримці якості та кількості питного водопостачання.

Датчики витрати

Вимірювання витрати води є важливим аспектом будь-якої розподільної системи. Вимірювання витрати використовуються для контролю потоків, що надходять в розподільну систему (свердловини, очисні споруди та придбані джерела води), потоків, що рухаються через розподільну систему (насосні станції), і потоків, що доставляються споживачам (водопостачання). Вимірювання потоків важливо для обліку кількості води, що купується, перекачується і продається. Потоки також можуть бути використані, щоб допомогти відстежувати, коли частина обладнання потребує обслуговування та/або заміни. Вимірювачі для вимірювання потоків, як правило, мають перепад тиску та швидкості. Вони або передають зчитування безпосередньо в регістр (подібно до одометра автомобіля), або мають імпульсний або електронний вихід для моніторингу у віддалених місцях.

Датчики тиску

Тиск на вході або всмоктуючій стороні насоса і тиск на стороні виходу або нагнітання насоса є важливими параметрами для відстеження. Занадто високий або занадто низький тиск може спричинити проблеми з насосним обладнанням і всередині розподільної системи. Датчики тиску можуть забезпечувати виходи прямого зчитування або надавати електронні імпульси, які можуть передавати показання у віддалені місця. Існує чотири загальних датчика тиску:

• Тензометричний манометр - це найбільш широко використовуваний манометр в сучасному приладобудуванні. Він складається з ділянки дроту, закріпленого на діафрагмі. Діафрагма рухається, змінюючи опір проводу. Це змінюється опір можна вимірювати і передавати електричними ланцюгами.
• Сильфонний датчик - Сильфонний датчик використовує гнучку мідь, яка може розширюватися та стискатися з різним тиском. Це манометр прямого зчитування.
• Гвинтовий датчик - спірально-намотаний трубчастий елемент, який котується і розмотується зі змінами тиску, є гвинтовим датчиком. Це манометр прямого зчитування.
• Труба Бурдона - це напівкругла труба з еліптичним перетином, яка має тенденцію приймати круглу форму поперечного перерізу зі змінами тиску. Це манометр прямого зчитування.

Датчики рівня

Рівень води в грунтових колодязях і резервуарах для зберігання води зазвичай вимірюється. Глибина до грунтових вод важлива для того, щоб рівень грунтових вод не був занадто низьким, а також вказує на те, коли рівень води опускається нижче чаш всередині колодязя. У цей момент слід перекрити колодязь. Рівень води в резервуарах для зберігання також важливо виміряти. Резервуари для зберігання води забезпечують споживачам мільйони галонів води, і дуже важливо, щоб резервуари для зберігання не переливалися і не запускалися порожніми.

• Поплавкові механізми—Простий і недорогий тип пристрою для вимірювання рівня рідини - це поплавок, який їде по поверхні і приводить в рух перетворювач через руку або кабель.
• Елемент діафрагми - Цей тип датчика рівня працює за принципом, що обмежене повітря в трубці стискається по відношенню до напору води над діафрагмою. Потім зміна відчутого тиску пов'язана зі зміною напору води.
• Бульбашкова трубка - бульбашкова трубка забезпечує постійний потік повітря в трубці, яка підвішена у воді. Тиск, необхідний для скидання повітря з трубки, пропорційно напору води над дном трубки. Барботерні трубки не дуже поширені і замінюються новим електронним обладнанням.

Прямі електронні датчики

Зонди, пристрої змінного опору та ультразвукові датчики також використовуються для вимірювання рівнів. Зонд може бути підвішений у воді і має електронну схему, яка виявляє зміну ємності між зондом і водою. Потім він в електронному вигляді перетворює цю інформацію в глибину води. Намотаний резистор всередині напівгнучкої оболонки становить датчик рівня змінного опору. У міру підвищення рівня води частина елемента резистора тимчасово замикається і змінює опір датчика. Цей опір перетворюється на вихідний сигнал рівня. Перетворювачі - це звичайні прилади для вимірювання рівня води, які переводять напір води над пристроєм у сигнал (зазвичай 4-20 мА), який потім перетворюється на ноги голови або тиску.

