CZ29771U1 - Systém pro automatické proplachování tlakové kanalizace - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká systému pro automatické proplachování tlakové kanalizace proti jejímu zanášení tuhnoucím odpadem.

Dosavadní stav techniky

Tlaková kanalizace se používá všude tam, kde není možné použít přirozeného spádového proudění, ať už z hlediska terénních dispozic, či z hlediska typu transportované odpadní vody. Tlaková kanalizace je tvořena čerpacími jímkami s čerpadly, tlakovými kanalizačními přípojkami a hlavním řadem. Gravitační kanalizační přípojky z jednotlivých nemovitostí jsou vedeny do domovních, nebo skupinových jímek, ze kterých je odpadní voda čerpána do hlavního řadu. Hlavní řad je zpravidla sveden do čistírny odpadních vod. V jímce je odpaní voda akumulována, načež je následně přečerpávána čerpadlem do tlakové přípojky a následně do hlavního řadu. Kombinaci jímky a čerpadla připojeného k tlakové kanalizaci lze pro potřeby tohoto dokumentu nazývat koncovým zařízením.

Řízení čerpadel instalovaných k jímkám na přípojkách tlakové kanalizace může být prováděno nárazově operátorem, který čerpadlo aktivuje, jakmile je jímka plná. Nevýhoda tohoto řešení spočívá vtom, že správce, či majitel jímky, musí sledovat míru zaplnění jímky. Míru zaplnění jímky lze rovněž kontrolovat automatickou řídicí jednotkou, která je současně připojena, jak k čerpadlu, tak i ke skupině čidel pro sledování míry zaplnění jímky, instalovaných v jímce. Čidla snímají minimální hladinu odpadní vody v jímce pro vypnutí čerpadla, aktuální hladinu odpadní vody v jímce a maximální hladinu odpadní vody v jímce pro zapnutí čerpadla, případně další volitelné hladiny. Takové řešení je například známé z českého užitného vzoru CZ 23662 Ul. Známé technické řešení pracuje zcela automaticky, bez nutnosti řízení operátorem. Automatická řídicí jednotka je elektricky propojena s čidly, které jsou aplikovány v jímce, dále je propojena s čerpadlem. Technické řešení popisuje uzavřený autonomní systém. Nevýhoda tohoto řešení spočívá vtom, že v případě neočekávané události, týkající se tlakové kanalizace, např. havárie, rekonstrukce, atp., je nezbytné obejít všechny instalované řídicí jednotky a dočasně ovládat jejich chod, např. pro přerušení odčerpávání jímek do tlakové kanalizace v době výměny částí hlavního řadu tlakové kanalizace.

Z přihlášky vynálezu AU 2012318281 Al je známo řešení, které rovněž zahrnuje jímku, čerpadlo připojené k přípojce pro odčerpávání jímky, automatickou řídicí jednotku elektricky propojenou s čerpadlem a s čidly pro měření míry zaplnění jímky. Dále je automatická řídicí jednotka elektronicky drátově nebo bezdrátově připojena ke vzdálenému serveru pomocí komunikačního rozhraní. Vzdálený server má k sobě připojeno vícero automatických řídicích jednotek, které může z autonomního chodu přepnout na dálkově ovládaný chod. Vzdálený server umožňuje přes automatické řídicí jednotky řízení chodu čerpadel zapojených do tlakové kanalizace, takže např. v době rekonstrukce hlavního řadu tlakové kanalizace nedochází k jejich spouštění a k úniku odpadní vody na staveniště.

Nevýhody výše uvedených známých řešení spočívají v tom, že neodstraňují jeden z hlavních problémů tlakové kanalizace, kterým je zanášení potrubí tlakové kanalizace. Potrubí tlakové kanalizace je budováno s kapacitou jmenovitého průtoku a jmenovitého tlaku vjejích jednotlivých částech (přípojky, hlavní řad) s patřičnou rezervou, která je využitá ve výjimečných případech. Jmenovitým průtokem a jmenovitým tlakem pro účely tohoto popisu rozumíme hodnoty, na které jsou přípojky a hlavní řad konstrukčně dimenzovány. Při běžném provozu přitéká do hlavního řadu odpadní voda z jednotlivých přípojek postupně, takže v hlavním řadu je velmi malý průtok s ohledem na jeho jmenovitou kapacitu. Nevyužívaná jmenovitá kapacita potrubí tlakové kanalizace (především hlavního řadu) vede ktomu, že při vyčerpávání koncových zařízení dochází k průběžnému usazování a zatuhnutí složek odpadní vody na dně hlavního řadu a následně k ucpávání potrubí tlakové kanalizace.

