Автор: Попов Станислав
Канализационная насосная станция (КНС) — один из самых ответственных объектов в системах водоотведения. Ее задача — бесперебойно перекачивать сточные воды от нижерасположенных коллекторов к вышерасположенным или непосредственно на очистные сооружения. Отказ КНС может привести к аварийному сбросу неочищенных стоков, затоплению территорий, остановке предприятий и жилых кварталов.
В центре любой современной КНС находится щит управления или шкаф автоматики. Это не просто «коробка с кнопками», а сложное инженерное изделие, которое управляет насосным оборудованием, контролирует уровень сточных вод, защищает насосы от аварийных режимов, передает данные диспетчеру и, в случае необходимости, позволяет управлять станцией вручную.
В данной статье мы рассмотрим:
особенности работы КНС как объекта автоматизации;
типы щитов и шкафов управления для КНС;
состав оборудования и логику работы;
требования к конструкции и степени защиты;
режимы управления: автоматический, ручной, телемеханический;
защиту насосов от сухого хода, перегрузки, гидроударов;
диспетчеризацию и удаленный контроль КНС;
особенности монтажа и эксплуатации.
Материал ориентирован на специалистов в области водоснабжения и водоотведения, проектировщиков, а также на руководителей предприятий ЖКХ и промышленных объектов, эксплуатирующих КНС.
Канализационная насосная станция перекачивает не чистую воду, а сточные воды, которые содержат:
механические примеси (песок, тряпки, полиэтиленовые пакеты, крупный мусор);
агрессивные химические вещества (сероводород, кислоты, щелочи);
биологические загрязнения;
взвешенные вещества высокой концентрации.
Это накладывает серьезные ограничения на оборудование и логику управления:
Насосы должны быть специальными (канализационные, с увеличенным проходным сечением и измельчителями).
Датчики уровня должны быть защищены от загрязнения и обрастания.
Шкаф автоматики должен располагаться в зоне с агрессивной атмосферой (выделение сероводорода).
Приток сточных вод неравномерен в течение суток (утренний и вечерний пики) и в течение года (сезонные колебания). КНС должна справляться с:
минимальным притоком (ночью, в выходные);
максимальным притоком (утренний пик, ливневые воды при нераздельной системе);
аварийными ситуациями (отказ одного из насосов, засор, отключение электроэнергии).
Уровень сточных вод в приемном резервуаре — главный параметр. По уровню определяют, когда включать и выключать насосы.
Давление в напорном трубопроводе — контроль для защиты от гидроударов и контроля засоров.
Ток и температура двигателей насосов — защита от перегрузок и перегрева.
Наличие протока — контроль того, что насос действительно качает воду (не работает «в сухую»).
Шкафы для установки внутри помещения (сухого типа)
Устанавливаются в отдельном помещении (операторской, насосном зале с сухим исполнением). Степень защиты обычно IP31–IP54. Проще в обслуживании, дольше срок службы.
Шкафы для установки на открытом воздухе (вне помещения)
Устанавливаются непосредственно на площадке КНС, когда отдельного помещения нет. Требуют степени защиты IP54–IP65, защиты от солнечной радиации (козырек), подогрева в холодное время года (терморегулятор + нагреватель), защиты от конденсата.
Шкафы во взрывозащищенном исполнении (Ex)
Применяются, если в составе сточных вод возможны взрывоопасные газы (метан, сероводород в высокой концентрации). Требуют специального исполнения (Ex d — взрывонепроницаемая оболочка, Ex e — повышенная надежность).
Шкаф прямого пуска (неавтоматический)
Самый простой тип. Содержит кнопки «Пуск/Стоп» для каждого насоса, реле давления или поплавковые выключатели для автоматики по уровню. Нет контроллера, логика реализована на реле. Применяется для малых КНС с 1–2 насосами без требований к диспетчеризации.
Шкаф с контроллером (автоматический)
Содержит ПЛК (программируемый логический контроллер), который управляет насосами по сложным алгоритмам: чередование насосов, автоматическое включение резерва, защита от «сухого хода», управление по давлению, архивация параметров. Стандарт для большинства современных КНС.
Шкаф с функцией телемеханики (диспетчеризации)
Дополнительно к контроллеру имеет модем (GSM, 4G, Ethernet) для передачи данных на диспетчерский пункт. Позволяет удаленно контролировать уровень, состояние насосов, получать аварийные сообщения, а иногда и удаленно управлять станцией.
