Система регулирования уровня воды на канале Советский патент 1993 года по МПК G05D9/12 

Изобретение относится к автоматическому регулированию, а именно, к системам автоматического водорегулирования уровней и расходов воды на открытых каналах.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности регулирования, надежности функционирования системы при использовании ее для регулирования водораспределения на открытых каналах, принадлежащих к системе гидротехническое сооружение - водохранилище - насосная станция - гидротехническое сооружение.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемой системы.

Система содержит участки канала 11,12,..., 1п, водохранилище 2, датчики 3i уровня в начале и датчики За уровня в конце

каждого участка канала, насосные станции 4 подкачки, датчик расхода 5 потребителя, первый сумматор 6, широтно-импульсный регулятор 7, исполнительный блок 8, затвор 9, насосную станцию 10 перекачки, первый пороговый блок 11, блок 12 сравнения, второй пороговый блок 13, блок управления 14, расходомер 15.

В качестве датчика уровня применяются датчики уровня типа РУС. Кроме того датчик 3 уровня содержит измерительное устройство 16, элемент 17 сравнения и задающее устройство 18 (фиг. 2). Таким образом, на выходе каждого датчика 3 уровня имеются сигналы ДНн(х), ДНк(т.), пропорциональные отклонению уровней воды от заданного значения в начале и/или в конце участков канала.

ь/

Ј

а

о:

ч N О Сл

Широтно-импульсный регулятор 7, связанный с гидротехническим сооружением в начале каждого участка канала, содержит мостовую схему 19, второй сумматор 20, блок 21 выделения модуля, генератор 22 пилообразного напряжения, компаратор 23, релейный элемент 24 и формирователь 25 импульсов (фиг. 3).

Широтно-импульсный регулятор 7, связанный с гидротехническим сооружением в конце участка 12 канала перед водохранилищем, содержит третий сумматор 26, блок 27 выделения модуля, генератор 28 пилообразного напряжения, компаратор 29, релейный элемент 30 и формирователь 31 импульсов (фиг. 4).

Насосная станция 10 перекачки содержит насосные агрегаты 32i, 32232m (фиг.

5). Первый пороговый блок 11 содержит пороговые элементы 33i, 332 (фиг. 5). Второй пороговый блок 13 содержит пороговые элементы 34i, 342 (фиг. 5). Блок 14 управления содержит определитель 35 очередности включения, определитель 36 очередности отключения и логические схемы ИЛИ 37i, 372 (фиг. 5). Определитель 35 очередности включения содержит первое реле 38 времени, первый формирователь 39 импульсов, первый распределитель 40 импульсов и блок 41 включения (фиг. 5). Блок 41 включения содержит, электронные ключи 42i, 42242m, реле 43i, 43243m (фиг. 5).

Определитель 36 очередности отключения содержит второе реле 44 времени, второй формирователь 45 импульсов, второй распределитель 46 импульсов и блок отключения 47 (фиг. 5).

Блок 47 отключения содержит электронные ключи 48i, 48248m, реле 49i,

49249m, (фиг. 5).

На фиг. 6 представлен возможный вариант реализации первого 40 или второго 46 распределителей импульсов для случая (т - количество насосных агрегатов насосной станции 10 перекачки).

Распределители 40, 46 импульсов при содержат триггеры 50i, 502, 50з, 504 и элемент 51 ИЛИ-НЕ. Элемент 51 ИЛИ-НЕ предотвращает возможность одновременного включения двух триггеров или более, для этого выходы всех триггеров 311, 312, , подаются .на входы элемента 51 ИЛИ- НЕ. Когда переключится последовательный триггер 504, на входе элемента 51 ИЛИ-НЕ

со всех выходов триггеров 50i, 502,504

будут поданы нули, то есть комбинацию 0000, что обеспечит поступление на вход первого триггера 50т единицы и подготовку распределителей 40-46 к работе. Если вместе с переключением последнего триггера

504 будет переключаться еще какой-нибудь триггер, например, второй 502, то на вход элемента 50-| ИЛИ-НЕ будет подана комбинация 0100 вместо 0000, что не обеспечит

снятие с его выхода единицы и в этом случае распределители 40-46 не работают.

На фиг. 7 представлена временная диаграмма функционирования распределителей 40-46, которая иллюстрирует их

принцип работы.