Датчики температури

Існує два основних типи приладів вимірювання температури, що застосовуються у воді, це термопари і терморезистори. Термопара використовує два дроти, виготовлені з різних матеріалів, які з'єднуються в двох точках. Один провід називається точкою зондування, а інший - опорним з'єднанням. Зміни температури між двома точками спричиняють генерацію напруги, яку потім можна прочитати безпосередньо або передати. Термістор використовує напівпровідний матеріал, такий як оксид кобальту, який стискається до потрібної форми з порошкової форми, а потім піддається термічній обробці з утворенням кристалів, до яких прикріплені дроти. Температурні зміни відображаються при відповідній зміні опору через дроти.

Первинні контрольно-вимірювальні прилади забезпечують вимірювання стану різних одиниць обладнання в режимі реального часу. Частина цієї інформації може бути використана для планування та планування планового технічного обслуговування, а також може бути використана для вказівки, коли щось виходить за межі норми. Ці прилади складаються з датчика, який реагує на фізичний стан, що вимірюється, та індикатора, який перетворює сигнал у дисплей на індикаторі.

Датчики обладнання

Кілька параметрів контролюються для різних одиниць обладнання в розподільчій системі. Електричні датчики використовуються для контролю напруги (вольт), струму (ампер), опору (Ом) і потужності (Вт). Лічильник D'Arsonval використовується для вимірювання вольт, ампер і Ом на обладнанні. Це пристрій для вимірювання струму, де електромагнітний сердечник підвішений між полюсами постійного магніту.

Хоча ці типи датчиків використовуються протягом багатьох років, цифрові датчики, які вказують значення безпосередньо, в даний час частіше зустрічаються в галузі.

Стан обладнання є важливим параметром для контролю. Загальні монітори стану обладнання включають, але не обмежуючись ними, датчики вібрації, положення, швидкості та крутного моменту. У будь-який час, коли обладнання включається, вимикається або просто працює, виникає вібрація. Це нормально, коли компоненти всередині обладнання знаходяться в хорошому стані, а потік енергії плавний. Однак у міру старіння компонентів і починають зношуватися вібрація може збільшуватися. Датчик вібрації, особливо в місцях, де щоденні візуальні огляди неможливі, може бути підключений до ланцюга живлення і відключити обладнання, якщо вібрація перевищує задане значення.

Подібні датчики, що вимірюють швидкість, крутний момент, положення та різні інші параметри, також можуть використовуватися для моніторингу обладнання та захисту від надмірних пошкоджень шляхом відключення обладнання в заданих заданих заданих точках.

Аналізатори процесів

На додаток до датчиків, що використовуються для моніторингу стану обладнання, різні інші процеси зазвичай контролюються в галузі водоканалу. Вимірювання якості води є важливим і поширеним явищем. Хоча вимірювання параметрів якості води на очисних спорудах питної води є рутинним, існує кілька параметрів якості води, що контролюються в розподільних системах.

Одним з найпоширеніших параметрів якості води, що вимірюються в розподільних системах, є залишковий дезінфікуючий засіб. Хлор або хлораміни - це хімічні речовини, що використовуються для забезпечення збереження біологічної цілісності питної води. Аналізатори залишкового хлору та хлораміну зазвичай використовуються для вимірювання якості води на джерелах постачання, таких як свердловини ґрунтових вод та придбані джерела води. Вимірювання можуть викликати тривоги або можуть бути автоматично налаштовані, якщо виміряний параметр виходить за межі заданих заданих точок.

Вторинне приладобудування

Вторинне приладобудування перетворює сигнали від датчиків і первинних приладів. Існує кілька способів приладобудування прийому і передачі (вказує) параметрів. Існує безліч способів, включаючи, але не обмежуючись, індикатори прямого зчитування, які виражають такі значення, як галони на хвилину (gpm) для потоків, вольт від двигунів та тиск, виражений у фунтах на квадратний дюйм.

