Автоматизация на объектах, обеспечивающих водоснабжение и канализацию, необходима для повышения эффективности технологического процесса добычи и транспортировки воды, снижения затрат электроэнергии, повышения качества и надежности подачи воды потребителям. В статье мастер сантехник расскажет, как подключить автоматическое заполнение или опорожнение ёмкости.
Автоматизация систем водоснабжения
Управление оборудованием в зависимости от уровня жидкости, получило огромное распространение и весьма востребовано, как в повседневной бытовой деятельности, так и в промышленности.
Вот основные примеры применения автоматики управления в зависимости от уровня жидкости:
- Наполнение и опорожнение бассейнов;
- Защита от протечек и затопления;
- Автоматическая откачка воды из подвалов, шахт, колодцев, котлованов и пр.;
- Откачка канализационных стоков;
- Наполнение накопительных емкостей;
- Защита насосов от работы без воды;
- Регулирование рабочего уровня в малодебитных скважинах и колодцах;
- Защита нагревательных приборов от работы без воды.
Устройства контроля уровня имеют разный принцип работы, но в конечном итоге их назначение сводится к одному свойству - разрывать или замыкать электрическую цепь в зависимости от уровня жидкости.
Обратите внимание! Для всех видов устройств рекомендуется применение магнитного пускателя, т.к. контакты устройств рассчитаны на слабую нагрузку и без применения пускателя быстро выходят из строя. Трехфазные насосы возможно подключить только используя магнитный пускатель
Устройства управления могут быть механическими или электронными. Стоимость механических устройств, как правило ниже, но там где требуется максимальная точность и (или) надежность срабатывания, предпочтительно использование электронных устройств регулирования уровня.
Такие устройства используют кондуктометрический метод определения наличия жидкости. Метод основан на электрической проводимости большинства жидкостей. Электроды из нержавеющей стали опускаются в воду на необходимый уровень по которому определяется алгоритм работы насоса.
В случае использования непроводящих ток жидкостей (бензин, солярка, растворители и пр.), обычно используются приборы использующие оптические датчики.
Рассмотрим подробнее основные устройства, позволяющее отслеживать уровень жидкости и управлять оборудованием.
Обратите внимание! В качестве примеров будем рассматривать управление насосным оборудованием, но это могут быть не только насосы, а и электроклапаны, ТЭНы, компрессоры и прочее электроуправляемое оборудование
Электрический поплавковый выключатель
Электрический поплавковый выключатель применяется, как для управления насосами на откачивание, так и для наполнения. Он имеет элементарную конструкцию. Внутри корпуса, сделанного из прочного термостойкого пластика, располагается рабочий электрический переключатель. Там же находится рычаг для переброски контактов в переключателе и стальной шарик, меняющий положение рычажного элемента при изменении положения самого поплавка.
К поплавку подходит герметично смонтированный электрический кабель. В зависимости от его подключения к переключателю поплавка, выключатель может иметь три исполнения: работа на опорожнение, работа на наполнение и универсальный вариант, который в зависимости от электрического подключения может работать, как на наполнение, так и на опорожнение. Такие выключатели имеют дополнительный провод.
Как правило, поплавковые выключатели оснащены грузом, который крепится на электрическом кабеле и может по нему перемещаться. Путем перемещения груза по кабелю и регулируя глубину погружения груза, можно настроить поплавковый выключатель на определенный уровень включения и отключения.
Надежность срабатывания поплавкового выключателя - низкая и средняя, зависит от модели и производителя.
Рабочие характеристики:
- Напряжение коммутации – 220…240 В ~ 50Гц;
- Максимальный рабочий / пусковой ток - 10А / 18А;
- Максимальная глубина погружения – не более 0,7м;
- Диапазон температуры воды – (+1 … +40) °С;
- Класс защиты изделия – IP 68;
- Точность управление уровнем - низкая.
Для объектов, где требуется высокая надежность срабатывания автоматики или точное управления уровнем, данны вид автоматики не рекомендуется.
Чаще всего, поплавковый выключатель, выходит из строя по причине прогорания контактов переключателя поплавка. Чтобы избежать этого, следует подключать поплавковый выключатель к насосу через магнитный пускатель или устройство с аналогичными функциями.
Кондуктометрический метод управления
Существует значительно более надежный метод контроля и управления за уровнем жидкости - это кондуктометрический метод. Подходит, правда, только для токопроводящих жидкостей, но подавляющее большинство задач касается регулирования уровня воды, которая отлично проводит ток.