В системе регулирование уровней воды на канале осуществляется по схеме с перетекающими объемами, согласно которой связь между отклонением уровней воды

A HH(t) от заданного значения в начале каждого участка канала и отклонением уровней воды Л HK(t) от заданного значения в конце этих участков определяется соотношением

AHH(thKAHK(t),

где К- коэффициент, учитывающий соответствие расхода потребителей Qn и расхода, подаваемого гидротехническим сооружением в голове рассматриваемого участка канала QB.

Учитывая, что многие оросительные системы оснащены телемеханическими линиями связи, в предлагаемой системе для увеличения надежности функционирования

путем сокращения элементов системы регулирования уровня воды, в отличие от прототипа, применяется не радиолиния связи, а кабельная линия связи системы телемеханики.

Система работает следующим образом. В исходном состоянии расход, подаваемый в канал и разбираемый насосными станциями 4 подкачки (потребителями), сбалансирован и система работает устойчиво. При этом

уровни воды в начале и конце каждого участка канала и в конце водохранилища поддерживаются постоянными.

При нарушении баланса между подаваемым расходом и забираемым на каком-либо участке, например, пятом Is, с выхода .датчика 5 расхода потребителя снимается сигнал qs(t), пропорциональный величине изменения расхода насосной станции 4 подкачки этого участка. Информация с этого

датчика поступает на первый вход первого сумматора 6 рассматриваемого участка, где суммируется сигналами об изменении расхода потребителей на всех нижерасположенных участках канала. При этом на

выходе первого сумматора 6 пятого участка канала имеется сигнала (I(t), пропорциональный суммарному расходу потребителей рассматриваемого и всех нижерасположенных участков канала.Таким образом,сигнал

ft(t) на выходе первого сумматора 6 i-ro участка канала (,4,...n) определяется выражением

&(t)-qi(t)+ Фм- 9 qi(t). (2)

где п - общее количество участков канала;

qi(t)- сигнал, пропорциональный расходу потребителя 1-го участка;

Ф-м - сигнал, пропорциональный суммарному расходу потребителей всех нижерасположенных участков канала, ,4...п.

Сигнал fe(t) на выходе первого сумматора 6 пятого участка канала поступает на третий вход широтно-импульсного регулятора 7, связанного с гидротехническим соо- ружением в начале участка. Широтно-импульсный регулятор 7 по сигналу ФБ(Т.) формирует управляющие импульсы, которые воздействуют на исполнительный блок 8 и перемещают затвор 4 гидротехнического сооружения. На- правление перемещения затвора 4 определяется знаком суммарного сигнала на выходе второго сумматора 20 широтно- импульсного регулятора 7. Необходимо отметить, что суммирование сигналов во втором сумматоре 20 производится с учетом коэффициента ft соответствия изменения уровней воды от изменения расходов воды потребителей и постоянного коэффициента веса К, характеризующего специфические особенности участков канала (осредненная глубина, ширина по дну, длина и т.д.).

Для увеличения точности управления водораспределением на каждом участке канала выходные сигналы датчиков 3i, 32 уровней воды, пропорциональных отклонениям AHH(t), AHK(t) уровней воды в начале и конце участка канала, поступают соответственно на первый и второй вход широтно-. импульсного регулятора 7, связанного с гидротехническим сооружением в начале участка. При этом, если равенство (1) не выполняется, на выходе (в диагонали) мостовой схемы 19 регулятора 7 появляется сигнал Ux(t), пропорциональный величине несоответствия расхода потребителя и расхода, подаваемого в начале участка. Широтно-импульсный регулятор 7 i-ro участка (.5Сформирует управляющие импульсы согласно алгоритму П

UmMMi(t)(t)+KiUxi(t).(3)

где Ki - постоянный коэффициент веса i-ro участка канала:

Uxi(t)- сигнал в диагонали мостовой схемы 19 регулятора 7 i-ro участка.

Таким образом, величина открытия затвора 4 любого участка канала зависит от суммарного расхода потребителей данного и всех нижерасположенных участков канала и от величины несоответствия расхода потребителя и расхода, подаваемого в начале

рассматриваемого участка. В отличие от прототипа в предлагаемой системе сигналы об отклонениях уровней воды в начале и конце каждого участка канала не передаются в вышерасположенные участки канала.

