Автоматизована система керування дренажними насосами

Іполітов, Роман  Вікторович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6346
Title:	Автоматизована система керування дренажними насосами
Authors:	Міценко, Сергій Анатолійович Іполітов, Роман Вікторович
Issue Date:	Jun-2025
Abstract:	У роботі проведено детальне дослідження процесів автоматизації насосних станцій, зосереджене на проектуванні, моделюванні, аналізі ефективності роботи систем керування та впровадженні інноваційних підходів до управління. Аналіз сучасних підходів до автоматизації насосних станцій показав, що традиційні системи керування мають низку обмежень, зокрема високі енергетичні витрати, недостатню точність регулювання та обмежену можливість прогнозування аварійних ситуацій. Для вирішення цих проблем запропоновано інтеграцію сучасних технологій, таких як SCADA-системи, PLC-контролери, частотні перетворювачі та датчики стану обладнання, що дозволяє підвищити надійність та ефективність роботи насосних станцій. Виконано проектування системи керування насосною станцією, що включає розробку гідравлічної моделі, структурної схеми, вибір відповідного обладнання та формування функціональної та електричної принципової схеми автоматизації. Запропоновані методи управління дозволили оптимізувати роботу насосних агрегатів, забезпечити їхню гнучку адаптацію до змінних умов експлуатації та підвищити стабільність функціонування системи. Для перевірки працездатності розробленої системи проведено чисельне моделювання основних параметрів насосної станції. Виявлено критичні режими роботи та оптимізовано параметри ПІД-регулятора, що дозволило знизити перерегулювання з 89% до 0% та скоротити час перехідного процесу. Результати моделювання підтвердили, що запропоновані алгоритми керування забезпечують високу точність регулювання, стабільність роботи системи та мінімізацію енергетичних витрат.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6346
Appears in Collections:	174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
Б_174_2025_Іполітов.pdf Restricted Access		1.93 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ 
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ  
КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ 
 
 
 
 
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА 
до кваліфікаційної роботи 
освітнього ступеня «бакалавр» 
 
на тему: АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА КЕРУВАННЯ ДРЕНАЖНИМИ 
НАСОСАМИ 
 
 
Виконав студент 2 курсу групи АКІТС-2109 
 спеціальності 174 Автоматизація, 
комп'ютерно-інтегровані 
технології та робототехніка 
  
 Роман ІПОЛІТОВ 
 (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) 
Керівник Сергій МІЦЕНКО 
 (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) 
Рецензент  
 (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) 
  
Захист дозволяю:   
зав. кафедри, д.т.н., професор   Валентина ЛУКАШЕНКО 
 (підпис)  (ім’я та ПРІЗВИЩЕ) 
 
 
 
 
 
 
Черкаси 2025 
ЗМІСТ 
 
 
СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ ......................................... 3 
ВСТУП ......................................................................................................................... 4 
РОЗДІЛ 1 СУЧАСНІ ПІДХОДИ ДО МОДЕЛЮВАННЯ ТА АВТОМАТИЗАЦІЇ 
ДРЕНАЖНИХ СИСТЕМ ............................................................................................ 6 
1.1 Поточний стан моделей дренажних систем ................................................... 6 
1.2 Основні параметри при створенні моделей дренажних систем для їх 
застосування ............................................................................................................ 8 
1.3 Аналіз технологій автоматизації систем управління насосними станціями
 ................................................................................................................................. 16 
1.4 Оптимізація та енергозбереження роботи насосного обладнання ............. 22 
РОЗДІЛ 2 ПРОЕКТУВАННЯ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ДРЕНАЖНИМИ 
НАСОСАМИ .............................................................................................................. 27 
2.1 Схема системи автоматизованого керування ............................................... 27 
2.2 Вибір засобів автоматизації для реалізації системи .................................... 34 
2.3 Комплексна схема автоматизації дренажної системи ................................. 45 
РОЗДІЛ 3 ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ..... 50 
3.1 Моделювання системи автоматичного керування системою ..................... 50 
3.2 Аналіз динамічних процесів у системі керування ....................................... 54 
3.3 Моделювання роботи системи керування .................................................... 56 
ВИСНОВКИ ............................................................................................................... 60 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ................................................................. 62 
2 
СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ 
 
АД – асинхронний двигун  
АЦП – аналого-цифровий перетворювач  
ЕМС – електромеханічна система 
ККД – коефіцієнт корисної дії 
МЕS-cистема – Manufacturing Execution System – система управління 
виробництвом 
МПЖ – машина подвійного живлення 
НА – насосний агрегат 
НУ – насосна установка 
ПТКЗА – програмно-технічний комплекс засобів автоматизації 
САР – система автоматичного регулювання 
САУ – система автоматичного управління 
СУБД – система управління базами даних 
ЦАП – цифро-аналоговий перетворювач 
ЧРП – частотно-регульований електропривод 
3 
ВСТУП 
 
