Автоматизация автономной системы подачи воды на животноводческий комплекс

В статье дается обоснование расчета и выбора автоматизированной системы подачи воды на животноводческий комплекс. Также в статье приводится настройка измерителя-регулятора ОВЕН ТРМ202, используемого в этой системе.

Ключевые слова: автоматизация, измеритель-регулятор, датчик преобразователя давления

На территории Краснодарского края активно развиваются и строятся животноводческие фермы и комплексы, которые находятся на отдаленном расстоянии от крупных населенных пунктов, что приводит к затратному подключению к системе водоснабжения. Для решения данной проблемы можно использовать грунтовые, межпластовые или артезианские воды, что намного эффективнее, дешевле в подключении и имеет самоокупаемость.

Грунтовая вода располагается на первом от поверхности земли водонепроницаемом слое (рисунок 1), получая постоянную атмосферную подпитку в виде дождя или снега, имеет небольшой запас, и обычно не подходит для питья. Для добычи грунтовой воды обычно бурят скважины. Из-за особенности гидравлики для скважины глубиной 9 метров используют поверхностные насосы, а свыше 9 метров поверхностные насосы с внешним эжектором.

Рисунок 1. Уровень грунтовых вод

Артезианские воды чище и пригодны для питья, располагаются на втором водонепроницаемом слое. Артезианский водоносный горизонт (рисунок 1) вообще не подвержен прямому влиянию климата и времени года, поэтому вода в скважине и зимой и летом имеет одинаковый уровень. Глубина скважины от 20 – 100 метров и выше, требует установки более мощных скважных насосов.

Для бесперебойного водоснабжения необходимо автоматизировать процесс добычи воды [1]. Для этой задачи используем датчик давления (преобразователь давления), измеритель регулятор, скважной насос, и емкость для хранения воды. Согласно нормативному документу СП 31.13330.2012 актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84 [2], нормативное давление для потребителей являются: от 0,3 до 6 атмосфер для холодной воды, от 0,3 до 4,5 атмосферы для горячей воды. Для создания нужного давления, регулирования напора и расхода воды, создания ее запаса и выравнивания графика работы насоса, необходимо построить водонапорную башню. Для определения необходимой высоты водонапорной башни используем формулу гидростатического давления:

Для определения объема водонапорного бака, нужно рассчитать максимальный часовой расход воды и обеспечить 2-3 часа бесперебойного водоснабжения в случае отключения электричества. Предположим, что автоматизация проходит на животноводческой ферме крупного рогатого скота. На ферме 200 коров, 8 доярок, 4 скотника и 2 электрик, тогда среднесуточный расход воды:

Исходя из этого выбираем водонапорную башню (Рожновского) БР-50У-15, объемом 50м3 , высотой 15 метров. Насос выбирается в зависимости от глубины залегания артезианского водоносного горизонта с учетом максимального часового расхода воды 2 м 3 /ч, например, если глубина скважины 100м, необходимое давление напора на выходе трубы 2атм, расстояние от насоса до дна скважины 5 м, высота башни 15м, то напор насоса должен быть:

В таком случае выбираем насос UNIPUMP ECO 8, напор 150 м, производительность 3м3 /ч, мощность 2200 Вт. После выбора водонапорной башни и насоса, необходимо, разработать схему автоматизированного управления насосом [1], для бесперебойного обеспечения водой животноводческой фермы.

Главным элементом для поддержания постоянного уровня воды в водонапорной башне служит преобразователь давления Cerabar M PMC 45 с керамическим сенсором и гигиеническим фланцем для подключения к системе водоснабжения, рассчитанный на давление в 4 бар и измеритель-регулятор ОВЕН ТРМ202 для управление насосом (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема подключения комплектующих к измерителю-регулятору

Основным элементом преобразователя давления служит керамический сенсор – сухой чувствительный элемент с прямым воздействием давления процесса на керамическую диафрагму, деформируемую максимально на 0,025 мм. Изменение электрической емкости, измеряемой между электродами на диафрагме и керамической основе, пропорционально изменению давления.

Преобразователь Cerabar M PMC45 (на схеме элемент АА2) подключается к источнику постоянного напряжения 11,5 – 45В (на схеме элемент G1) и при изменении давления на керамический сенсор выдает сигнал в виде постоянного тока в диапазоне 4 – 20мА на измеритель-регулятор ТРМ 202 (на схеме элемент АА1), который в свою очередь управляет пускатель KM1.

Пускатель KM1 рассчитан на питание от того же источника питания G1 и управляет контактной группой KM1.1, включая/отключая насос M1. Для правильной работы преобразователя давления его необходимо откалибровать, использовав калибраторы давления, к примеру, портативный калибратор давления Метран-517 или эталонный модуль давления Метран-518, после калибровки, нужно настроить работу измерителя – регулятора, пример настройки представлен в таблице 1.

Принцип работы: Принцип работы основывается на типе логики работы компаратора обратное управление («нагреватель»), допустим задано давление в 1,2 бар/120кПа, гистерезис по умолчанию 60 кПа (можно изменять в соответствующем пункте настроек, см. Таблица 1).

При пустой емкости водонапорной башни, измеритель-регулятор АА1 запустит насос М1 через пускатель КМ1. Как только давление в емкости станет 180 кПа (120+60), насос отключится (График 1). При потреблении воды давление в емкости будет падать, и когда упадет до 60кПа (120-60), насос повторно включится. Учитывая объѐм емкости 50м 3 и среднесуточный расход воды в 17м 3 при нормальной работе фермы, насос будет запускаться раз в 2ое суток.

График 1. Примерный график работы автоматизированного водоснабжения

Вывод: данная автоматизация водоснабжения животноводческой фермы и комплекса, способна не только бесперебойно обеспечивать водой, но и значительно увеличить срок работы насоса.

Список литературы:

1) Моногаров С.И. «Автоматизация производственных процессов» Учебное пособие по изучению дисциплины для студентов всех форм обучения направления 13.03.02 – Электроэнергетика и электротехника / Армавир, 2017.

2) Министерство регионального развития Российской Федерации. Свод правил СП31.13330.2012 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНИП 2.04.02-84*, издание официальное, Москва, 2012

3) Поение коров - нормы потребления воды и организация водопоя. Ссылка https://fermers.ru/zhivotnovodstvo/krs/poenie (дата обращения 01.12.17).

Авторы: Моногаров Сергей Иванович к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет» Армавирский механико-технологический институт, (г. Армавир), Пожидаев Никита Константинович студент 4 курса ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет» Армавирский механико-технологический институт, (г. Армавир)