Деякі приймачі та індикатори збирають і записують дані. Діаграми іноді використовуються для вираження значень, таких як смугова діаграма, показана нижче. Інші реєстратори відображають загальні накопичені значення або деяку комбінацію збору даних та вираження.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Зображення знаходиться у відкритому доступі

На аналогових пристроях значення будуть плавно варіюватися від мінімальних і максимальних значень. Вони, як правило, легше читати відносне положення значення, яке відображається у всьому діапазоні. Якщо значення потрапляють між масштабованими значеннями на дисплеї, їх можна легко оцінити. На цифрових пристроях точність, як правило, краща, ніж аналогові системи, і їх дуже легко читати. Значення, як правило, десяткові числа на механічних або електронних дисплеях. Однак оцінити точне значення при падінні показань між поділами на дисплеї складно.

Коли датчики і індикатори розташовані не в одній зоні, потрібен якийсь тип обладнання для відправки сигналу від датчика на індикатор. У цих випадках часто використовується телеметрія. Системи ранньої телеметрії використовували звукові тони або електричні імпульси. Цифрові системи є загальними і використовують двійковий код для передачі сигналів. Сигнал датчика подається в передавач, який потім генерує серію імпульсів включення-виключення. Кількість імпульсів включення-виключення являє собою число. Наприклад, імпульсна послідовність вимкнення/вимкнення являє собою число п'ять (5). Передавальний пристрій в цифровій системі називається віддаленим термінальним блоком (RTU), а приймач називається блоком управління терміналом (CTU).

Всякий раз, коли потрібно надсилати кілька сигналів від більш ніж одного датчика по одній лінії електропередачі, існує кілька методів, які можна використовувати. Тональна частота посилає сигнали по одному проводу або радіосигналу, маючи генератори тональної частоти в передавачі. Кожен параметр надсилається з різною частотою. Усередині приймача є фільтри, які розбирають сигнали і відправляють їх на відповідний індикатор. Прикладом цього є одна телефонна лінія голосового класу. Цілих двадцять одна (21) частота може бути відправлена над цими типами систем.

Скануюче обладнання використовується для передачі значення декількох параметрів по одному в заданій послідовності. Приймач декодує сигнали і відображає кожен з них в певному повороті. Скануюче обладнання також можна поєднувати з тональною частотою, щоб дозволити ще більше сигналів по одній лінії передачі. Опитування - це система, яка використовується, де кожен інструмент має свою унікальну адресу. Системний контролер надсилає повідомлення з проханням певної одиниці обладнання передати свої дані.

Дуплексування - останній процес передачі сигналів, який ми будемо обговорювати. Існує три (3) типи систем дуплексування: повний дуплекс, напівдуплекс і симплекс.

• У повнодуплексних системах сигнали можуть проходити в обох напрямках одночасно
• Напівдуплексні системи дозволяють сигналам проходити лише в одному напрямку за раз
• Симплексна система дозволяє сигналам проходити лише в одному напрямку

Системи управління

Ідея контрольно-вимірювальних приладів і систем управління полягає в отриманні можливості вносити зміни або поправки в вимірювані параметри. Так, дуже цінно знати, що таке залишок хлору в свердловині підземних вод, але якщо вам потрібно відвідати місце, щоб внести фактичні зміни на основі сигналів, що надходять від датчика, то цінний час може бути втрачено. Тому системи управління надзвичайно корисні. Система управління дозволяє здійснювати коригування на основі даних, що передаються та приймаються. Системи управління можуть бути розбиті на чотири (4) основних типи систем.