Актуальність теми 
Сучасний розвиток технологій у сфері автоматизації дренажних систем 
має вирішальне значення для забезпечення ефективного управління 
водовідведенням, контролю потоків та запобігання підтопленням. Стрімке 
зростання урбанізації та розширення міської інфраструктури створюють 
додаткове навантаження на дренажні мережі, що потребує застосування 
інтелектуальних рішень для їх ефективного функціонування. 
Автоматизація дренажних систем на основі програмованих логічних 
контролерів (PLC), SCADA-систем, датчиків рівня води, тиску та потоків 
дозволяє зменшити людський фактор, підвищити точність регулювання та 
оптимізувати експлуатаційні витрати. SCADA-системи, використовуючи 
дистанційний моніторинг та автоматизовані алгоритми реагування, 
забезпечують контроль параметрів водовідведення в режимі реального часу, 
даючи можливість оперативно адаптувати систему до змін навантаження. 
Інтеграція алгоритмів штучного інтелекту та систем прогнозування 
дозволяє моделювати сценарії гідравлічного навантаження, запобігаючи 
аварійним ситуаціям та перевантаженню каналізаційної системи. Завдяки 
оптимізації алгоритмів керування, система може самостійно підбирати 
оптимальні режими роботи насосного обладнання, зменшуючи витрати енергії 
та забезпечуючи гнучке адаптування до змін зовнішніх умов. 
Отже, автоматизовані дренажні системи значно покращують управління 
потоками води, знижують ризик підтоплень, підвищують ефективність 
водовідведення та мінімізують втручання оператора, забезпечуючи надійність та 
стійкість функціонування міської інфраструктури. 
Мета роботи – проектування автоматизованої системи керування 
дренажною станцією, що забезпечує моніторинг ключових параметрів, 
оптимізацію роботи насосів та застосування сучасних інструментів управління 
для підвищення. 
4 
Об’єкт дослідження – процес автоматизації дренажних систем. 
Предмет дослідження – автоматизована система керування дренажними 
насосами 
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання: 
− Провести аналітичний огляд сучасних технологій автоматизації 
дренажних систем. 
− Дослідити динаміку зміни рівня води та потоків у системах дренажу. 
− Розробити функціональну та електричну схему автоматизації насосної 
станції. 
− Оптимізувати алгоритми керування та моніторингу, забезпечуючи 
енергоефективність та стійкість роботи системи. 
− Провести моделювання роботи системи, оцінити її ефективність та 
коригувати параметри регулятора. 
Методи дослідження 
У роботі застосовано методи математичного моделювання, системного 
аналізу, алгоритмічного проектування та електронного моделювання. 
Використано чисельні методи оцінки параметрів регулятора, аналіз ефективності 
керування та оптимізацію роботи насосного обладнання. 
Практичне значення отриманих результатів 
Розроблена система автоматизації може бути використана для моніторингу 
та керування дренажними станціями у міських та промислових об’єктах. Її 
впровадження дозволяє підвищити надійність роботи системи, мінімізувати 
ризик підтоплення, знизити енергоспоживання та оптимізувати управління 
потоками для забезпечення ефективного функціонування дренажної 
інфраструктури. 
 