CZ 29771 UI

Úkolem technického řešení je vytvoření systému pro automatické proplachování tlakové kanalizace, který by efektivně chránil potrubí tlakové kanalizace před ucpáváním, který by tuhnoucí nánosy odpadu obsažených v odpadní vodě z potrubí tlakové kanalizace pravidelně odstraňoval, přičemž je žádoucí z hlediska investic, provozu a údržby nepřidávat do systému pokud možno žádná další strojní zařízení.

Podstata technického řešení

Vytčený úkol byl vyřešen pomocí systému automatického proplachování tlakové kanalizace podle tohoto technického řešení.

Systém pro automatické proplachování tlakové kanalizace, která je tvořená hlavním řadem a alespoň dvěma přípojkami připojujícími k hlavnímu řadu alespoň dvě jímky odpadní vody. Jímky jsou opatřeny čidly pro měření zaplnění, kde každá přípojka, nebo jímka, je opatřena čerpadlem pro přečerpávání odpadní vody přes přípojky do hlavního řadu. Každé čerpadlo je propojeno s autonomní elektronickou řídicí jednotkou opatřenou vstupy pro vyhodnocení dat z čidel, výstupy pro ovládání čerpadla, alespoň jedním procesorem, alespoň jedním datovým úložištěm pro uložení alespoň jednoho softwarového modulu, a alespoň jedním komunikačním rozhraním pro drátovou nebo bezdrátovou komunikaci.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že komunikačními rozhraními jsou propojeny řídicí jednotky navzájem. Dále alespoň jedna řídicí jednotka je opatřena prostředkem pro sledování reálného času a jeho záložním napáječem, a alespoň jedna řídicí jednotka je opatřena softwarovým modulem synchronizace odčerpávání zahrnujícím základní proplachovací plán se statisticky očekávanou mírou zaplnění jímky a s jednotlivými reálnými časy aktivace čerpadla. Propojení řídicích jednotek umožňuje sdílet mezi sebou informace a tím se organizovat. Záložní napaječ s prostředkem pro měření času chrání řídicí jednotky před ztrátou reálného času, která by vedla k nesouladu se statisticky očekávanou mírou zaplněnou jímek, např. tím, že by např. dvanáctihodinový výpadek napájení zcela přehodil základní proplachovací plán dne a noci.

Ve výhodném provedení systému pro automatické proplachování tlakové kanalizace podle technického řešení je systém opatřen vzdáleným serverem, ke kterému jsou přes komunikační rozhraní připojeny alespoň některé řídicí jednotky. Vzdálený server je opatřen datovým úložištěm se softwarovým modulem synchronizace odčerpávání, který zahrnuje základní proplachovací plán a jednotlivé časy aktivace čerpadel všech jímek v dané lokalitě tlakové kanalizace. Dále vzdálený server zahrnuje velící softwarový modul pro navázání komunikace typu master/slaves s řídicími jednotkami. Čímž se nadřadí nad řídicí jednotky, které se následně chovají dle proplachovacího plánu vysílaného ze vzdáleného serveru.

Ve výhodném provedení systému pro automatické proplachování tlakové kanalizace podle technického řešení je vzdálený server připojen přes komunikační rozhraní k alespoň jedné databázi záznamů nátoku vody do tlakové kanalizace a odtoku odpadní vody z tlakové kanalizace za předchozí Časové období. Anebo je vzdálený server připojen přes komunikační rozhraní k alespoň jedné databázi záznamů a/nebo předpovědí meteorologické situace. Díky přijímání aktuálních dat z databází do vzdáleného serveru systém může pracovat s proplachovacím plánem tak, jak umožňuje míra zaplnění jímek odpadní vodou.