• Прямий посібник - пряма ручна система, є найпростішою та найменш складною системою управління. Компоненти контролюються оператором, який повинен фізично відвідати кожне місце, щоб внести зміни. Наприклад, якщо передається сигнал, який вимагає відключення системи, в системі прямого ручного управління оператор повинен виїхати на місце і вручну вимкнути компонент. Цей тип системи має низьку початкову вартість і має мало складне обладнання для обслуговування. Однак це вимагає праці та експертизи оператора та судження.
• Дистанційне керівництво - У системі дистанційного ручного керування оператор може вносити корективи в системи та компоненти з віддаленого місця. Цей тип системи все ще вимагає досвіду оператора та судження, але вимагає меншої фізичної праці. Прикладом такого типу системи управління може бути, коли насос потрібно включити або вимкнути. Замість того, щоб вимагати від оператора фізичного відвідування місця для виконання цього завдання, ним можна керувати дистанційно з диспетчерської або якогось віддаленого місця.
• Напівавтоматичний - Цей тип системи управління поєднує ручне управління з віддаленого місця (диспетчерська) з автоматичним управлінням конкретними одиницями обладнання. Прикладом цього може бути автоматичний вимикач. Вимикач відключиться автоматично у відповідь на перевантаження, але потім його потрібно скинути вручну. Така «скидання» може бути віддалено або на об'єкті.
• Автоматичний - Повне автоматичне управління - це коли обладнання може вмикати та вимикати або регулювати свою роботу у відповідь на сигнали датчиків та аналітичних приладів. Існує два загальних режими автоматичного управління: включення-виключення диференціальний і пропорційний.
  • On-Off Диференціальні системи управління включають обладнання або повністю вмикають або вимикають у відповідь на сигнал. Норму обладнання потрібно було б регулювати вручну.
  • Пропорційні системи управління регулюють змінні автоматично. Пропорційні системи управління можуть бути розбиті на три (3) основних типи.
    • Feedforward пропорційний контроль вимірює змінну, таку як дозування хлору. Витрата води вимірюється і чим швидше (або більше) вода протікає через лічильник, система подачі хлору збільшує кількість хлору. Цей тип системи корисний, але він не може враховувати різну потребу в хлорі.
    • Зворотній зв'язок пропорційний контроль вимірює вихід процесу, а потім реагує на регулювання роботи одиниці обладнання. Цей тип системи також називають системою управління «замкнутим циклом», оскільки вона постійно самостійно коригується. Ці системи можуть викликати клопіт, якщо є широкі коливання витрати води.
    • Комбіновані системи управління регулюються у відповідь на зміни витрати, але аналізатор, що контролює дозування хлору, вносить незначні корективи в швидкість подачі хімічної речовини для підтримки обраного залишку, що вимірюється в готовій воді.

Наглядовий контроль та збір даних

Процеси, розглянуті в цьому розділі, об'єднані в систему наглядового контролю та збору даних (SCADA). SCADA - система, яка використовується в різних галузях промисловості, включаючи системи очищення та розподілу питної води. Існують польові пристрої (первинні контрольно-вимірювальні прилади), такі як датчики, які зчитують різні параметри, посилаючи сигнали, які приймаються і передаються (вторинне приладобудування) за допомогою телеметрії, в централізовану комп'ютерну систему. Це дозволяє оператору повне уявлення про розподільну систему, щоб побачити, як все працює.

Ілюстрація\(\PageIndex{2}\): Зображення Міністерства сільського господарства США знаходиться у відкритому доступі

Різноманітні компоненти та процеси контролюються в системі розподілу питної води, включаючи, але не обмежуючись, рівні резервуарів для зберігання, витрати насосної станції, тиск, глибину свердловин ґрунтових вод та хімічну подачу, такі як системи дезінфекції.

Ось простий приклад того, як працює SCADA система у водорозподільній системі.