  
5 
РОЗДІЛ 1 СУЧАСНІ ПІДХОДИ ДО МОДЕЛЮВАННЯ ТА 
АВТОМАТИЗАЦІЇ ДРЕНАЖНИХ СИСТЕМ 
 
1.1 Поточний стан моделей дренажних систем 
Міські дренажні моделі використовуються для моделювання процесів 
скидання у каналізаційних мережах, що дозволяє глибше аналізувати їхню 
динаміку, вирішувати поточні проблеми системи та контролювати вплив на 
природні водні об’єкти. Високоточні моделі (HiFi), що мають значну просторову 
та часову деталізацію, забезпечують максимально точні оцінки потоку. Однак 
вони потребують значних обчислювальних ресурсів і мають тривалі періоди 
моделювання, що робить їх менш ефективними для випадків, коли потрібні 
швидкі результати або численні симуляції. 
З огляду на ці обмеження все більшу роль відіграють обчислювально 
оптимізовані моделі, які можуть швидко обробляти дані без значного 
навантаження на системні ресурси. Такий підхід реалізується у так званих 
сурогатних моделях (SM), які поєднують елементи фізичних (LoFi) та даних-
орієнтованих підходів у процесі калібрування. Хоча структура моделі не 
базується на прямих спостереженнях чи фізичних компонентах системи, її 
параметри відповідають реальним фізичним величинам, таким як об’єм і 
витрати. Завдяки такому зв’язку між параметрами й фізичними 
характеристиками модель не можна розглядати як повністю «чорну скриньку». 
Крім того, параметри можна коригувати вручну, наприклад, для аналізу змін при 
додаванні додаткових об’ємів у резервуарах. Ця можливість була б недоступною, 
якби параметри моделі були суто абстрактними функціями, визначеними 
складними математичними процесами.  
Високоточна модель (HiFi), яка слугує базою для сурогатної моделі, 
розраховується у середовищі Mike Urban (MU). Дані та результати, отримані в 
MU, використовуються для побудови сурогатної моделі (SM). 
Попередні дослідження продемонстрували успішне впровадження 
спрощеного підходу до моделювання потоків у дренажних системах. Щоб 
6 
сприяти розвитку таких моделей, була створена узагальнена методика 
формування концептуальних рішень, яка включає етапи визначення моделі, її 
розробки, калібрування та перевірки достовірності. Калібрування 
концептуальних моделей здійснюється на ключових гідротехнічних елементах, 
таких як переливи та опадоміри, що визначаються як контрольні точки. 
У своєму дослідженні Wolfs & Willems представили модульний підхід, що 
забезпечує точну оцінку потоків. Викиди з резервуарів можна моделювати 
чотирма способами: за допомогою фіксованого потоку, кусково-лінійного 
методу, передатної функції або штучної нейронної мережі (ШНМ). Це дозволяє 
компенсувати неточності, зберігаючи швидкість розрахунків та гнучкість 
моделі. Проте автоматизоване налаштування моделі залишається викликом. 
Thrysøe та співавтори застосували метод моделювання потоку на основі 
співвідношення об’єм-розряд у відсіках, використовуючи параметри, отримані з 
HiFi-моделі Mike Urban. Внаслідок цього час моделювання був скорочений на 
кілька порядків, а результати відповідали прогнозованим межам невизначеності. 
Незважаючи на це, точність оцінки потоків значною мірою залежить від 