Принцип основан на том, что в жидкость погружаются электроды, между которыми протекает малый ток с небольшим напряжением. Специальный контроллер, таким образом с абсолютной точностью отслеживает уровень жидкости. Метод обладает высокой надежность, точностью регулирования и более гибки режим, т.к. можно произвольно выставить уровни.
Пример
Существует скважина с низким дебитом, соответственно скважинный насос требуется защитить от работы без воды максимально надежно и обеспечить его комфортную работу.
Только кондуктометрическим способом мы можем обеспечить правильный режим эксплуатации насоса и высокую надежность срабатывания.
Мы можем задать режим, при котором насос будет отключаться при недопустимом уровне жидкости, а включаться только при полном восстановлении уровня воды в скважине.
Это позволит не только защитить насос, но и обеспечить редкий запуск насоса. В противном случае его ресурс сильно сократится, т.к. небольшой подъем воды включит насос, который в считанные секунды эту воду выкачает и вновь отключится. И так короткими циклами. Это и некомфортно и быстро выведет насос из строя.
Обратите внимание! Контроллер - универсальное коммутирующее изделие, которому можно найти массу применений и расширить функционал. Например, вы хотите знать о аварийной ситуации - подключаем модульный зуммер или лампу, которая будет сигнализировать о неисправности. Подключив краны с сервоприводом, легко построить систему защиты от протечки воды
В качестве электродов для кондуктометрической системы подойдет любой токопроводящий металлический предмет. Но так, как многие материалы окисляются и ржавеют, то рекомендуется в качестве электродов использовать элементы из латуни и нержавеющей стали.
В качестве общего (нижнего) электрода, так же можно использовать корпус контролируемой емкости, если она металлическая. При автоматизации погружного насоса в качестве общего электрода может выступать корпус самого насоса, тогда просто подключаем клемму общего электрода на контакт земли кабеля насоса.
Электронный блок управления насосом по уровню HRH-5
HRH-5 - самое продвинутое, на данный момент, решение по управлению оборудованием в зависимости от уровня жидкости. Блок HRH-5 способен управлять, как насосами на опорожнение, так и насосами, работающими на наполнение накопительной емкости. Так же широко применяется для защиты насосов и нагревательных элементов от работы без воды.
Блок использует кондуктометрический метод определения наличия жидкости. Его конструкция, делает этот блок абсолютно универсальным и приспособленным для любых, управляемых по уровню жидкости, систем управления оборудованием.
Высочайшая надежность и точность управления по уровню, позволяет применять данное устройство не только в бытовых целях, но и в промышленности, для управления устройствами, требующих высокой надежности срабатывания.
Блок HRH-5 имеет модульную конструкцию с монтажом в распределительный шкаф на DIN рейку.
HRH-5 управляет оборудованием через трехполюсное реле. К данному реле можно подключить однофазный насос с потребляемым током до 8А и мощностью до 1700 Вт. В то же время, для обеспечения высокого срока эксплуатации, рекомендуется подключать насосы через магнитный пускатель. Так же через магнитный пускатель подключаются трехфазные насосы и однофазные насосы большей мощности.
Принцип работы блока HRH-5 основан на электрической проводимости большинства видов жидкостей (вода, молоко и пр.). В жидкость помещаются электроды (не входят в комплект поставки) из нержавеющей стали. Электрический ток, имеющий низкое напряжение (3,5 В), протекает между электродами через жидкость и управляет коммутацией блока.
HRH-5 - уникальна тем, что контрольный ток, протекающий через электроды имеет частоту всего 10 Гц, что обеспечивает сохранность электродов от окисления.
Для ограничения нежелательных коммутаций выходных контактов волнением уровня жидкости можно настроить задержку реакции выхода 0.5 - 10 с. HRH-5 позволяет осуществлять коммутацию по двухэлектродной и трехэлектродной схеме.
Двухэлектродная схема позволяет ограничить нижний или верхний уровень воды, трехэлектродная схема способна задавать диапазон уровня работы.
Например, если использовать блок для защиты скважинного насоса от работы без воды. При двухэлектродной схеме, насос выключится, как только верхний электрод окажется без воды и обратно включится, как только вода поднимется до него. Эта схема применима для скважин с малой вероятностью недостатка воды.
Если же скважина малодебитная, то подключение по двухэлектродной схеме приведет к очень частным включениям насоса, что быстро выведет его из строя. В такой ситуации лучше применить трехэлектродную схему, в которой задается диапазон минимального и максимального уровня. Т.е. насос включится только тогда, когда вода дойдет до верхнего электрода максимального уровня, а выключится, после того, как вода опустится до промежуточного электрода минимального уровня. Таким образом, значительно сокращается количество пусков насоса.