Mezi výhody technického řešení patří možnost nasazení do stávajících tlakových kanalizací, relativně nízké nároky na hardwarové úpravy stávajících řídicích jednotek, nebo nízké náklady při výrobě nových upravených řídicích jednotek. Výhodná je propojenost systému a využití doposud negativního jevu změny okamžitého průtoku a okamžitého tlaku na hodnoty jmenovitého průtoku a jmenovitého tlaku k proplachování tlakové kanalizace. Výhody technického řešení dále jsou, že není potřeba k čištění tlakové kanalizace další strojní vybavení a není spotřebována další užitková voda, nýbrž samotná odpadní voda.

CZ 29771 Ul

Objasnění výkresů

Uvedené technické řešení bude blíže objasněno na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 znázorňuje blokové schéma tlakové kanalizace a systému s vyobrazením směru postupu odpadní vody, obr. 2 znázorňuje schéma koncového zařízení, obr. 3 znázorňuje blokové schéma řídicí jednotky, obr. 4 znázorňuje možný skutečný příklad řídicí jednotky, obr. 5 znázorňuje blokové schéma vzdáleného serveru.

Příklady uskutečnění technického řešení

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění technického řešení jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení technického řešení na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním technického řešení, která jsou zde popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících nároků na ochranu.

Na obr. 1 je vyobrazeno schéma tlakové kanalizace tvořené hlavním řadem 1 se Čtyřmi přípojkami 2 vedenými ze čtyř jímek 3. V tomto příkladu provedení jsou přípojky 2 opatřeny čerpadly 4, které přečerpávají odpadní vodu z jímek 3 do hlavního řadu 1. Z obr. 1 je patrné, že je každá z jímek 3 opatřena řídicí jednotkou 6. Hlavní řad i odvádí odpadní vodu do čistírny 17, kde je na hlavním řadu i nainstalovaný průtokoměr 18. Průtokoměr 18 poskytuje data o průtoku a objemu odpadní vody odtékající z tlakové kanalizace do čistírny 17 do databáze 14 záznamů nátoků vody do tlakové kanalizace a odtoku odpadní vody z tlakové kanalizace. Na obr. 1 je dále vyobrazeno vzájemné propojení řídicích jednotek 6 a dále je vyobrazeno jejich připojení ke vzdálenému serveru 12. Pro odborníka je zřejmé buď drátové, nebo bezdrátové propojení řídicích jednotek 6 a vzdáleného serveru 12. Vzdálený server 12 je v tomto příkladu provedení tvořen počítačem. Řídicí jednotky 6 jsou připojeny k ne vyobrazeným čidlům 5 pro snímání míry zaplnění jímky 3 a k čerpadlům 4 pro řízení odčerpávání odpadní vody z jímek 3.

Pro pravidelné proplachování tlakové kanalizace je nezbytné dle normy ČSN, aby každý úsek potrubí hlavního řadu 1 byl alespoň lx denně propláchnut odpadní vodou proudící rychlostí o hodnotě 0,7 m/s. Jmenovitý průtok Qj se stanovuje dopočítáním dle dimenze daného úseku potrubí hlavního řadu 1.

Na obr. 2 je vyobrazeno schéma koncového zařízení tvořeného jímkou 3, přípojkou 2 osazenou čerpadlem 4, řídicí jednotkou 6 připojenou k čidlům 5 umístěným v jímce. Jímka 3 je nepropustná nádrž, do které je zaveden nátok odpadní vody. Čerpadlo 4 je poháněné silovým elektrickým proudem. Čidla 5 mohou být odporová, kapacitní nebo např. tlaková. Řídicí jednotka 6 může být tvořena programovatelným logickým automatem. Na obr. 2 je rovněž naznačeno, že řídicí jednotka 6 může přijímat vysílání pomocí vstupů, případně může sama vysílat pomocí výstupů.