роздільної здатності відсіків, а плоскі ділянки з підтоками демонструють певні 
обмеження у точності розрахунків. Автоматизація процесу розмежування 
відсіків могла б підвищити ефективність таких моделей. 
Добсон та його команда застосували алгоритми графового поділу для 
автоматичного розбиття складної мережі HiFi на компактні секції в системі 
CityWat-SemiDistributed (CWSD). Такий підхід дозволяє користувачеві 
визначати ключові гідравлічні вузли, після чого решта системи автоматично 
агрегується у менші відсіки. Це дає змогу регулювати точність моделювання 
відповідно до обчислювальних обмежень. Однак оскільки процес орієнтований 
на визначені користувачем точки, деякі важливі особливості мережі можуть 
залишатися неврахованими. 
Жодне з досліджень, згаданих раніше, не розробило повністю 
автоматизований метод, заснований виключно на гідравлічному аналізі мережі. 
Поточні підходи або потребують ручного втручання, або, як у моделі Добсона, 
7 
спираються на структурні особливості мережі. Thrysøe та його команда вказують 
на перспективу автоматизації розмежування відсіків як на ключовий крок до 
вдосконалення моделювання. 
Наразі налаштування відсіків та їх калібрування здійснюється вручну, що 
вимагає значного часу та аналітичних зусиль для визначення їхньої форми, 
розміру та взаємодії. Однак після належного визначення конструкції моделі її 
можна швидко адаптувати як сурогатну систему. Це відкриває перспективи для 
подальшої автоматизації процесу в майбутньому. 
 
1.2 Основні параметри при створенні моделей дренажних систем для 
їх застосування  
Процес налаштування моделі передбачає низку етапів, пов’язаних із її 
створенням та аналізом. Ці кроки зображені на рисунку 1.1. У рамках 
моделювання міська дренажна система розділяється на відсіки. Розмір відсіку 
може варіюватися від одного окремого вузла до всієї мережі, проте для 
отримання стійких моделей і коректних розрахунків оптимальний розмір 
знаходиться між цими крайнощами. 
Формування відсіків у практичному застосуванні означає об’єднання 
частин системи в окремі блоки, що стають основою для розрахунків об’єму та 
витрати. Такі моделі не враховують збереження енергії, яке є невід’ємною 
частиною високоточних моделей (HiFi), і тому обмежуються лише розрахунком 
об’ємів води без урахування гідравлічного напору. Наприклад, у моделі 
лінійного резервуару витрати залежать виключно від об’єму води, що 
знаходиться вище за течією, що ускладнює оцінку системних ефектів, таких як 
підпір. Існують концептуальні моделі, здатні моделювати рівень води та, 
відповідно, враховувати вплив підтоку, проте їхня швидкість розрахунків значно 
нижча порівняно зі спрощеними моделями. 
На рисунку 1.2 представлена концептуальна схема процесу групування 
елементів системи. Вузлам присвоюється унікальний номер відсіку відповідно 
до визначених критеріїв. Далі вузли та зв’язки агрегуються, формуючи основу 
8 
співвідношення об’єм-розряд (VQ) для кожного окремого відсіку. Ланки, що 
з’єднують два відсіки, отримують параметри на основі сукупного об’єму води у 
відсіку, розташованому вище за течією, та величини витрат через відповідне 
з’єднання. 
 