Во всех схемах, нижний электрод COM опускается как можно ниже. Если корпус емкости металлический, то вместо электрода клемму COM можно запитать на корпус емкости.
В случае работы с погружным насосом, который имеет металлический корпус, клемму COM можно запитать на провод заземления.
Рабочие характеристики:
- 3 электрода переключения (MIN-D, MAX-H и COM-C);
- Регулируемая чувствительность: 5 - 100kOhm;
- Установка в положении: опорожнение и наполнение с защитой от ошибочного срабатывания ;
- 1 выходной перекидной контакт;
- Задержка от случайного срабатывания 0,5 - 10 с;
- 3,5 V 10 Hz - напряжение на электродах;
- Коммутируемая мощность реле - 8А;
- Степень защиты IP40 (если установлено в корпусе и/или на электрощите с IP40); IP20 - на зажимах.
Настройку чувствительности, как правило, доводят до 6-8kΩ. Для менее проводящих жидкостей, как дождевая вода, чувствительность может быть увеличена до 100 кОм.
Функция опорожнения с использованием 3 электродов, подключение однофазного насоса с магнитным пускателем
Функция опорожнения с использованием 3 электродов, подключение трехфазного насоса с магнитным пускателем
Функция опорожнения с использованием 3 электродов, подключение однофазного насоса, прямое подключение для маломощных насосов
Функция опорожнения с использованием 2 электродов, подключение однофазного насоса с магнитным пускателем. Для данной схемы необходимо перемкнуть перемычкой клеммы D и H
Функция опорожнения с использованием 2 электродов, подключение трехфазного насоса с магнитным пускателем. Для данной схемы необходимо перемкнуть перемычкой клеммы D и H
Функция опорожнения с использованием 2 электродов, подключение однофазного насоса, прямое подключение для маломощных насосов
Аналогичным образом вышеуказанные схемы применяются для защиты погружных насосов от работы без воды.
Функция защиты от работы без воды с использованием 3 электродов, подключение однофазного насоса с магнитным пускателем, используется для источников с низким дебитом
Функция защиты от работы без воды с использованием 2 электродов, подключение однофазного насоса с магнитным пускателем. Для данной схемы необходимо перемкнуть перемычкой клеммы H и D
Функция защиты от работы без воды с использованием 3 электродов, подключение трехфазного насоса с магнитным пускателем, используется для источников с низким дебитом
Функция защиты от работы без воды с использованием 3 электродов, подключение однофазного насоса, прямое подключение для маломощных насосов, используется для источников с низким дебитом
Функция наполнения емкости с использованием 3 электродов, подключение однофазного насоса с магнитным пускателем
Функция наполнения емкости с использованием 3 электродов, подключение однофазного насоса, прямое подключение для маломощных насосов
Функция наполнения емкости с использованием 3 электродов, подключение трехфазного насоса с магнитным пускателем
Функция наполнения емкости с использованием 2 электродов, подключение однофазного насоса, прямое подключение для маломощных насосов
Функция наполнения емкости с использованием 2 электродов, подключение однофазного насоса с магнитным пускателем
Функция наполнения емкости с использованием 2 электродов, подключение трехфазного насоса с магнитным пускателем
Выше были представлены наиболее популярные схемы, использующие блок HRH-5.
Но его применение далеко не исчерпывается приведенными примерами. Комбинируя электроды, полярность реле и их количество, можно найти еще множество примеров применения данному устройству.
Напоследок, хочется привести еще одну схему. Данная схема популярна при водоснабжении из источника имеющего малый дебит.
В таких случаях необходимо защитить насос от работы без воды, минимизировать количество пусков насоса и обеспечить наполнение накопительной емкости, которая обеспечивает бесперебойное снабжение водой потребителей.
Как уже говорилось ранее, контроллер уровня имеет много примеров применения, помимо насосного оборудования. Так, это может быть: управление ТЭН, электроклапанами и прочими устройствами.
Приведем пару, наиболее популярных решений.
В данном примере контроллер используется для дублирующего аварийного управления заполнением накопительной емкости, т.к. запорный поплавковый клапан - удобное решение, но рано или поздно такой клапан выходит из строя. Контроллер, в случае переполнения закроет магистраль и включит звуковую сигнализацию. До исправления неисправности, система будет автоматически поддерживать уровень воды в емкости.
Данная схема аналогична предыдущей, но здесь система выполняет роль защиты помещения от аварийной протечки.
Видео
В сюжете - Описание реле уровня жидкости HRH-5
Электронный комплекс управления насосом по уровню HRH-4
Вышеописанный контроллер HRH-5 является наиболее универсальным, точным и надежным способом контроля за уровнем воды. В нем заложены все новейшие разработки в этой области.
