CZ30535U1 - Systém pro monitorování a řízení tlakové kanalizace - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká oblasti řešení optimalizace provozu tlakové kanalizace a řeší provedení systému pro monitorování a řízení této kanalizace.

Dosavadní stav techniky

V současné době jsou čerpací šachty tlakové kanalizace řízeny individuálně vlastními ovládacími automatickými jednotkami. Vlastní řízení čerpadel tak probíhá v rozsahu nastavení hladinových snímačů v každé čerpací šachtě, popřípadě v závislosti na definovaných dobách možnosti čerpání, které jsou nastavovány pomocí časových relé v ovládacích automatických jednotkách. Provozní a poruchové stavy jsou signalizovány v jednotlivých ovládacích automatických jednotkách, ve výjimečných případech jsou odesílány informace o poruchách čerpací šachty uživateli nebo provozovateli zpravidla prostřednictvím SMS. Ve většině případů, je však nutno provádět fyzickou kontrolu signalizace uživatelem nebo provozovatelem. V případě nutnosti odečítám stavů měřidel provozních hodin nebo průtoku je nutno provádět jejich odečty fyzicky u každé čerpací šachty.

Ze spisu CZ 28323 Ul je známo řešení systému nivelizace denních výkyvů v provozu tlakové kanalizace s využitím akumulačního prostoru čerpacích šachet tak, aby docházelo k rovnoměrnému nátoku odpadních vod na čistírnu odpadních vod v průběhu celých 24 hodin. Nevýhodou tohoto řešení je, že dochází k většímu zdržení odpadních vod v systému tlakové kanalizace, čím dochází ke snížení jejich kvality zejména vznikem anaerobních procesů a čištění takových odpadních vod klade zvýšené nároky na provoz čistírny odpadních vod. Pro správné čištění odpadních vod zejména ze systému tlakové kanalizace je nezbytně nutné zajistit, aby doba zdržení odpadních vod v kanalizačním systému byla co nejkratší. Další technické řešení související s řízením tlakové kanalizace je známo ze spisu CZ 29771 Ul, který popisuje systém pro automatické proplachování tlakové kanalizace. Při správném návrhu tlakové kanalizační sítě není nutno provádět její nucené proplachování. Nevýhodou popsaného řešení je nutnost vytvoření proplachovacího plánu, jehož funkčnost závisí na stavu hladiny v čerpacích šachtách. Nastane-li skutečnost, že všechny čerpací šachty určené k společnému sepnutí v jedné skupině nebudou aktivní z důvodu nízké hladiny vody, nebude k dispozici dostatečné množství pro propláchnutí potrubí. Navíc toto technické řešení předpokládá vytvoření rezerv odpadních vod v čerpacích šachtách za účelem proplachování potrubí. Tímto opět dochází k nežádoucímu zdržení odpadních vod v kanalizačním systému, který má vliv na snížení kvality odpadních vod zejména vznikem anaerobních procesů a čištění takových odpadních vod klade zvýšené nároky na provoz čistírny odpadních vod. Vzhledem k tomu, že tlaková kanalizace je obecně navrhována jako oddílná, tj. jako uzavřený systém bez možnosti vniknutí srážkových a spodních vod, je řešení proplachu dle spisu CZ 29771 Ul mimo jiné pomocí srážkových vod provozně nevhodné. Navíc je přítomnost srážkových vod v systému tlakové kanalizace nutno zohlednit při jejím návrhu a to zejména s ohledem na velikost čerpacích šachet, výkon čerpadel, dimenze potrubí a kapacitu čistírny odpadních vod, což nese zvýšené pořizovací i provozní náklady na odkanalizování.

Žádné dosud používané nebo popsané zařízení pro řízení tlakové kanalizace netvoří komplexní systém dovolující řídit a monitorovat jednotlivé čerpací šachty nebo jejich skupiny v závislosti na parametrech definovaných obsluhou, dalších objektech umístěných na tlakové kanalizační síti a čistírně odpadních vod. Úkolem nově navrženého technického řešení je vytvoření komplexního systému pro monitorování a řízení tlakové splaškové kanalizace, tak, aby tento systém poskytoval obsluze a provozovateli možnost dálkového monitoringu a dálkového řízení tlakové kanalizace jako celku v závislosti na provozních*-stavech kanalizačního systému a potřebách provozu. Tlakovou kanalizací je v tomto případě uvažován ucelený systém pro odvádění splaškových vod, nej častěji komunálních bez přítomnosti srážkových, povrchových nebo podzemních vod za pomoci čerpacích šachet vybavenými čerpadly, s výhodou objemovými. Jednotlivé čerpací šachty jsou připojeny pomocí tlakového potrubí do.tlakové kanalizační sítě, která může být ukončena na čistírně odpadních vod nebo v centrální čerpací stanici nebo v gravitační kanalizaci.