 
Рисунок 1.1 – Ілюстрація кроків, необхідних для створення та запуску 
сурогатної моделі 
9 
Деякі дослідники визначають зосереджену маршрутизацію потоку як 
процес, у якому витрати розраховуються залежно від часу у фіксованій точці. 
Натомість при розподіленій маршрутизації потік залежить як від часу, так і від 
просторового положення. Таким чином, моделі HiFi відрізняються від LoFi тим, 
що вони обчислюють потоки на рівні кожного елемента мережі в динаміці часу. 
Оскільки моделі з сурогатним підходом агрегують відсіки, частина 
просторової деталізації втрачається. Тому при порівнянні результатів, 
отриманих у Mike Urban (MU), із потоками в сурогатній моделі (SM), порівняння 
можливе лише за зв’язками між відсіками або вихідними вузлами. 
Існує кілька методів визначення меж та роздільної здатності відсіків у 
моделюванні. Один із підходів – кусково-лінійні VQ-залежності. Взаємозв’язок 
між загальним об’ємом у кожному відсіку та його розрядом через сполучні 
елементи моделюється за допомогою кусково-лінійних функцій. Часові ряди 
обсягів у вузлах і з’єднаннях, а також відповідні розряди, витягуються з MU та 
агрегуються для кожного відсіку, як показано у рівнянні 1. 
 
       (1.1)  
  
Об’єм у кожному відсіку визначається для кожного часового кроку ( t ), 
враховуючи ( N ) вузлів та ( L ) зв’язків. Ці значення зіставляються з часовими 
рядами розряду, що проходить через з’єднання відсіку ( C ), формуючи криву 
залежності об’єму від розряду для кожного сегмента системи. 
Для моделювання використовується сценарій дощу зі змінною 
інтенсивністю, що змінюється щогодини (детальніше див. розділ 0). Система 
стабілізується для кожного рівня опадів, а для кожної інтенсивності обирається 
одна репрезентативна точка, яка використовується для визначення параметрів 
сурогатної моделі (SM). 
Тривалість кожного етапу моделювання залежить від масштабу системи, 
адже для великих мереж потрібно більше часу, щоб досягти сталого стану. 
10 
Контрольні точки, отримані внаслідок моделювання опадів з поступовою зміною 
інтенсивності, можуть бути безпосередньо використані для визначення 
параметрів сурогатної моделі (SM), оскільки вони відображають стабільне 
співвідношення між об’ємом і витратами води. 
 
 
Рисунок 1.2 – Приклад VQ-відношення в посиланні 
Позначки ( x ) відповідають точкам, що застосовуються у налаштуванні сурогатної 
моделі (SM). У цьому випадку контрольні значення визначаються щогодини після досягнення 
стаціонарного стану дренажної системи. 
  
Параметри VQ моделюються за допомогою кусково-лінійних (PWL) 
функцій між вибірковими точками. PWL зазвичай використовується як 
оптимальний метод параметризації за замовчуванням, тому він є частиною 
базового процесу налаштування моделі. 
Альтернативний підхід передбачає моделювання рівня води у верхніх та 
нижніх вузлах і розрахунок потоку на основі градієнта між ними. Такий метод 
отримав назву потоків, заснованих на градієнті (GB). 
Модель ґрунтується на фундаментальних принципах масового балансу, де 
зміна об’єму резервуара визначається як різниця між припливом і відтоком, що 
ілюструється на рисунку 1.3 і виражається в рівнянні 1.2. 
11 
 
Рисунок 1.3 – Схематичне зображення обчислювального процесу SM  
Відсік ( n ) отримує приплив від стоку та потоку з верхніх сегментів системи, а 
вихідний потік спрямовується до нижнього відсіку. Ілюстрація адаптована на основі роботи 
Thrysøe та ін. (2019). 
 
Як показано на рисунку 1.4, дохідні потоки у відсіках складаються з 
поверхневого стоку з водонепроникних територій та скидів із відсіків, 
розташованих вище за течією. Витрати з відсіків відбуваються шляхом скидання 
до нижнього сегмента системи або до вихідного вузла. Формулювання закону 
збереження маси базується на рівнянні зміни запасу (1.2). 
  