Колодязь грунтових вод забезпечує подачу води в розподільну систему. Отже, як же включається цей колодязь і починає перекачувати воду? Роки тому оператор виїхав до колодязя, відкривав ворота на об'єкт, вставляв ключ, щоб розблокувати панель управління, а потім повернув перемикач, щоб увімкнути його. Вода буде надходити в розподільну систему через мережу труб. Якщо клієнт вмикає кран, вода буде виходити назовні. Чим ніхто не користувався водою при включенні колодязя? Потім вода буде надходити в резервуар для зберігання води. Цей бак почне наповнюватися. Що буде, якби колодязь не перекрили? Очевидно, досить, що накопичувальний бак буде переповнений. Отже, як би оператор дізнався, коли закрити свердловину? Без якоїсь комп'ютерної системи, сигналу або сигналізації оператору потрібно було б під'їхати до бака і візуально подивитися на рівень води. Потім оператор їде назад до місця свердловини і перекривав свердловину. Це не дуже складно, але зате є трудомістким і трудомістким. Перенесемо в епоху комп'ютерів. У резервуарі для зберігання води може бути встановлений датчик для контролю рівня. За допомогою системи SCADA можна запрограмувати певні задані точки рівня, щоб повідомити іншому набору датчиків, коли потрібно вмикати та вимикати щось на зразок свердловини грунтових вод. Це дуже спрощений приклад того, як працює SCADA система, але він адекватно пояснює процес надсилання сигналу датчиком, комп'ютерної системи, яка зчитує цей сигнал та відповідає функцією.

Диспетчерська, як правило, обладнана інтерфейсом людина-машина (HMI). Цей інтерфейс є вікном у систему SCADA. Він графічно відображає всі об'єкти всередині системи. Резервуари, насоси, джерела постачання з'єднані між собою, щоб переконатися, що вода постійно розподіляється по всій системі. Система зазвичай оснащена різними сигналами тривоги для віддаленого сповіщення операторів через пейджери, текстові повідомлення або якийсь інший тип віддаленого сповіщення. Це дозволяє системі постійно функціонувати без того, щоб хтось сидів за комп'ютером двадцять чотири (24) години на добу, сім (7) днів на тиждень. Оператор отримує сигнал тривоги, і тоді повністю навчений оператор або перевірить, що тривога була знята після повернення процесу до нормальної роботи, або повідомить оператору, що для виправлення системи можуть знадобитися додаткові завдання.

Зразки питань

1. Що з перерахованого нижче використовується для вимірювання тиску?
   1. Спіральний
   2. Багатоструменевий
   3. Тензодатчик
   4. Все вищесказане
2. Що з перерахованого нижче використовується для вимірювання низького тиску?
   1. Сильфон датчик
   2. Гвинтовий датчик
   3. Трубка Бурдона
   4. Все вищесказане
3. Бульбашкові трубки повинні бути встановлені ___________.
   1. У верхній частині бака
   2. В середині бака
   3. У нижній частині бака
   4. Де завгодно в резервуарі
4. Який з перерахованих нижче приладів для вимірювання температури використовує два дроти?
   1. Термометр
   2. Термістер
   3. Термостат
   4. Термопара
5. Який із наведених нижче приладів для вимірювання температури використовує оксид кобальту як напівпровідний матеріал?
   1. Термометр
   2. Термістер
   3. Термостат
   4. Термопара
6. Який тип контролю не враховував би різний попит на хлор?
   1. Зворотній зв'язок пропорційний
   2. Подача пропорційна
   3. Комбінований
   4. Все вищесказане
7. Яке з перерахованого нижче є найменшим виміром потужності?
   1. Напруга
   2. Ампер
   3. Ом
   4. Ватт
8. Ампер - це вимір ___________.
   1. Поточний
   2. Опір
   3. Потужність
   4. Напруга
9. SCADA позначає ___________.
   1. Автономна аналогова цифрова збірка
   2. Покращений комп'ютер і збір даних
   3. Наглядовий комп'ютер і цифрова Асамблея
   4. Наглядовий контроль та збір даних
10. Що з перерахованого дозволяє сигналам проходити тільки в одному напрямку?
    1. Напівдуплекс
    2. Повний дуплекс
    3. Симплекс
    4. Все вищесказане