Это объясняется тем, что для достижения требуемого быстродействия управления достаточно формировать управляющие сигналы на каждом участке канала с учетом сигнала, пропорционального суммарному

расходу потребителей рассматриваемого и всех нижерасположенных участков канала. При этом сокращается количество элементов системы и увеличивается надежность ее функционирования.

На выходе блока 12 сравнения имеется сигнал Ј (t), определяющий разницу между расходом QHC. подаваемым насосной станцией 10 перекачки, и суммарным расходом потребителей участка канала после водохранилища и всех нижерасположенных участков канала, то есть

ЈМ Онс«- «,

(4)

35

Если QHc(t)

qi(t).

(5)

то сигнал Ј (t) равен нулю и при этом блок

14 управления не изменяет количество работающих насосных агрегатов 32i насосной станции 10. При нарушении равенства (5) на выходе блока 12 сравнения появится сигнал Ј (t), который одновременно поступает на

вход второго порогового блока 13, на второй вход первого сумматора участка канала, расположенного перед водохранилищем и на второй вход регулятора 7, связанного с гидротехническим сооружением в конце

участка канала перед водохранилищем. Если сигнал Ј (t) имеет положительный знак, то расход, подаваемый насосной станцией 10, больше суммарного расхода, отбираемого потребителями. И наоборот, если сигнал

Ј (t) имеет отрицательный знак, то расход, отбираемый потребителями, больше расхода, подаваемого насосной станцией 10. Сигнал Ј (t) одновременно поступает на вход пороговых элементов 34i, 342 второго порогового блока 13. Если сигнал е (t) имеет отрицательный знак и его значение превышает пороговое значение, равно 70% расхода дополнительных насосных агрегатов 32| насосной станции 10 перекачки, то срабатывает пороговый элемент 34i и через логическую схему ИЛИ 37i блока 14 управления включается определитель 35 очередности включения, который включает в работу первое реле 38 времени с задержкой, необходимой для подтверждения возникшего значения разбаланса. При этом первый формирователь 39 импульсов формирует один прямоугольный импульс, который поступает на вход первого распределителя 40 импульсов.

Распределитель 40 импульсов распределяет подаваемые на его вход импульсы по всем его выходам. При этом обеспечивается поочередное возникновение импульсов на его выходах.

Так как первый насосный агрегат 321 насосной станции 10 включен, выходной импульс формирователя 39 импульсов поступает на вход второго триггера 502 распределителя 40 импульсов. При этом на втором выходе 02 распределителя 40 появится импульс, который поступает на вход ключа 422 блока 41 включения, что обеспечивает срабатывание реле 432, замыкание его контакта и включение насосного агрегата 322. Это обеспечивает ступенчатое изменение на величину расхода агрегата 32а расход, подаваемый на участок канала, расположенный после водохранилища. Если после включения дополнительного насосного агрегата 322 выходной сигнал c(t) блока сравнения еще превышает пороговое значение порогового элемента 34i, то процесс повторяется и при этом включается дополнительный насосный агрегат 32з и т.д. Дополнительные агрегаты насосной станции 10 будут включены, пока не зополнятся резервные объемы участка после водохранилища и всех нижерасположенных участков канала.

Если сигнал Ј (t) имеет положительный знак и его значение превышает пороговое значение, равное 70% расхода дополнительного насосного агрегата 32к то есть если расход, подаваемый насосной станцией 10 больше расхода, забираемого потребителями, то срабатывает второй пороговый элемент 342 второго порогового блока 11 и при этом через логическую схему ИЛИ 372 блока 14 управления включается определитель 36 очередности отключения. Второе реле 44 времени с задержкой, необходимой для подтверждения возникшего разбаланса.

выдает команду на второй формирователь

45импульсов. При этом формирователь 45 формирует один прямоугольный импульс, который поступает на вход второго распределителя 46 импульсов. Прямоугольный импульс формирователя 45 поступает на вход С первого триггера 50i распределителя 46. При этом на первом выходе распределителя

46появится импульс, который поступает на 0 вход ключа 48i блока выключения 47 и обеспечивает срабатывание реле 49i, размыкание его контакта и отключение насосного агрегата 32i. Это обеспечивает ступенчатое изменение на величину расхода агрегата

5 32i расход, подаваемый на участок канала после водохранилища. Если после выключения дополнительного насосного агрегата 32i выходной суммарный сигнал блока 12 сравнения не изменил знак и превышает

0 пороговое значение порогового элемента 34а, то процесс повторяется и при этом выключается очередной агрегат 322 и т.д.