    (1.2)  
 
Ці моделі не включають двовимірне моделювання поверхневого потоку. 
Таким чином, надлишковий об’єм води, що утворюється в затоплених вузлах 
системи, вважається тимчасово збереженим у віртуальному резервуарі, 
розташованому у верхній частині вузла, і згодом повертається в систему. Це 
означає, що загальний об’єм води у відсіку може перевищувати фізичні межі 
вузлів і зв’язків, що входять до його складу. 
Механізм моделі, що використовується для сурогатної системи, 
реалізований у До-діез і застосовує чисельний метод інтегрування рівнянь Рунге-
Кутта четвертого порядку. Цей метод дозволяє поширювати значення об’ємного 
стану, пов’язані з кусково-лінійною залежністю між потоком та об’ємом, у 
часовому напрямку. 
12 
Підпір – явище, за якого вода рухається у зворотному напрямку у 
дренажній системі,—виникає через перешкоди, що обмежують її нормальний 
стік вниз за течією. Це спричиняє накопичення води у верхніх сегментах 
системи. Моделі HiFi враховують цей ефект через рівняння імпульсу, яке 
визначає повну динаміку хвильового руху. Однак у концептуальних моделях цей 
компонент часто не розглядається, тому підтоки та їхній вплив не можуть бути 
точно змодельовані. 
Як показано на рисунку 1.4, співвідношення між об’ємом води та її 
витратою може бути як сталим, так і змінним. У разі сталих залежностей 
кожному рівню води відповідає однозначний розрахунок витрат, тоді як змінні 
співвідношення виникають, коли потоки залежать від підпору в системі. У 
зосереджених моделях такі змінні співвідношення часто оцінюються за 
усередненими значеннями. Якщо вплив підпору виявляється значним, 
припущення щодо прямого зв’язку між об’ємом і витратами стає недійсним. 
 
 
Рисунок 1.4 – Ілюстація залежності між запасом води ( S ) та її витратами  
Це співвідношення може залишатися постійним або змінюватися залежно від 
гідравлічних характеристик трубопровідної системи. Параметр ( R ) визначає максимальний 
об’єм збереження, а ( P ) – найбільший можливий рівень витрат. 
13 
Підпір виникає як наслідок регуляторних заходів, що обмежують потік 
води вниз за течією. Такі обмеження можуть бути впроваджені для контролю 
обсягу скиду до очисних споруд або як економічно обґрунтоване рішення для 
оптимізації процесу регулювання потоків. Якщо пропускна здатність витоку, 
наприклад, з резервуару, обмежена, то рівень води у верхніх сегментах системи 
зростає, як показано на рисунку 1.5. 
  
 
Рисунок 1.5 – Дросельна труба та її вплив на гідродинаміку 
 
На рисунку 1.5 представлено схему роботи дросельної труби, яка обмежує 
витрату води, викликаючи підвищення рівня у резервуарі, розташованому вище 
за течією. У результаті таке накопичення може призвести до переповнення 
конструкції водосливу або комбінованого каналізаційного переливу (CSO). 
Підвищення рівня води триває до моменту, коли вона починає 
переливатися через греблю, що контролюється дросельним механізмом. Ця 
ситуація часто спостерігається у комбінованих каналізаційних системах (CSO), 
де обсяг викинутої води складається із суміші дощових і стічних вод. Як правило, 
цей потік спрямовується у природні водойми, такі як річки, озера або струмки. 
У межах цього проекту CSO-структури є ключовими об’єктами для аналізу 
при створенні сурогатної моделі (SM). Їхня важливість пояснюється кількома 
факторами: 
1. Вплив на підпір у трубопроводах – обмеження витрат спричиняє 
накопичення води у верхніх відсіках, що впливає на загальну динаміку 
потоку. 
14 
2. Екологічний аспект – правильне моделювання об’ємів CSO має 
вирішальне значення для оцінки впливу системи на довкілля. 
3. Регулювання потоків – ці конструкції відіграють критичну роль у 
контролі розподілу води всередині системи. 
З урахуванням гідравлічних характеристик можна визначити шість 
ключових принципів для оптимального розмежування відсіків у сурогатному 
моделюванні. Одним із таких критеріїв є: 
Гідротехнічні споруди та обмеження – ці елементи формують природні 
межі відсіків, оскільки вони визначають обмеження потоків. У таких точках 
часто встановлюється чітка залежність між об’ємом та витратою (VQ-зв’язок). 
Окрім того, розрахунки потоків у цих структурах є критично важливими для 
побудови точних моделей. 
Визначення кордонів відсіків у моделюванні: 
− Круті труби: Оскільки у крутих трубопроводах підпірна вода майже не 
утворюється, вони забезпечують стабільні межі відсіків і можуть бути 
використані для їх розмежування. 
− Двонаправлений потік: Якщо вода рухається в трубі в обох напрямках, 
така зона не підходить для встановлення кордону, оскільки подібну 
динаміку складно врахувати в сурогатній моделі. 
− Зв'язок між потоком та гідравлічним напором (Qh-залежність): Цей 
параметр може вказувати на наявність підпору у трубі, допомагаючи 
визначити ділянки, що не є оптимальними для встановлення кордонів 
відсіків. 
− Кількість зв’язків між відсіками: Мінімізація кількості з’єднувальних 
ланок покращує структурну стабільність моделі. 
− Розмір відсіку: Відсіки повинні мати оптимальні розміри для 
забезпечення стійкості моделі—занадто малі можуть спричинити 
нестабільність, а надто великі можуть знижувати точність розрахунків. 
Ці правила розроблені для допомоги користувачам у ручному 
налаштуванні сурогатної моделі. Оскільки вибір меж відсіків залежить від 
15 
особливостей конкретної ситуації, рішення про розміщення кордонів має 
прийматися з урахуванням локальних умов. Через це складно розробити 
універсальний підхід, який завжди гарантуватиме отримання оптимальної 
моделі. 
 