-1 CZ 30535 U1

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je systém pro monitorování a řízení tlakové kanalizace obsahující hlavní kanalizační řad, který je vyústěn do koncového sběrného zařízení, a na jehož větve jsou napojena sběrná potrubí čerpacích šachet, kde podstata řešení spočívá v tom, že systém dále obsahuje soustavu komunikačních modulů, které jsou připojeny k automatickým ovládacím jednotkám čerpacích šachet a které jsou prostřednictvím komunikační sítě propojeny se vstupní bránou řídicího a vyhodnocovacího bloku napojeného alespoň na jednu hlavní pracovní stanici.

Ve výhodném provedení je hlavní pracovní stanice tvořena řídicím počítačem a komunikační síť je propojena s kontrolními a řídicími členy a/nebo s pročišťovací jednotkou a/nebo dávkovacím zařízením prostředků pro úpravu odpadních vod a/nebo sadou sekčních uzávěrů, které tvoří soubor podpůrných členů a jsou osazeny na hlavním kanalizačním řadu.

Je rovněž výhodné, když kontrolní a řídicí členy jsou tvořeny průtokoměry, tlakovými čidly, snímači hladiny, hlídači stavu elektrorozvodné sítě, bezpečnostními snímači nebo výstupními prvky zařízení umístěných na tlakové kanalizační síti a systém je vybaven přes komunikační síť paralelně připojenými pomocnými pracovními stanicemi, přičemž pomocné pracovní stanice jsou tvořeny zařízeními pro datovou komunikaci, zejména notebooky, tablety nebo mobilními telefony.

Dále je výhodné, když je systém vybaven paralelně připojenými záložní vstupní bránou a záložním řídicím a vyhodnocovacím blokem, kde řídicí a vyhodnocovací blok i záložní řídicí a vyhodnocovací blok jsou tvořeny počítačovými servery a komunikační moduly jsou bud instalovány do automatických ovládacích jednotek jednotlivých čerpacích šachet jako součást vlastního řídicího sytému každé čerpací šachty nebo jsou s automatickou ovládací jednotkou propojeny ve formě samostatně připojitelného zařízení.

Uskutečněním technického řešení se dosahuje nových a vyšších účinků v tom, že provoz tlakové kanalizace je automaticky monitorován a řízen prostřednictvím drátové nebo bezdrátové komunikační sítě zvoleného typu. K monitorování a řízení čerpacích Šachet tlakové kanalizace jsou použity komunikační moduly, tvořící součást nebo samostatně připojitelný modul automatické ovládací jednotky čerpací šachty, přičemž pomocí statistických informací a stavů snímačů hladin čerpací šachty a pomocí stavových informací čistírny odpadních vod, různých ovládacích a monitorovacích prvků, například průtokoměrů, hlídačů stavu elektrorozvodné sítě, tlakových čidel nebo uzavíracích armatur sloužících jako kontrolní a řídicí Členy, je možno řídit jednotlivé automatické ovládací jednotky čerpacích šachet nebo další objekty na síti tlakové kanalizace. Podpůrné členy systému lze využít k optimalizaci celkového chodu tlakové kanalizační sítě, k usnadnění její údržby nebo řešení havarijních stavů, a to zvláště v režimu částečného nebo úplného vzdáleného řízení čerpacích stanic. Podpůrné členy mohou například ovládat přímo nebo přes komunikační moduly zařízení sloužící k periodickému pročišťování tlakové kanalizační sítě nebo zařízení dávkující prostředky pro úpravu odpadních vod přímo do výtlačného potrubí tlakové kanalizace. Podpůrné členy mohou být použity také například pro ovládání armatur na síti tlakové kanalizace, díky čemuž lze v případě poškození potrubí nebo jeho plánované údržbě potřebnou část tlakové kanalizační sítě dálkově uzavřít.

