«Смоленка» — более 20 лет мы обеспечиваем наших покупателей самыми современными и технологичными инженерными решениями с гарантированным качеством и профессиональной поддержкой.

Вопросы автоматизации бытовых погружных и поверхностных насосов водоснабжения.


В данной статье рассмотрим методы автоматизации бытовых однофазных насосов водоснабжения и ответим на вопросы, которые периодически задают наши покупатели.
 
Массовое распространение средств автоматизации для насосов водоснабжения, позволило значительно увеличить спектр применения насосного оборудования в быту и повысить комфорт водопотребления.
Владельцы загородной недвижимости с автономным водоснабжением, не только не обделены, но и имеют более высокий уровень комфорта, в сравнении с городским.
При этом прогресс средств автоматизации, продолжает активно двигаться вперед.
В т.ч. появляется большое разнообразие однотипных устройств автоматизации, что, к сожалению, привело к тому, что большая часть этих устройств имеет низкое качество и зачастую "вредный" функционал.

Давайте рассмотрим, что такое автоматика для насоса водоснабжения и чем отличаются средства автоматизации.

Для начала обозначим, что представляет из себя насос для водоснабжения: это погружной (колодезный или скважинный) насос или поверхностный самовсасывающий, или нормально-всасывающий насос. Обязательным условием является достаточный создаваемый напор воды для нормальной эксплуатации в системе водоснабжения. Обычно это насосы с максимальным давлением начиная от 25 метров водяного столба. Это минимум. Все, что меньше - не является насосом для водоснабжения. В реальности под эти параметры подходят почти все бытовые насосы кроме дренажных. Даже вибрационный насос подходит для применения в автоматизации водоснабжения. На практике насосы водоснабжения создают максимальное давление 40-150 метров. 

Насос без автоматики приходится вручную включать, а после пользования водой, так же вручную отключать. Конечно, это крайне неудобно. Поэтому основной функцией насосной автоматики является автоматическое включение насоса при открытии крана водоразборной точки, и отключение при закрытии кранов. При этом, водоразборных точек может быть бесконечно много и при открытии крана любой из них, насос должен включиться, а выключиться при всех закрытых кранах.

По сути, данная функция и является автоматизацией насоса водоснабжения, превращая просто насос в насосную станцию. Остальные функции являются сервисным дополнением. Из таких дополнительных функций, наиболее важной является защита насоса от работы без воды. Если автоматика не поддерживает эту функцию - ее необходимо установить дополнительно в обязательном порядке. Любой насос при работе без воды выйдет из строя из-за перегрева двигателя и гидравлической части. И никто не застрахован от возникновения подобной ситуации. Точнее, по тем или иным причинам, рано или поздно - ситуация возникает почти всегда. И простейшая защита поможет застраховаться от дорогостоящей замены насоса.

Это, так скажем, программа минимум, требований к автоматике насоса водоснабжения.

Реализованы эти функции могут быть по разному. Рассмотрим разновидности и сравним эти способы реализации.

1) Гидропневматическая автоматика.