1.3 Аналіз технологій автоматизації систем управління насосними 
станціями 
Системи водопостачання відіграють ключову роль у забезпеченні 
транспортування води від джерела до споживачів. Насосні станції є основними 
елементами цієї інфраструктури, оскільки їхня продуктивність безпосередньо 
впливає на якість подачі води, енергоефективність та загальні витрати на 
експлуатацію. Саме тому автоматизація насосних станцій стала важливим 
напрямком модернізації, спрямованим на підвищення надійності, безпеки та 
ефективного використання ресурсів. 
Водопостачання здійснюється через низку технологічних етапів: забір 
води з природних або штучних джерел, її транспортування трубопровідною 
мережею та підтримка необхідного тиску для стабільної подачі. До основних 
компонентів насосних станцій належать насосні агрегати, трубопроводи, 
резервуари, водозабірні споруди, а також контрольно-вимірювальні пристрої, що 
забезпечують моніторинг робочих параметрів. Автоматизація цих процесів 
дозволяє мінімізувати людське втручання, підвищити точність регулювання та 
покращити керованість системи. 
Традиційні системи управління насосними станціями базуються на 
механічних засобах контролю, що мають низку недоліків: 
− Високе енергоспоживання – часто станції працюють на постійній 
потужності, що призводить до надмірних витрат електроенергії, 
особливо за змінного попиту на воду; 
− Підвищений ризик аварій – несправності обладнання можуть 
спричинити перебої у водопостачанні або навіть затоплення території; 
16 
− Неточність регулювання – традиційні системи мають обмежену 
точність управління потоками, що може призводити до нерівномірної 
подачі води; 
− Обмежені можливості прогнозування – відсутність гнучких 
інструментів для прогнозування змін у попиті чи технічних проблем; 
− Складність обслуговування – ремонт і обслуговування традиційних 
механізмів є трудомістким і затратним; 
− Відсутність інтеграції – обмежені можливості взаємодії із суміжними 
системами у традиційних рішеннях. 
Сучасний підхід до автоматизації передбачає застосування програмованих 
логічних контролерів (PLC), які забезпечують автоматизоване управління 
насосами відповідно до технологічних параметрів. PLC-системи виконують 
запуск і зупинку насосів, регулюють частоту обертання двигунів, керують 
засувками, а також здійснюють моніторинг основних показників, таких як тиск, 
рівень води, витрати та енергоспоживання. Завдяки програмуванню складних 
логічних алгоритмів контролери дозволяють оптимізувати роботу насосних 
станцій, підвищуючи їхню ефективність та надійність. 
Автоматизація насосних станцій значно покращується завдяки 
впровадженню частотних перетворювачів, які регулюють швидкість обертання 
насосних агрегатів. Використання цих пристроїв забезпечує роботу насосів у 
режимі оптимального енергоспоживання, що особливо важливо при змінних 
обсягах водопостачання. Завдяки частотним перетворювачам обладнання 
працює ефективно без перевантажень, що дозволяє суттєво знизити витрати на 
електроенергію, особливо в періоди зниженої потреби. 
Диспетчерське управління та моніторинг насосних станцій здійснюється за 
допомогою SCADA-систем (Supervisory Control and Data Acquisition). Ці системи 
дозволяють збирати та аналізувати дані в реальному часі, контролюючи ключові 
параметри, такі як рівень води у резервуарах, тиск у трубопроводах і стан 
насосного обладнання. Крім того, SCADA-технології забезпечують 
прогнозування аварійних ситуацій, що дає змогу оперативно реагувати на 
17 
потенційні проблеми та запобігати їх виникненню. З розвитком технологій 
Інтернету речей (IoT) дистанційний моніторинг та управління насосними 
станціями набувають ще більшої актуальності. Інтеграція IoT-рішень у 
водопостачальні системи дозволяє контролювати стан обладнання через 
мобільні додатки та онлайн-платформи, що забезпечує постійний доступ до 
даних і можливість оперативного керування. Наприклад, оператори можуть 
регулювати робочі параметри насосів, змінювати режими роботи та отримувати 
попередження про несправності. 
Аналітичні системи діагностики та прогнозування технічних збоїв 
сприяють проведенню превентивного обслуговування. Наприклад, аналіз 
вібрації, температури та інших параметрів дозволяє виявити потенційні 
зношення компонентів, що дає змогу планувати ремонтні роботи заздалегідь, 
знижуючи ризик несподіваних аварій та підвищуючи загальну надійність 
системи. 
Сучасні автоматизовані рішення також інтегруються з системами 
аварійного реагування, що дозволяє миттєво активувати резервні насоси та інші 
критично важливі елементи у разі несправності основного обладнання. Це 
мінімізує час простою та забезпечує стабільність водопостачання навіть у 
складних умовах. 
Таким чином, автоматизація насосних станцій спрямована на підвищення 
їхньої ефективності, надійності та гнучкості управління. Використання 
інноваційних технологій, таких як частотні перетворювачі, SCADA-системи, 
PLC та IoT-інструменти, забезпечує суттєве зниження енерговитрат, покращення 
стабільності роботи обладнання та гарантує безперебійне постачання води. 
Використання SCADA для управління технологічними процесами 
Системи диспетчерського управління та збору даних (SCADA) є 
невід’ємною частиною сучасних автоматизованих технологій, що забезпечують 
моніторинг та керування промисловими процесами, зокрема насосними 
станціями водопостачання. SCADA-рішення дозволяють здійснювати контроль 
у реальному часі, що значно покращує ефективність, стабільність та безпеку 
18 
роботи інфраструктури. Однією з основних переваг SCADA є її здатність 
централізовано керувати складними технологічними процесами, навіть якщо 
вони знаходяться на значній відстані від диспетчерського центру. Це особливо 
важливо для насосних станцій, розташованих у віддалених місцях, де необхідний 
безперервний моніторинг та регулювання роботи обладнання. Завдяки SCADA-
інструментам оператори можуть контролювати весь цикл функціонування 
системи — від забору води до її транспортування споживачам. 
Ключовою функцією SCADA-систем є збір, аналіз і візуалізація даних з 
датчиків та вимірювальних пристроїв. Вона фіксує показники тиску, рівня води 
у резервуарах, витрати води, температури насосного обладнання, споживання 
електроенергії та інші параметри. Отримана інформація відображається у 
вигляді графіків і таблиць, що дозволяє операторам швидко оцінювати стан 
системи і приймати оптимальні управлінські рішення. 
Приклад розробленої SCADA-системи представлений на рисунках 1.6 та 
1.7. 
 