Настройка пороговых элементов 34i, 342 второго порогового блока 13 обеспечи5 вается, исходя из требования уменьшения числа срабатываний насосных агрегатов 32j насосной станции 10 за счет максимального использования резервных объемов в канале. Это увеличивает надежность функциони0 рования насосной станции 10 и существенно сокращает расход электроэнергии.

Если в результате включения или отключения насосных агрегатов 32i насосной

5 станции 10 уровень воды в начале и/или конце участка канала после водохранилища достигает максимально или минимально допустимых значений, то срабатывает первый пороговый блок 11. Пороговый элемент 33i

0 первого порогового блока 11 срабатывает, если уровень воды в начале и/или в конце участка канала после водохранилища достигает минимально допустимого значения. При этом на его выходе появится сигнал,

5 который через логическую схему ИЛИ 37i блока 14 управления включает определитель 35 очередности включения и, соответственно, включаются в работу дополнительные насосные агрегаты 32i на0 сосной станции 10, что не допускает опорожнения участка канала и увеличивает надежность функционирования насосной станции 10. Пороговый элемент 332 порогового блока 11 срабатывает, если уровень

5 воды в начале и/или в конце участка канала достигает максимально допустимого значения. При этом на его выходе появится сигнал, который через логическую схему ИЛИ блока 9 управления включает определитель 36 очередности отключения и, соответственно, отключаются дополнительные насосные агрегаты 32| насосной станции 10, что не допускает непроизводительные сбросы оросительной воды и излишние расходы электроэнергии.

Для обеспечения безопасной работы насосной станции 10 необходимо поддерживать заданный уровень воды в водохранилище. Для этого сигнал об отклонениях уровня воды в выбранном створе водохранилища (в данном случае целесообразно установить створ в конце водохранилища) передается на первый вход широтно-им- пульсного регулятора 7,с вязанного с гидротехническим сооружением в конце участка канала перед водохранилищем.

Для увеличения быстродействия управления водораспределением по всему каналу выходной сигнал е (t) блока сравнения 12, несущий информацию о рассогласовании между расходом, подаваемым насосной станцией 10 и расходом потребителей всех нижерасположенных участков канала, начиная с участка, расположенного после водохранилища, поступает на второй вход широтно-импульсного регулятора 7, связанного с гидротехническим сооружением в конце участка перед водохранилищем и на второй вход первого сумматора 6 участка канала перед водохранилищем.

Широтно-импульсный регулятор 7, связанный с гидротехническим сооружением в конце участка канала перед водохранилищем, формирует управляющие импульсы согласно алгоритму

иШимвМ / к (t)+KB ДНквМ.(6)

где-УшимвСт) - выходной сигнал широтно-импульсного регулятора 7, связанного с гидротехническим сооружением в конце участка канала перед водохранилищем;

KB постоянный коэффициент веса, характеризующий специфические особенностиводохранилища (глубина, геометрические параметры и т.д.); А НквМ отклонение уровней воды от I заданного значения в выбранном створе во- j дохранилища.

| Необходимо отметить, что третий сум- |матор 26 широтно-импульсного регулятора |7, связанного с гидротехническим сооруже- j нием в конце участке канала перед водохра- нилищем. осуществляет суммирование сигналов Ј(t)n Д HK(t) с учетом коэффици- |ентов flu Кв.

| Таким образом, регулирование уровней воды в водохранилище осуществляется с учетом изменения расхода потребителей

0

всех нижерасположенных участков канала, начиная с участка после водохранилища.

Выходной сигнал первого сумматора 6 участка перед водохранилищем и первого участка канала определяется выражением

ФМ Jqi(t)+ e(t)..2.(7)

то есть, выходной сигнал блока 12 сравнения в первом сумматоре 6 участка перед водохранилищем и первого участка канала суммируется с сигналом, пропорциональным расходу потребителей этих участков канала. Это также приводит к увеличению

с быстродействия управления водораспределением по всему каналу.