Самый простой, но и самый популярный вид автоматики. Отличается высокой надежностью и универсальностью. Подходит для любых систем водоснабжения.
Основными элементами являются: электромеханическое реле давления и мембранный бак - гидроаккумулятор.
Реле давления - устройство управляющее подачей напряжения на насос в зависимости от давления в системе водоснабжения. Имеет регулировки, с помощью которых можно установить давление, при котором насос отключается и давление включения насоса, при котором он будет включаться.
Когда мы закрываем все краны - давление растет, и по достижении давления выключения реле выключает насос. При открытии крана - давление падает и насос включается.
Но, реле способно выполнять этот алгоритм только при наличии в системе гидроаккумулятора. Гидроаккумулятор представляет из себя металлический бак в котором с одной стороны находится резиновая груша, с другой стороны под давлением закачан воздух.
Гидроаккумулятор выполняет следующие функции: роль демпфера, сглаживающего скачки давления в системе и нормализующего работу реле давления; гаситель гидроударов; некий запас воды в случае отключения электричества и позволяющий реже включаться насосу, т.к. частое включение и отключение быстро выведет его из строя.
С гидроаккумулятором алгоритм работы меняется: при закрытии всех кранов, вода начинает поступать в гидроаккумулятор. Когда давление воды в груше бака выравнивается с давлением подкачанного воздуха, наполнение прекращается и рост давления в системе заставляет реле давления выключить насос. При открытии крана - вода поступает сначала из гидроаккумулятора, затем давление в системе падает и реле давления включает насос. Чем больше будет объем гидроаккумулятора, тем реже будет включаться насос и тем дольше он будет служить. При учете объема гидроаккумулятора в качестве резервного запаса воды, следует учитывать, что полезный объем будет равняться 20-30% от номинального объема бака.
Очень важно правильно настроить бак путем подкачки воздуха. Давление воздуха настраивается в системе без давления, после настройки реле. Давление воздуха в гидроаккумуляторе выставляется так, чтобы оно составляло  90% от давления включения насоса, установленном на реле давления. В этом случае обеспечивается необходимый комфортный баланс между полезным объемом бака и бесперебойной подачей воды потребителям.
Слабых мест в гидропневматической автоматике два: мембрана гидроаккумулятора и контакты реле давления.
Рано или поздно, мембрана гидроаккумулятора выйдет из строя. Это лечится только заменой мембраны или бака целиком. Срок службы зависит от производителя, качества воды, давления в системе.
Контакты реле давления имеют свойство постепенно выгорать. Это неизбежно, т.к. реле приходится коммутировать достаточно большие нагрузки, а ведь пусковой ток электродвигателя в пять раз больше номинального. Поэтому лучшим решением будет коммутировать напряжение на насос не напрямую через реле давления, а через электромагнитный контактор, а катушкой контактора управлять через реле давления. Таким образом существенно повышается ресурс автоматики и ее работоспособность, т.к. каждый элемент будет заниматься своим делом - реле управлять, а контактор коммутировать.
Обращу внимание, что высококачественные реле давления сразу разработаны для применения с контактором и не допускают прямой коммутации насоса.

Устройство реле давления:



Защита от работы без воды может быть выполнена по разному. Если вероятность срабатывания защиты высока, то обычно устанавливается контроллер с кондуктометрическими погружными датчиками уровня. Такая автоматика надежно защищает насос и обеспечивает настройку уровней включения и отключения защиты, что существенно сокращает количество включений насоса. Система с такой защитой является полностью автономной, т.е. насос выключается при отсутствии воды и сам включается при ее появлении.

Вот пример такой автоматизации:



Описание: коммутация насоса производится посредством контактора. Защиту от работы без воды осуществляет контроллер с погружными электродами.
Нижний электрод - общий. Когда вода опускается но среднего электрода, насос отключается и включится только тогда, когда вода достигнет верхнего электрода.
Это обеспечивает наполнение источника воды и более редкий запуск насоса. 
Данная автоматика имеет большую популярность в скважинах с низким дебитом.

Если вероятность возникновений данной ситуации невелика, то можно обойтись более простым решением - вместе с реле давления установить реле защиты LP 3 или аналогичное.
Работает реле следующим образом: при наличии давления в системе >0,3 бар контакты реле замкнуты, при падении, контакты размыкаются и питание насоса прерывается.
Основным недостатком данного типа автоматики является то, что при срабатывании, перезапуск системы производится только вручную, путем удержания кнопки на блоке защиты до появления давления в системе. Кроме того, защита срабатывает при неправильной настройке гидроаккумулятора и в ситуации, когда временно отключили электроэнергию и имеется попытка водоразбора.