На 1 насос — для малых КНС (индивидуальные дома, небольшие коттеджные поселки).
На 2 насоса — самый распространенный вариант (рабочий + резервный или два рабочих с чередованием).
На 3 и более насосов — для крупных КНС с большим диапазоном притока (один насос на минимальный приток, два — на средний, три — на максимальный).
Типовой шкаф автоматики КНС включает следующие компоненты.
Вводной автоматический выключатель — защита всей станции от короткого замыкания.
Автоматические выключатели линий — защита каждого насоса, цепи управления, освещения, обогрева.
Устройство защитного отключения (УЗО) — для защиты персонала от поражения электрическим током (особенно актуально для КНС из-за влажности).
Реле контроля напряжения — отключает станцию при недопустимых отклонениях напряжения (пропадание фазы, перекос фаз, понижение/повышение).
Программируемый логический контроллер (ПЛК) — «мозг» станции. Собирает сигналы с датчиков уровня, давления, тока насосов и по заложенному алгоритму включает/выключает насосы.
Панель оператора (HMI) — дисплей с кнопками или сенсорный экран. Отображает уровень, состояние насосов, аварии. Позволяет менять уставки (уровни включения/выключения, время чередования).
Модули ввода-вывода — подключаются к контроллеру или встроены в него. Принимают сигналы от датчиков (дискретные — от поплавков, аналоговые — от уровнемеров) и выдают команды на пускатели насосов.
Магнитные пускатели или контакторы — включают и отключают насосы. Рассчитываются на рабочий ток насоса (с запасом 20–30%).
Тепловые реле — защищают двигатель насоса от длительной перегрузки (превышения номинального тока). В современных шкафах часто заменяются электронными реле защиты (более точными).
Частотные преобразователи (опционально) — используются для плавного пуска насосов (снижение гидроударов) или для регулирования производительности (поддержание постоянного уровня в резервуаре). Для КНС частотное регулирование применяется реже, чем для водопроводных насосных, так как сточные воды плохо переносят длительную работу на пониженной скорости (заиливание).
Датчики уровня (основные и дублирующие).
Датчики давления (на напорном коллекторе).
Датчики протока (показывают, что насос работает не «всухую»).
Измерители тока (трансформаторы тока на каждую фазу).
Сигнальная аппаратура (лампы «Сеть», «Насос 1 работает», «Насос 2 работает», «Авария», звуковой зуммер).
Источник питания 24 В DC — для питания контроллера, датчиков, панели оператора.
Источник бесперебойного питания (ИБП) — обеспечивает работу контроллера и датчиков при отключении основного питания. Насосы от ИБП не питаются (слишком большая мощность).
Обогреватель с терморегулятором — для шкафов, установленных на улице. Поддерживает внутри шкафа положительную температуру (выше +5°C) для предотвращения конденсата.
Вентилятор (или фильтр-вентилятор) — для отвода тепла от частотных преобразователей и других мощных компонентов.
В приемном резервуаре КНС устанавливаются датчики уровня (поплавки, электродные датчики, ультразвуковой уровнемер, радарный уровнемер). Задаются несколько уставок (снизу вверх):
Уровень остановки всех насосов (сухой ход) — ниже этого уровня вода отсутствует, включать насосы нельзя.
Уровень включения дежурного насоса — при достижении этого уровня запускается один насос.
Уровень включения второго насоса — если приток продолжает расти и уровень поднимается дальше, включается второй насос (параллельная работа).
Уровень аварийный (предаварийный) — при достижении этого уровня включается сигнализация «КНС переполнена», а при дальнейшем подъеме — аварийная остановка с уведомлением диспетчера.
Типовая работа двухнасосной КНС:
Уровень растет, достигает уставки «Пуск насоса 1» — запускается насос №1.
Если приток меньше производительности насоса — уровень начинает снижаться. При достижении уставки «Стоп» насос №1 отключается.
Если приток больше производительности одного насоса — уровень продолжает расти. При достижении уставки «Пуск насоса 2» запускается насос №2 (параллельно с первым).
При снижении уровня до уставки «Стоп насоса 2» — второй насос отключается, остается первый.