Komunikační moduly, kontrolní a řídicí členy i podpůrné členy komunikují obousměrně se vstupní branou připojenou k počítačovému serveru vybavenému kontrolním a řídicím vyhodnocovacím programem. K počítačovému serveru je prostřednictvím drátové nebo bezdrátové komunikační, sítě zvoleného typu připojena alespoň jedna pracovní stanice ve formě řídicího počítače, která umožňuje obsluze prostřednictvím ovládacího software monitorování a řízení systému tlakové kanalizace.

Další výhodou systému je, že automatický režim řízení rovněž dovoluje použití výtlačného potrubí hlavního kanalizačního řadu o menších dimenzích, neboť je s jeho pomocí možno softwarově spouštět nebo blokovat definované skupiny čerpacích šachet, případně vyloučit hromadné sepnutí čerpacích šachet v případě denních špiček nebo při obnovení dodávky elektrického proudu. Systém s využitím statistických a stavových informací o provozu čerpacích šachet umožňuje řízení chodu jednotlivých čerpacích šachet, tak aby zdržení odpadních vod v celém kanalizačním systému bylo co nejkratší. Dále pak systém umožňuje provést pročištění potrubí tlakové kanalizace, kdy parametry pro stanovení skupiny společně pracujících čerpacích šachet určuje průtokoměr na výtlačném potrubí hlavního kanalizačního řadu a statistické informace z provozu jednotlivých čerpacích šachet. Pročištění potrubí může být provedeno odpadní vodou nebo vodou z jiného zdroje nebo stlačeným vzduchem.

Objasnění výkresů

Konkrétní příklady provedení technického řešení jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, kde obr. 1 je celkové schéma příkladného základního provedení systému pro monitorování a řízení tlakové kanalizace se znázorněním jeho napojení na jednotlivé funkční prvky kanalizace, obr. 2 je celkové schéma systému z obr. 1 bez prvků tlakové kanalizace realizovaného ve formě sběmicové sítě a obr. 3 až obr. 6 jsou schémata systému s příklady možných alternativních připojení komunikačních modulů a řídicích vstupů funkčních prvků tlakové kanalizace na jeho vstupní brány ve formě hvězdicové sítě, větvené sítě, liniové sítě nebo smíšené sítě typu mesch.

Výkresy, které znázorňují představované technické řešení a následně popsané příklady konkrétních provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příkladné základní provedení systému podle technického řešení je znázorněno na obr. 1, a to s jeho napojením na funkční prvky kanalizační sítě. Tato je tvořena větveným hlavním kanalizačním řadem I, který je vyústěn do koncového sběrného zařízení 2, kterým může být např. čistírna odpadních vod, centrální čerpací stanice nebo gravitační kanalizace. Na jednotlivé větve hlavního kanalizačního řadu 1, který je opatřen kontrolním a řídicím členem 101. realizovaným například ve formě průtokoměru, tlakového čidla, snímače hladiny, hlídače stavu elektrorozvodné sítě, bezpečnostního snímače nebo výstupním prvkem zařízení umístěných na tlakové kanalizační síti, pročišťovací jednotkou 103 a dávkovacím zařízením 102 prostředků pro úpravu odpadních vod, jsou napojena sběrná potrubí 31 čerpacích šachet 3. K regulaci průtoku kanalizační sítí je hlavní kanalizační řad i opatřen sadou sekčních uzávěrů 104, umožňujících uzavření jeho jednotlivých větví nebo sekcí.

Každá z čerpacích šachet 3 je vybavena vlastním komunikačním modulem 4, který je součástí řídicího a monitorovacího systému společně s kontrolními a řídicími členy 101. podpůrnými členy 102. 103. 104 a prostřednictvím kterého jsou prostřednictvím komunikační sítě 5, drátové či bezdrátové, čerpací šachty 3 propojeny se vstupní bránou 6, řídicího a vyhodnocovacího bloku 7, tvořeného s výhodou počítačovým serverem. Jednotlivé komunikační moduly 4 jsou buď instalovány do automatických ovládacích jednotek jednotlivých čerpacích šachet 3 jako součást vlastního řídicího sytému každé čerpací šachty 3 nebo jsou realizovány ve formě samostatně připojitelného zařízení. Na řídicí a vyhodnocovací blok 7 je napojena alespoň jedna, s výhodou však více, hlavní pracovní stanice 8 realizovaná řídicím počítačem, který je umístěný s výhodou v dispečinku provozovatele kanalizační sítě. Jak je patrné ze schématu, je pro možnost operativního monitorování a řízení provozu kanalizační sítě výhodné kromě hlavní pracovní stanice 8 propojit systém přes komunikační síť 5 s pomocnými pracovními stanicemi 81, tvořenými například notebooky, tablety či jinými zařízeními pro datovou komunikaci nebo mobilními telefony servisních techniků. V případě kanalizační sítě většího rozsahu nebo pro potřebu zajištění nepřetržité a bezporuchové činnosti systému je rovněž jej výhodné vybavit paralelně připojenými záložní vstupní bránou 61 a záložním řídicím a vyhodnocovacím blokem 71, jak je ve schématu znázorněno čárkovaně.