Na obr. 3 je vyobrazeno schéma řídicí jednotky 6, které vyobrazuje její připojení k silovému napájení 19. Řídicí jednotka 6 zahrnuje komunikační rozhraní 7, které může zahrnovat např. GSM modem, GPRS modem, GPS modem, modem pro připojení k bezdrátové počítačové síti (LAN, Wi-Fi), atp. Dále zahrnuje modul 20 napájení, kterým je napájena ze silového napájení 19 a měřicí proudový modul 2J_. Dále procesor 16, který koordinuje součinnost jednotlivých částí jednotky 6 a vykonává kroky dle softwarových modulů uložených na datovém úložišti 8. Dále modul 22 pro příjem vysílání signálů z čidel 5 a modul 23 silového ovládání čerpadla 4. Řídicí jednotka 6 dále zahrnuje prostředek 9 pro sledování reálného času tvořený elektricky napájenými hodinami, nebo může být tvořený softwarovým modulem. Záložní napaječ 10 napájí, buď elektricky napájené hodiny, které po obnoveném přivedení napětí do modulu 20 napájení sdělí řídicí

CZ 29771 Ul jednotce 6 aktuální čas, nebo napájí záložní napaječ 10 celou řídicí jednotku 6 po celou dobu výpadku napětí silového napájení 19 v případě použití softwarových hodin.

Na obr. 4 je vyobrazen možný příklad uskutečnění ovládací části systému, která zahrnuje plastový elektroinstalační box 25. Uvnitř boxu 25 jsou upevněny některé součásti systému, mezi které patří moduly 22 pro příjem signálu z čidel 5, řídicí jednotka 6, modul 2Q napájení, komunikační rozhraní 7, měřící proudový modul 21 a modul silového ovládání čerpadla 4. Elektroinstalační box 25 je dále opatřen výstupem 24 pro anténu, vstupem 28 pro přivedení signálů z měření míry zaplnění jímky 3, vstupy 26 pro přivedení napájecího napětí a výstupem 22 pro průchod kabeláže silového ovládám čerpadla 3.

Na obr. 5 je schematicky vyobrazen vzdálený server 12 připojený k jedné řídicí jednotce 6. Vzdálený server 12 je opatřen komunikačním rozhraním 7, které je tvořeno obdobně jako u řídicí jednotky 6 GSM modemem, GPRS modemem, GPS modemem, modemem pro připojení k bezdrátové počítačové síti (LAN, Wi-Fi), atp. Vzdálený server 12 je přes komunikační rozhraní 7 dále připojen k databázi 14 záznamů nátoku vody do tlakové kanalizace a odtoku odpadní vody z tlakové kanalizace za předchozí časové období a k databázi 15 záznamů a/nebo předpovědí meteorologické situace. Odborník je schopen bez větších problémů stanovit, že připojení k oběma databázím 14, 15 je řešeno pomocí komunikace se serverem, na kterém jsou uloženy. Vzdálený server 12 je dále opatřen procesorem 16 a datovým úložištěm 8. Na datovém úložišti 8 se nachází softwarový modul JT synchronizace odčerpávání a velící softwarový modul 13.

V nevyobrazeném příkladu uskutečnění zahrnuje systém pouze propojené řídicí jednotky 6. Řídicí jednotky 6 jsou opatřeny softwarovým modulem H_ synchronizace odčerpávání. Tento modul lije možné do řídicích jednotek 6 instalovat dodatečně, takže je tento příklad uskutečnění vhodný i pro stávající tlakové kanalizace.

Softwarový modul H synchronizace odčerpávání je naprogramován na základě statistického zpracování záznamů nátoků vody do tlakové kanalizace a odtoku odpadní vody z tlakové kanalizace. Díky statistickému vyhodnocení údajů je vytvořen základní proplachovací plán, který odhaduje míru zaplnění jímek 3 a určuje pořadí spuštění čerpadel 4 v reálném čase. Každá řídicí jednotka 6 je v základním proplachovacím plánu identifikována, přičemž je brána v potaz pozice vyústění pod ní spadající přípojky 2 do hlavního řadu 1, ajejí určen reálný čas spuštění tak, aby synchronizované spuštění čerpadel 4 v tlakové kanalizaci vytvořilo řízenou změnu okamžitého tlaku P_o a průtoku Q_o. Změnu lze vyjádřit vztahem Q_o = Qi + ... + Q_n, kde Qn je poslední příspěvek k okamžitému průtoku Q_o z n-tého koncového zařízení.