Так, контролеер не боится пониженного напряжения т.к. имеет универсальное питание от 24 В до 230 В. Частота контрольного тока снижена до 10 Гц, что препятствует возникновению электрической коррозии электродов. Высокая надежность изготовления обеспечивается качеством от известного производителя.
Рабочее реле контроллера не может обеспечить универсальную коммутацию, поэтому любое мощное оборудование подключается через контактор (магнитный пускатель), который и выполняет коммутацию оборудования по управляющей команде контроллера. Такая схема является наиболее предпочтительной, т.к. не нагружает реле контроллера, что обеспечивает ему высокий ресурс, а контактор специально предназначен для частой коммутации мощных устройств. Трехфазное оборудование возможно подключить только через контактор.
Для удобства пользователя ELKO разработала готовый комплекс в сборе HRH-4. В этом комплексе установлен вышеописанный контроллер HRH-5 и контактор. Все это закоммутировано и выведенно на клеммы для удобства подключения. Элементы установлены на DIN рейку в корпусе с защитой IP55, что позволяет устанавливать его на улице, подвале, колодце, резервуаре и пр. Остается только подать напряжение питания, подключить электроды и насос. Все функции контроллера сохраняются. Возможно использовать, как для контроля за откачкой, так и за наполнением емкости. Подключение однофазных и трехфазных насосов и пр.
Рабочие характеристики:
- Напряжение питания, гальв.изолирован. (AC 50-60 Гц), В AC/DC 230 V AC/DC 24 V;
- Мощность, VA 7;
- Допуск напряжения питания -15 %; +10 %;
- Чувствительность (вход. cопротивл.), кОм 5 - 100;
- Число контактов, коммутир. 4;
- Номинальный ток, А 25;
- Механическая жизненность 3x106;
- Рабочая температура, °C -20 ... +55;
- Рабочее положение произвольное;
- Защита всего комплекса контроля уровня IP 55;
- Размер, мм 160 x 135 x 83;
- Вес, кг 0,834.
Максимальная мощность подключаемого оборудования:
- ТЭН - 16 кВт;
- Насосы 1-фазные - 2,2 кВт;
- Насосы 3-фазные - 4 кВт.
Схемы подключения аналогичны схемам с HRH-5. Но для понятности следует привести пару примеров.
Пример использования для защиты скважинного однофазного насоса от работы без воды и контроля уровня при низком дебите. В качестве общего электрода используется корпус насоса с подключением через заземление.
Пример подключения трехфазного насоса.
Электронный блок управления насосом по уровню СКЛ 6
Блок СКЛ-6, аналогичен блоку HRH-5 и так же использует кондуктометрический метод определения наличия жидкости. Он способен управлять, как насосами на опорожнение, так и насосами, работающими на наполнение накопительной емкости.
Высочайшая надежность и точность управления по уровню, позволяет применять данное устройство не только в бытовых целях, но и в промышленности, для управления устройствами, требующих высокой надежности срабатывания.
Блок СКЛ-6 имеет модульную конструкцию с монтажом в распределительный шкаф на DIN рейку.
Конструктивно, блок состоит из двух независимых устройств регулирования уровня и может применяться, как для управления двумя насосами, так и для управления одним насосом по сигналу из двух емкостей или источников. СКЛ-6 управляет оборудованием через два трехполюсных реле. Реле рассчитано на малую мощность, поэтому насосы подключаются к нему исключительно через магнитный пускатель.
Принцип работы блока СКЛ-6 основан на электрической проводимости большинства видов жидкостей (вода, молоко и пр.). В жидкость помещаются электроды (не входят в комплект поставки) из нержавеющей стали. Электрический ток, имеющий низкое напряжение (10 В), протекает между электродами через жидкость и управляет коммутацией блока.
Во всех схемах, нижний электрод COM опускается как можно ниже. Если корпус емкости металлический, то вместо электрода клемму COM можно запитать на корпус емкости.
Рабочие характеристики:
- Напряжение питания - ~ 220В, 50-60 Гц;
- Принцип определения наличия воды - кондуктометрический;
- Гальваническая развязка датчиков - через трансформатор с электрической прочностью изоляции 6 кВ;
- Количество независимых каналов - 2;
- Количество датчиков каждого канала - 2;
- Максимальный ток нагрузки встроенных реле - 5 А;
- Выходной управляющий сигнал - переключающийся контакт
Схема водоснабжения из источника, имеющего низкий дебит, но уже с применением блока СКЛ-6, который заменил два блока HRH-5
Поддержание уровня воды в бассейне
В данном случае, если уровень воды ниже определенного уровня, включается подающий насос (если вода подается из магистрального трубопровода, то насос можно заменить электромагнитным клапаном) и бассейн пополняется водой. Если уровень воды недопустимо повышается, включается откачивающий насос.