При дальнейшем снижении до уставки «Стоп всех» — отключается и первый.
Чтобы насосы изнашивались равномерно, система должна чередовать, какой насос запускается первым. Например:
В первом цикле: пуск насос 1, при необходимости — насос 2.
Во втором цикле: пуск насос 2, при необходимости — насос 1.
В третьем цикле: снова насос 1 и т.д.
Чередование реализуется программой контроллера. Без чередования один насос может отработать 10 000 часов, а другой — 100 часов, и первый выйдет из строя намного раньше.
Работа насоса без воды (всухую) приводит к перегреву и выходу из строя уплотнений и подшипников. Защита реализуется несколькими способами:
По нижнему уровню — насос отключается, когда уровень опускается ниже критической отметки.
По датчику протока — если насос включен, а расход (или давление) отсутствует в течение N секунд — насос отключается с ошибкой «сухой ход».
По температуре двигателя (встроенное термореле в обмотках).
КНС часто страдают от засоров — тряпки, полиэтилен, ветошь наматываются на рабочее колесо. Система автоматики может распознать засор:
Насос включен, но расход падает (по датчику протока) или давление падает (по манометру), а ток двигателя остается нормальным или повышенным.
Алгоритм: попытка реверсирования (кратковременный пуск в обратную сторону, если насос это допускает) или отключение с сигналом «Засор, требуется очистка».
При резком закрытии обратного клапана или отключении насоса возникает гидравлический удар, опасный для трубопроводов. Защита:
Плавный останов насоса (если есть частотный преобразователь).
Использование обратных клапанов с демпфером.
Включение второго насоса перед отключением первого (в некоторых схемах).
Современные требования к эксплуатации КНС подразумевают диспетчеризацию — передачу данных на центральный пункт управления (диспетчерскую). Это особенно актуально для территориально распределенных КНС (город, район).
Уровень сточных вод в приемном резервуаре (текущее значение).
Состояние каждого насоса (выключен, работает, авария).
Ток двигателей (контроль перегрузки).
Количество включений и наработка в часах (для планирования ремонтов).
Аварийные сообщения (переполнение, сухой ход, засор, отключение питания).
GSM (SMS) — самый простой и дешевый. Шкаф отправляет SMS при аварии. Минус: нет непрерывного мониторинга.
GSM (GPRS/4G) — постоянный канал передачи данных через интернет. Позволяет видеть параметры в реальном времени на SCADA-сервере. Стоимость трафика незначительна.
Ethernet (оптоволокно или витая пара) — для объектов в пределах одной площадки или при наличии собственной сети.
Радиоканал — для удаленных КНС, где нет покрытия сотовой связи.
При наличии защищенного канала связи (VPN) диспетчер может:
Удаленно сбросить аварию после ее устранения.
Принудительно включить или отключить насос.
Изменить уставки уровней (например, на время ремонта).
Посмотреть архивы (сколько часов работал каждый насос).
Важно: удаленное управление должно быть защищено паролями и логированием (кто, когда, что сделал).
Для помещения (сухая установка) — IP31 или IP54 (при наличии влажности).
Для улицы (без помещения) — IP65 (пыленепроницаемый, защита от струй воды).
Для взрывоопасных зон — IP54 + Ex-исполнение.
Металл (сталь с порошковым покрытием) — наиболее распространен. Прочный, экранирует помехи, но требует антикоррозийного покрытия (для КНС с агрессивной атмосферой).
Нержавеющая сталь — для агрессивных сред (очистные сооружения, химические производства). Дороже.
Пластик (поликарбонат, полиэстер) — для малых шкафов и/или неагрессивных сред. Не ржавеет, легкий, но менее прочный.
Для уличных шкафов обязательно:
Нагреватель (50–200 Вт) с терморегулятором (включается при +5°C, выключается при +15°C).
Вентиляция (для отвода тепла летом) — вентилятор с фильтром или теплообменник.
Перепад температур (ночью холодно, днем солнечный нагрев) приводит к конденсату внутри шкафа. Меры:
Постоянный подогрев (как выше).
Установка осушителя (гигроскопичный патрон).
Герметизация вводов кабелей (сальники с уплотнениями).
Современный шкаф управления КНС должен иметь переключатель режимов:
Режим «Ручной» — оператор вручную нажимает кнопки «Пуск» и «Стоп» для каждого насоса. Автоматика (по уровню) отключена. Используется при наладке, ремонте, аварийных ситуациях.