-3 CZ 30535 Ul

Při běžném provozu systému soustřeďují komunikační moduly 4 v režimu monitorování data z jednotlivých čerpacích šachet 3 a poskytují obsluze informace o provozních a poruchových stavech nebo statistické informace o provozu jednotlivých čerpacích šachet 3. Mezi nej významnější informace patří poruchová hlášení, zejména informace o výpadku napájení, poškození čerpadla, dosažení havarijní hladiny. Mezi nejběžnější provozní hlášení patří informace o stavu hladiny v čerpací šachtě 3 a informace o chodu čerpadla. Komunikační modul 4 disponuje dostatečným množstvím vstupů, díky čemuž mohou být přenášeny další informace o čerpací šachtě 3 definované obsluhou. Takto přenášené informace o stavech a provozu čerpací šachty 3 se ukládají v řídicím a vyhodnocovacím bloku 7, kde má obsluha možnost získat díky ovládacímu software rovněž statistické informace. Jedná se například o počet čerpacích cyklů nebo dobu čerpání v definovaném časovém úseku, díky čemuž lze zjistit množství odčerpaných odpadních vod a energetickou náročnost na jejich čerpání. Dále může například obsluha pracovní stanice 8 získat informace o počtu a druhu poruch každé čerpací šachty 3 v definovaném časovém období, informace o umístění čerpacích šachet 3 včetně kontaktních údajů na jejich uživatele. Systém rovněž monitoruje nebo ovládá sekční uzávěry 104 na hlavním kanalizačním řadu I, dále systém získává informace o natékaném množství na koncové sběrné zařízení 2, zejména čistírnu odpadních vod, nebo informace o činnosti dávkovačích zařízeních 102 prostředků pro úpravu odpadních vod, pomocí kontrolního a řídicího členu 101.

Na základě informací získaných z komunikačních modulů 4 a kontrolních a řídicích členů 101 lze s ohledem na stav koncového sběrného zařízení 2, úrovně hladin v jednotlivých čerpacích šachtách 3 a stavu podpůrných členů 102. 103, 104 provádět nucené sepnutí nebo blokování jednotlivých čerpacích šachet 3 nebo jejich skupin. Definování skupin a parametrů čerpám, například časových cyklů je prováděno pomocí kontrolního a vyhodnocovacího programu. V tomto případě se jedná o kombinované řízení čerpacích šachet 3 za pomoci vlastního řídicího systému každé čerpací šachty 3 a systému pro monitorování a řízení tlakové kanalizace.

Ovládání jednotlivých čerpacích šachet 3 nebo jejich skupin včetně dalších objektů na tlakové kanalizační síti, jako je například koncové sběrné zařízení 2, sekční uzávěry 104, dávkovači zařízení 102 prostředků pro úpravu odpadních voď nebo pročišťovací jednotka 103. může probíhat v plně automatickém režimu kontrolním a řídicím vyhodnocovacím programem, který využívá stavové a statistické informace získané z komunikačních modulů 4 a kontrolních a řídicích členů 101.