Пример типовой схемы гидропневматической автоматики подключенной через контактор:



Еще один пример более продвинутой схемы, имеющей массу преимуществ.
В данной схеме в качестве реле защиты от работы без воды используется манометр с электроконтактной приставкой. Это позволяет намного гибче управлять системой.
Так, предложенный вариант не боится кратковременных срабатываний защиты, например из-за неправильных настроек, т.к. отключается не сразу.
Кроме того, система сама будет перезапускаться при срабатывании защиты связанного с отключением электричества.
Для удобства, управление можно вынести в доступное место, например в дом, откуда можно дистанционно вручную перезапускать насос в случае срабатывания защиты. Все это сопровождается световой индикацией.
За задержку отключения и автоперезапуск отвечает реле времени CRM-91H. При желании его можно заменить на реле времени CRM-2H. Тогда, в случае срабатывания защиты по сухому ходу, автоматический перезапуск будет происходить циклически по заданному пользователем времени. Иногда это может быть удобно при частых срабатываниях защиты в случаях с низким дебитом.

Вот схема:


Контактор
Промежуточное реле VS116U
Реле времени CRM-91H
Реле времени CRM-2H
Реле давления
Манометр с ЭКП

Как итог обзора, можно сказать, что гидропневматическая система автоматизации является наиболее универсальной и гибкой.


2) Электронная автоматика (гидроконтроллер).

Появились гидроконтроллеры сравнительно недавно, но быстро набрали популярность в бытовой автоматизации насосов.
Вот визуальные примеры таких блоков автоматики:



Гидроконтроллер имеет входной и выходной патрубки. Врезается в разрыв трубопровода в любой точке между насосом и водоразборными точками. Иногда можно встретить контроллеры с одной точкой подключения, но лучше избегать их приобретения, т.к. логика их работы несколько некорректна.
Преимущество гидроконтроллров заключается в компактности и простоте подключения. Это устройство является полноценной автоматикой включения/отключения насоса с защитой от работы без воды.
Принцип работы следующий: когда давление системы падает ниже установленного в настройках гидроконтроллера - насос включается и принудительно подается питание примерно в течении 10 секунд. Далее электроника гидроконтроллера проверяет имеется ли проток воды (в гидроконтроллере установлен датчик протока). Если проток есть, то подача питания на насос продолжается непрерывно пока поток не прекратится. Если проток не появился, то автоматика останавливает работу по ошибке с ручным перезапуском или, в некоторых моделях, автоматическим циклическим перезапуском.
Как только проток прекратится, автоматика вновь создает 10 секундную принудительную задержку отключения для нагнетания давления в системе. Если давление не удалось создать, то насос отключается по ошибке.
Принцип простой и работоспособный. Среди недостатков можно отметить то, что гидроконтроллер не имеет резервного запаса воды и включается при каждом кратковременном открытии крана. Кроме того электронная начинка очень чувствительна к перепадам напряжения в электросети, а электромеханическая часть не любит воду с высоким содержанием железа.
Т.е. по статистике, ресурс такой автоматики ниже, чем у гидропневматической. С другой стороны, она очень хорошо себя показала в применении с насосами имеющих слабый напор, т.к. позволяет более полно реализовать их напорный ресурс. С мощными же насосами, такую автоматику лучше не применять, т.к. автоматика не ограничивает давление выдаваемое насосом в систему. Поэтому при закрытых кранах насос с гидроконтроллером создает максимальное давление, на которое способен насос. Если насос имеет максимальное давление больше 60 метров, то применять гидроконтроллер в качестве автоматики не следует. Это приведет к быстрому выходу из строя системы водоснабжения.
К большому сожалению на рынке появилось множество гидроконтроллеров азиатского происхождения очень низкого качества. Зачастую они живут всего несколько месяцев.
Увеличить срок службы гидроконтроллера можно путем подключения его, опять же, через контактор. Это позволит продлить срок службы реле блока автоматики. Особенно это актуально при подключении достаточно мощных насосов.

Вот принципиальная схема подключения:





3) Электронная автоматика с частотным регулированием.