Широтно-импульсный регулятор 7, связанный с гидротехническим сооружением в начале первого или участка канала перед

п водохранилищем, формирует управляющие импульсы согласно выражению

ишим(т) Ј P W+ «W +KiUXi(t), (8)

5 где .2.

Таким образом, широтно-импульсный регулятор 7, связанный с головным гидротехническим сооружением, формирует сигнал управления водораспределением с

0 учетом суммарного расхода потребителей всех участков канала, что существенно повышает быстродействие управления по всему каналу. Динамическая точность управления повышается в результате учета

5 в алгоритме управления широтно-импульсного регулятора каждого участка канала отклонения уровней воды от заданных значений в начале и/или в конце рассматриваемого участка канала в отдельности, т.е.

0 без учета отклонений уровней воды от заданных значений в начале и/или конце всех нижерасположенных участков канала. Надежность функционирования системы повышается за счет сокращения количества

5 элементов системы управления, передачи сигналов об изменении уровней или расходов воды на каждом участке канала по кабельной линии связи и применения бесконтактных электронных элементов (уст0 ройств).

Введенная совокупность отличительных признаков позволяет управлять водораспределением на открытых каналах, принадлежащих к системе гидротехниче5 ское сооружение - водохранилище - насосная станция - гидротехническое сооружение а также значительно уменьшить непроизводительные сбросы оросительной воды.

Формула изобретения

Система регулирования уровня воды на канале, содержащая п участков канала по числу гидротехнических сооружений, причем каждый участок канала содержит датчики уровня в начале и конце участка, последовательно соединенные датчик расхода потребителя и первый сумматор, последовательно соединенные широтно-импульсный регуля- тор и исполнительный блок, связанный выходом с затвором гидротехнического сооружения, участок канала после водохранилища содержит последовательно соединенные первый пороговый блок, блок управления и насосную станцию перекачки, а также последовательно соединенные расходомер, блок сравнения и второй пороговый блок, причем выход датчика уровня в начале этого участка соединен с первым входом первого порогового блока, второй выход которого соединен с вторым входом блока управления, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами второго порогового блока, отличающаяся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности регулирования, надежности функционирования системы при использовании ее для регулирования водораспределения на от- крытых каналах, принадлежащих к системе гидротехническое сооружение - водохранилище - насосная станция - гидротехническое сооружение она дополнительно содержит датчик уровня, расположенный в конце водохранилища, на каждом участке канала насосную станцию подкачки, выход которой подключен к входу датчика расхода потребителя, выходы датчиков уровня, расположенных в начале и конце каждого участка канала, расположенного после водохранилища, подключены соответственно к первым и вторым входам широтно-импульсного регулятора, связанного с гидротехническим сооружением в начале каждого участка канала, третий вход которого одновременно подключен к выходу первого сумматора каждого участка канала и входу первого сумматора вышерасположенного участка, выход первого сумматора участка канала после водохранилища подключен к второму входу блока сравнения, выход датчика уровня, расположенного в конце водохранилища, соединен с первым входом широтно-импульсного регулятора, находящегося на гидротехническом сооружении в конце участка канала, расположенного перед водохранилищем, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения и вторым входом первого сумматора данного участка канала, выход датчика уровня в конце участка канала после водохранилища соединен с вторым входом первого порогового блока.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности регулирова- ния, надежности функционирования системы при использовании ее для регулирования водораспределения на открытых каналах, принадлежащих к системе Гидротехническое сооружение - водохранилище - насосная станция - гидротехническое сооружение. Эта цель достигается тем, что система содержит п участков канала по числу гидротехнических сооружений, причем каждый участок канала содержит датчики уровня в начале и в конце участка, последовательно соединенные датчик расхода потребителя и первый сумматор, последовательно соединенные широтно- импульсный регулятор и исполнительный блок, связанный выходом с затвором гидротехнического сооружения, участок канала после водохранилища содержит последовательно соединенные первый пороговый блок, блок управления и насосную станцию перекачки, а также последовательно соединенные расходомер, блок сравнения и второй пороговый блок. 7 ил.

,

Фиг.1

Щи б

77х

€(t)

1

ППтНТтН 29 H J/

л Iл

0/7 3,0W.J2

MM

Фиг. I.

фиг.З

WAf/lfJ

0Z/.4

Фа г. 5

От 39,45

Фаг. 7

Фиг. 6