Как уже говорилось выше, данный блок можно использовать и для управления парой дренажных насосов. Схематически, рассматривать данный пример не будем, т.к. для этой цели предпочтительно применение приборов, которые будут рассмотрены далее.
Электронный блок управления двумя откачивающими насосами по уровню СКЛ 12
Блок СКЛ-12 по принципу работы и устройству аналогичен выше рассмотренным блокам, работающим по принципу электрической проводимости жидкости.
Основное отличие данного блока заключается в его узкой специализации. Блок СКЛ-12 предназначен для управление насосами откачки стоков из канализационных, дождевых и прочих колодцев, котлованов, водосборных приямков и прочих емкостей.
СКЛ-12 управляет двумя насосами - основным и резервным. Как правило, данная схема применяется в местах, где недопустимо переполнение колодцев.
При работе опрашиваются три датчика уровня и, в зависимости от ситуации, включаются один или два насоса. При этом, при повышении уровня жидкости, порядок их включения меняется - первым включается то один, то другой насос. Это приводит к более равномерному их износу и экономии ресурса. Т.е. если при первом заполнении бака сначала включится первый насос, а затем второй, то при следующем заполнении, первым включится второй насос, а только затем – первый.
Датчики уровней устанавливаются в соответствующих местах в накопительном баке или приямке. Общий провод либо присоединяется к корпусу бака (если он металлический), либо устанавливается ниже нижнего датчика.
Насосы подключаются к сети через нормально разомкнутые контакты соответствующих реле. После включения прибор сразу готов к работе и, в зависимости от состояния датчиков, включает/выключает соответствующие насосы.
Прибор снабжен системой контроля исправности датчика первого уровня. Если система обнаруживает, что датчики второго и/или третьего уровня погружены в воду, а первого – нет, то отключаются оба реле и индикаторы второго и третьего уровней, а индикатор первого уровня начинает мигать.
Перейдем, непосредственно к схемам:
В данном примере, при достижении воды электрода верхнего уровня, включится насос 1. Если насос неисправен или не справляется с объемом воды и уровень вырос до аварийного, то параллельно начинает работать насос 2. При следующем запуске, первым начнет работать насос 2, а насос 1 окажется резервным.
То же, но для однофазных насосов:
Итог
Хочется напомнить, что насосное оборудование, вещь достаточно дорогостоящая. Выход из строя насоса или его автоматики грозит не только новыми денежными расходами, но и продолжительным отсутствием воды в доме, переполнении колодцев и прочими неприятностями. Максимальную защиту необходимо предусмотреть еще на этапе проектирования системы.
Абсолютно обязательной является защита насоса от работы без воды. От такой ситуации никто не застрахован, даже в хорошо пополняемых источниках.
Так же необходимо обеспечить максимальную защиту электрической части.
Необходима установка защиты от короткого замыкания, от тока утечки, грозозащиту. Нельзя включать насосы при сильных перепадах напряжения. Устанавливается стабилизатор напряжения или защитное устройство, не допускающее включение при вредном перепаде напряжения. Необходимо установить устройство, отключающее насос при превышении силы тока, что является аварийной ситуацией, например забившаяся песком крыльчатка насоса с ее блокировкой.
Если в доме имеется несколько фаз, желательно установить прибор автоматически выбирающий наиболее подходящую по параметрам.
К защите трехфазных насосов необходимо относиться с особой тщательностью, так как проблемы с электроснабжением моментально выводят насос из строя. Необходимо отслеживать перекос фаз и обрыв любой из них.
Приборы управления и автоматики желательно подключать через магнитный пускатель, что разгрузит контакты реле автоматики и значительно продлит ей жизнь.
И, конечно - пример. На данном примере рассмотрим типовую схему электрического подключения погружного насоса водоснабжения. Данная схема обеспечивает комплексную защиту людей и насосного оборудования: защиту от короткого замыкания; защиту от перегрузки и блокировки насоса; защиту от поражения электрическим током; защиту насоса от работы без воды; защиту от недонапряжения и перенапряжения; защиту клемм реле давления от прогорания.
Схема подключения погружного насоса водоснабжения: 1 - автоматический выключатель; 2 - устройство защитного отключения; 3 - электронный предохранитель ОС-1-10; 4 - реле контроля напряжения РН-113; 5 - магнитный пускатель; 6 - блок управления насосом по уровню; 7 - пара соединительных клемм
В продолжение темы посмотрите также наш обзор Схемы разводки водопровода в частном доме