Данный тип автоматизации является самым современным, технологичным и перспективным.
В конечном итоге, производители насосного оборудования планируют перевести на частотнорегулируемую схему большую часть насосов.
Ограничивает это только пока еще высокая цена. Тем не менее, частотная автоматизация прочно укрепляется в бытовой сфере, когда еще недавно, это было привилегией только промышленной гаммы насосного оборудования.
С точки зрения структуры построения системы, частотнорегулируемые блоки автоматики аналогичны гидроконтроллерам и даже внешне они похожи. Принцип автоматизации и начинка отличаются принципиально. В основе автоматики лежит принцип динамического управляемого изменения частоты переменного тока, который подается на электродвигатель насоса. При изменении частоты тока, изменяется частота вращения вала двигателя и количество потребляемой электроэнергии.
Так, мы задаем в блоке автоматики требуемое давление на выходе из насоса, а дальше насос самостоятельно, анализируя текущий расход, изменяет частоту вращения вала двигателя таким образом, чтобы независимо от расхода всегда поддерживалось постоянное давление.
Это обеспечивает наиболее комфортное пользование водой, т.к. у насоса с автоматикой другого типа выходное давление изменяется в зависимости от текущего расхода воды, это некомфортно. Кроме того, гидравлическая часть не испытывает экстремальных нагрузок, т.к. благодаря плавному пуску и остановке двигателя отсутствуют гидравлические удары, а давление остановки лишь немного превышает номинальное рабочее давление.
Т.к. мы не всегда используем полный ресурс насоса, то применение частотноуправляемой автоматики позволяет существенно экономить на электроэнергии, ведь при неполном потреблении насос и расходовать будет меньше электроэнергии.
Пример: насос мощность 1500 Вт при автоматизации гидроконтроллером или гидропневматической автоматикой независимо от того, сколько кранов мы открыли одновременно, всегда будет потреблять свои 1500 Вт. Если же автоматизировать этот же насос частотной автоматикой, то при неполной загрузке, например открыли один кран, насос будет потреблять всего около 300 Вт. 
При подборе насоса мы стараемся выбрать оптимальную по характеристикам модель, без излишнего запаса по мощности, в противном случае пользователю всегда придется переплачивать за лишнюю электроэнергию. С частотной автоматикой этой проблемы нет, т.к. потребление электроэнергии и его напорные характеристики будут всегда строго соответствовать текущему потреблению.
Некоторые производители насосов с частотной автоматикой намеренно сокращают линейку производимых насосов, т.к. автоматика позволяет адаптировать насосы к текущему потреблению.


4) Другие виды автоматизации.

Мы рассмотрели примеры, так называемой, прямой автоматизации насосов. К сожалению, не всегда получается подавать воду от насоса к потребителям.
Типичная ситуация, когда дебит источника воды мал и его не хватает для полноценного водоснабжения в пиковое время.
Решается это путем установки промежуточной накопительной емкости, запасы которой позволят покрыть пиковые расходы.
Таким образом задача разделяется на два этапа:
  • Автоматическая подача воды из источника в накопительную емкость
  • Автоматическая подача из накопительной емкости потребителю
Первую задачу удобно решается с помощью уровневой кондуктометрической автоматизации. Это обеспечивает и защиту насоса от сухого хода с автоматическим пуском, что очень актуально при малом дебите, минимизацию включений насоса и точную настройку пределов уровней.

Вот классический пример такой автоматизации:



В этом примере с помощью электродов регулируются пороги включения погружного насоса в зависимости от наличия воды в источнике и пороги включения/отключения в зависимости от уровня в накопительном баке.
Подробнее об управлении по уровню можно посмотреть здесь.

Популярны варианты с запорным поплавковым клапаном (как в унитазе) на заполнение накопительной емкости. В этом случае между насосом и емкостью устанавливается гидропневматическая автоматика или гидроконтроллер, т.к. запорный клапан является для автоматики обычным краном.
Из емкости вода подается насосной станцией с любым типом автоматики.
Не забудьте защиту от работы без воды для каждого насоса.
Рекомендуем рассмотреть готовое решение: накопительную емкость E.sytank с полной обвязкой на наполнение, перелив и пр. и насосную станцию с частотной автоматикой e.sybox. Это готовая система с самым технологичным насосом.