Popsané provedení systému není jeho jediným možným provedením, ale jak je patrné z dalších schémat, je možné připojení komunikačních modulů 4 a funkčních prvků tlakové kanalizace na jeho vstupní brány 6 místo klasické sběmicové sítě znázorněné na obr. 2 ve formě hvězdicové sítě znázorněné na obr. 3, větvené sítě podle obr. 4, liniové sítě podle obr. 5, smíšené sítě typu mesch podle obr. 6, popřípadě formou jiného běžného standardního zapojení. Hlavní kanalizační řad I může být vybaven více jak jedním kontrolním a řídicím členem 101 nebo kontrolními a řídicími členy 101 různých typů, jako jsou průtokoměry, tlaková čidla, snímače hladiny apod., více pročišťovacími jednotkami 103 a dávkovacími zařízeními 102 prostředků pro úpravu odpadních vod. Je logické, že v návaznosti na rozsáhlost a členitost kanalizační sítě nemusí být sekem uzávěry 104 umístěny pouze na hlavní větvi hlavního kanalizačního řadu 1, ale i na jeho bočních větvích. Kontrolní a řídicí členy 101 a podpůrné členy 102, 103. 104 zobrazené na připojených výkresech představují pouze jednu z možností řešení. V systému monitorování a řízení tlakové kanalizace mohou být monitorována a řízena i jiná zařízení umístěná na tlakové kanalizační síti nebo součásti koncových sběrných zařízení 2. V jednodušších méně rozsáhlých systémech tlakové kanalizace však nemusí být kontrolní a řídicí členy 101 nebo podpůrné členy 102.103.104 použity vůbec.

Průmyslová využitelnost

Systém pro monitorování a řízení tlakové kanalizace je určen zejména ke komplexnímu monitorování a řízení provozu čerpacích šachet, tlakové kanalizační sítě a k optimalizaci provozu čistíren odpadních vod s ohledem na zkvalitnění procesu čištění a snížení nákladů na provoz. Systém _ A .

je využitelný zejména pro provozovatele nebo servisní organizace tlakových kanalizací a čistíren odpadních vod.

Claims (9)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Systém pro monitorování a řízení tlakové kanalizace obsahující hlavní kanalizační řad (1), 5 který je vyústěn do koncového sběrného zařízení (2), a na jehož větve jsou napojena sběrná potrubí (31) čerpacích šachet (3), vyznačující se tím, že dále obsahuje soustavu komunikačních modulů (4), připojených k automatickým ovládacím jednotkám čerpacích šachet (3), přičemž tyto čerpací šachty (3) jsou prostřednictvím komunikační sítě (5) propojeny se vstupní bránou (6) řídicího a vyhodnocovacího bloku (7) napojeného alespoň na jednu hlavní pracovní io stanici (8).
2. 2. Systémpodle nároku 1, vyznačuj ící se t í m , že hlavní pracovní stanice (8) je tvořena řídicím počítačem.
3. 3. Systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že komunikační síť (5) je propojena s kontrolními a řídicími členy (101) a/nebo s pročišťovací jednotkou (103) a/nebo dáv15 kovacím zařízením (102) prostředků pro úpravu odpadních vod a/nebo sadou sekčních uzávěrů (104), které tvoří soubor podpůrných členů a jsou osazeny na hlavním kanalizačním řadu (1).
4. 4. Systém podle některého z nároků laž3, vyznačující se tím, že kontrolní a řídicí členy (101) jsou tvořeny průtokoměry, tlakovými čidly, snímači hladiny, hlídači stavu elektrorozvodné sítě, bezpečnostními snímači nebo výstupními prvky zařízení umístěných na tlakové

   20 kanalizační síti.
5. 5. Systém podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že je vybaven přes komunikační síť (5) paralelně připojenými pomocnými pracovními stanicemi (8’).
6. 6. Systém podle nároku 5, vyznačující se tím, že pomocné pracovní stanice (8’) jsou tvořeny zařízeními pro datovou komunikaci, zejména notebooky, tablety nebo mobilními

   25 telefony.
7. 7. Systém podle některého z nároků laž6, vyznačující se tím, že je vybaven paralelně připojenými záložní vstupní bránou (6’) a záložním řídicím a vyhodnocovacím blokem (7’)·
8. 8. Systém podle nároků la7, vyznačující se tím, že řídicí a vyhodnocovací blok

   30 (7) i záložní řídicí a vyhodnocovací blok (7’) jsou tvořeny počítačovými servery.
9. 9. Systém podle některého z nároků laž8, vyznačující se tím, že komunikační moduly (4) jsou instalovány do automatických ovládacích jednotek jednotlivých čerpacích šachet (3) jako součást vlastního řídicího systému každé čerpací šachty (3), nebo jsou s automatickou ovládací jednotkou propojeny ve formě samostatně připojitelného zařízení.