Режим «Автоматический» — насосы включаются и отключаются автоматически по уровню. Это основной рабочий режим.
Режим «Отключено» — все насосы заблокированы, управление невозможно. Используется при техническом обслуживании.
Для ответственных КНС предусматривается резервирование:
Дублирующие датчики уровня (например, два независимых поплавковых датчика плюс один ультразвуковой уровнемер). При отказе основного датчика система переключается на резервный.
Ручное управление в обход контроллера — при выходе ПЛК из строя оператор может включить насосы отдельными кнопками (минуя контроллер). Реализуется через переключатель «Контроллер/Прямое управление».
Шкаф должен быть установлен вертикально (отклонение не более 2°) на ровном основании.
Расстояние от стен — не менее 0,5 м для обслуживания.
Кабельные вводы — только снизу (для защиты от стекающей воды).
Заземление корпуса и всех металлических частей обязательно.
Прокладка силовых и сигнальных кабелей — раздельно (минимум 150 мм) для исключения наводок.
Периодический осмотр (1 раз в месяц):
Визуальный осмотр на предмет коррозии, подтеков, пыли.
Проверка затяжки клеммных соединений (ослабление из-за вибрации).
Проверка работы обогрева и вентиляции.
Тест аварийной сигнализации.
Регламентное обслуживание (1 раз в 6 месяцев):
Очистка фильтров вентиляции.
Проверка и калибровка датчиков уровня.
Проверка работы чередования насосов.
Тест переключения на резервный насос.
По требованию:
Замена вышедших из строя компонентов (реле, контакторы, блоки питания).
Обновление программы контроллера (при изменении режимов работы).
| Неисправность | Вероятная причина |
|---|---|
| Насос не включается автоматически | Неисправен датчик уровня, отключен режим «Автомат» |
| Насос не выключается (бесконечно работает) | Зависший датчик уровня, неисправность ПЛК |
| Частое включение/выключение (качание) | Неправильно выставлены уставки уровней (малая гистерезисная зона) |
| Срабатывает тепловая защита | Перегрузка насоса (засор, забитое рабочее колесо) |
| ПЛК не включается | Нет питания 24 В, вышел из строя блок питания |
Вместо прокладки кабеля от резервуара к шкафу используются радиодатчики уровня (LoRaWAN, WirelessHART). Упрощают монтаж, особенно при реконструкции старых КНС.
Даже кратковременное отключение электроэнергии может привести к переполнению КНС. Современные шкафы оснащаются:
Контролем наличия фаз и автоматическим перезапуском после восстановления питания.
Буферными батареями для питания контроллера и модема на несколько часов (чтобы сообщить диспетчеру о пропадании питания и уровне).
Старые панели показывали только сухие цифры. Современные HMI отображают схему резервуара, уровень в виде заливки, анимацию вращения насосов. Оператору интуитивно понятно состояние станции.
Контроллер ведет учет наработки каждого насоса в часах и при достижении планового ресурса (например, 5000 часов) выдает сообщение: «Требуется плановое техническое обслуживание насоса №1».
Щит управления или шкаф автоматики — это сердце любой канализационной насосной станции. От его надежности, функциональности и правильной настройки зависит бесперебойная работа всей системы водоотведения.
Правильно спроектированный и изготовленный шкаф КНС должен обеспечивать:
автоматическое управление насосами по уровню с чередованием и резервированием;
надежную защиту от сухого хода, перегрузок, гидроударов;
удобный интерфейс оператора (HMI) с отображением всех параметров;
диспетчеризацию (передачу данных на удаленный пункт);
возможность ручного управления при выходе автоматики из строя;
конструктивное исполнение, соответствующее условиям эксплуатации (защита от влаги, пыли, агрессивной среды, конденсата).
Компания «Электродизайн» проектирует, изготавливает и программирует шкафы управления для КНС любой сложности — от двухнасосных станций для коттеджных поселков до крупных объектов с тремя и более насосами, частотными преобразователями и полной диспетчеризацией.
Инвестиции в качественный шкаф автоматики — это инвестиции в бесперебойную работу КНС, отсутствие аварийных сбросов и спокойствие эксплуатирующей организации.