Pokud dojde k situaci, že skutečná míra zaplnění jímek 3 neodpovídá statisticky předpokládanému zaplnění, řídicí jednotky 6 přeskočí plánované propláchnutí tlakové kanalizace a započnou s vytvářením čerpací rezervy o velikosti min. 50 % kapacity jímek 3.

Ve vyobrazeném příkladu provedení technického řešení bere připojený vzdálený server 12 na sebe v komunikaci funkci mastera a řídicí jednotky 6 plní funkci slavě. Vzdálený server 12 pomocí softwarového modulu 1_1 synchronizace odčerpávání a velícího softwarového modulu 13 řídí změnu okamžitého tlaku Po a okamžitého průtoku Qo při proplachování tlakové kanalizace. Navíc systém dokáže na základě znalosti záznamů z databází 14 a 15 vytvořit pozměněný čerpací plán pro jedno plánované, nebo neplánované, proplachování, např. při zjištění z databáze 14, že nebyl nátok odpadní vody do jímek 3 dostatečný, přeskočí proplachovací cyklus, nebo naopak na základě záznamu z databáze 15 o srážkách v dané lokalitě naplánuje systém proplachování tlakové kanalizace nad rámec základního proplachovacího plánu. Základní proplachovací plán se nemění, takže v případě výpadku vzdáleného serveru 12 pracuje systém propojených řídicích jednotek 6 dle základního proplachovacího plánu.

Průmyslová využitelnost

Systém pro automatické proplachování tlakové kanalizace podle technického řešení nalezne uplatnění v oblasti provozu tlakové kanalizace, zejména v oblasti jejího provozování a údržby.

Claims (4)

1. Systém pro automatické proplachování tlakové kanalizace tvořené hlavním řadem (1) a alespoň dvěma přípojkami (2) připojujícími k hlavnímu řadu (1) alespoň dvě jímky (3) odpadní vody s čidly (5) pro měření zaplnění, kde každá přípojka (2) nebo jímka (3) je opatřena čerpadlem (4) pro přečerpávání odpadní vody přes přípojky (2) do hlavního řadu (1), každé čerpadlo (4) je propojeno s autonomní elektronickou řídicí jednotkou (6), opatřenou vstupy pro vyhodnocení dat z čidel (5), výstupy pro ovládání čerpadla (4), alespoň jedním procesorem (16), alespoň jedním datovým úložištěm (8) pro uložení alespoň jednoho softwarového modulu, a alespoň jedním komunikačním rozhraním (7) pro drátovou nebo bezdrátovou komunikaci, vyznačující se t í m, že komunikačními rozhraními (7) jsou propojeny řídicí jednotky (6) navzájem, alespoň jedna řídicí jednotka (6) je opatřena prostředkem (9) pro sledování reálného času a jeho záložním napáječem (10), a alespoň jedna řídicí jednotka (6) je opatřena softwarovým modulem (11) synchronizace odčerpávání zahrnujícím základní proplachovací plán se statisticky očekávanou mírou zaplnění jímky (3) a s jednotlivými reálnými časy aktivace čerpadla (4).

2. Systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že je opatřen vzdáleným serverem (12) , ke kterému jsou přes komunikační rozhraní (7) připojeny alespoň některé řídicí jednotky (6), vzdálený server (12) je opatřen datovým úložištěm (8) se softwarovým modulem (11) synchronizace odčerpávání zahrnujícím základní proplachovací plán a jednotlivé časy aktivace čerpadel všech jímek (3) v dané lokalitě tlakové kanalizace, a dále zahrnujícím velící softwarový modul (13) pro navázání komunikace typu master/slaves s řídicími jednotkami (6).

3. Systém podle nároku 2, vyznačující se tím, že vzdálený server (12) je přes komunikační rozhraní (7) připojen k alespoň jedné databázi (14) záznamů nátoku vody do tlakové kanalizace a odtoku odpadní vody z tlakové kanalizace za předchozí časové období.

4. Systém podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že vzdálený server (12) je přes komunikační rozhraní (7) připojen k alespoň jedné databázi (15) záznamů a/nebo předpovědí meteorologické situace.