 
Рисунок 1.6 – Приклад SCADA-системи 
19 
 
Рисунок 1.7 – Приклад використання SCADA-системи 
 
Дистанційне керування насосними станціями за допомогою SCADA 
Окрім моніторингу, SCADA-системи забезпечують можливість 
дистанційного керування обладнанням насосних станцій. Оператори можуть 
запускати та зупиняти насоси, налаштовувати режими їхньої роботи, регулювати 
тиск та витрату води, а також управляти засувками і клапанами. Це дає змогу 
швидко адаптувати роботу системи до змінних умов і мінімізувати потенційні 
ризики. Інтеграція SCADA із зовнішніми інформаційними платформами, такими 
як ERP або системи керування технічним обслуговуванням, дозволяє реалізувати 
комплексний підхід до управління технологічними процесами. Наприклад, дані 
про несправності або перевантаження насосного обладнання можуть 
автоматично передаватися до відповідних служб, що сприяє ефективному 
плануванню ремонтних робіт. Однією з ключових переваг SCADA є її здатність 
прогнозувати можливі аварійні ситуації та надавати рекомендації для їх 
запобігання. Завдяки аналітичним алгоритмам система може виявляти 
відхилення у роботі насосів, аналізувати їх та пропонувати превентивні заходи 
для уникнення потенційних несправностей. 
20 
Таким чином, впровадження SCADA-систем значно покращує 
ефективність управління насосними станціями, забезпечуючи точний контроль 
за технологічними процесами, дистанційне керування обладнанням і своєчасне 
реагування на технічні проблеми. Це сприяє підвищенню надійності 
водопостачання, зниженню витрат на експлуатацію та оптимізації 
енергоспоживання. 
Успішне застосування автоматизованих систем управління 
Автоматизація водопостачальних комплексів суттєво підвищує 
ефективність роботи та забезпечує раціональне використання ресурсів. Одним із 
цікавих прикладів є дослідження Мошноріза М.М., де розглядається модель 
автоматизованого управління системою водопостачання, що включає два 
насосні агрегати. 
У дослідженні проведено комп’ютерне моделювання роботи одного 
насосного агрегату з мережею водоспоживання та двох насосних агрегатів у 
водопровідній мережі. Для цього було створено математичні моделі 
відцентрового насоса, електропривода та трубопровідної системи. Аналіз 
функціонування обладнання дозволив сформулювати рекомендації щодо 
оптимізації роботи водопостачальних комплексів з використанням кількох 
насосів. Також у межах дослідження проведено оцінку енергоспоживання 
насосної станції в різних режимах функціонування та розроблено алгоритм 
управління двома агрегатами, перевірений за допомогою комп’ютерного 
моделювання. 
Реальні приклади впровадження автоматизованих рішень: 
1. Автоматизація SCADA в компанії Veolia Water 
Veolia Water, один із провідних операторів у сфері водопостачання та 
водовідведення, реалізував SCADA-рішення для централізованого управління 
інфраструктурою в різних регіонах. Впровадження SCADA дозволило: 
− Моніторинг у реальному часі – система забезпечує безперервний 
контроль параметрів водопровідних мереж, включаючи тиск, витрати 
води та її якість, що дає змогу оперативно реагувати на зміни; 
21 
− Оптимізацію ресурсів – автоматизоване управління насосними 
станціями зменшило витрати енергії та мінімізувало ризик аварійних 
ситуацій; 
− Підвищення рівня обслуговування – завдяки швидкому виявленню та 
усуненню проблем покращилася загальна надійність водопостачання. 
2. Автоматизація на підприємстві Київводоканал 
Комунальне підприємство Київводоканал впровадило сучасні системи для 
моніторингу та контролю об’єктів водопостачання. Основні досягнення 
включають: 
− Модернізацію управлінської інфраструктури – SCADA-система 
дозволяє централізовано контролювати водопровідні та каналізаційні 
мережі; 
− Збільшення ефективності – автоматизоване регулювання насосних 
станцій скоротило час реакції на аварії та технічні збої; 
− Підвищення надійності роботи – сучасні технології забезпечують 
безперебійне постачання води та стійкість до зовнішніх впливів. 
Ці приклади підтверджують значні переваги автоматизації у сфері 
водопостачання. Використання передових рішень дозволяє зменшити 
експлуатаційні витрати, покращити якість обслуговування та підвищити 
стійкість системи. Впровадження технологій автоматизованого управління 
відіграє важливу роль у забезпеченні безперебійного та економічно ефективного 
водопостачання. 
 
1.4 Оптимізація та енергозбереження роботи насосного обладнання  
Насосні станції водопостачання належать до найбільш енерговитратних 
об’єктів комунальної інфраструктури. Високі витрати на електроенергію роблять 
питання енергоефективності та оптимізації роботи насосного обладнання 
надзвичайно актуальним. Впровадження автоматизованих систем управління 
дозволяє суттєво скоротити енергоспоживання, забезпечуючи ефективне 
функціонування всієї системи. 
22 
Основні заходи для підвищення енергоефективності 
1. Використання частотних перетворювачів 
Одним із ключових рішень для зменшення енергоспоживання є 
застосування частотних перетворювачів, які регулюють швидкість обертання 
насосів відповідно до потреб системи. Це забезпечує більш раціональне 
використання електроенергії та зменшує механічне навантаження на 
обладнання. Частотні перетворювачі дозволяють адаптувати роботу насосів до 
змінного попиту на воду. Наприклад, у години пікового споживання насос 
працює на максимальній потужності, а в періоди зниженого навантаження його 
швидкість автоматично зменшується, що сприяє оптимальному використанню 
ресурсів. 
 
 
Рисунок 1.8 – Принцип роботи перетворювача частоти 
 
Основні переваги впровадження частотних перетворювачів 
− Скорочення витрат на електроенергію – завдяки гнучкому 
регулюванню швидкості обертання насосів енергоспоживання може 
зменшитися на 20–50%, оскільки обладнання працює лише за потреби; 
− Подовження терміну служби обладнання – плавний запуск і зупинка 
насосів знижують механічне навантаження на їхні компоненти, що 
сприяє зменшенню зносу та зменшенню кількості аварійних ситуацій; 
23 
− Зменшення витрат на технічне обслуговування – оптимізовані режими 
роботи зменшують частоту планових і позапланових ремонтів; 
− Скорочення рівня шуму – робота насосів на знижених швидкостях 
зменшує рівень шумового забруднення, що важливо для об’єктів у 
густонаселених районах. 
На рисунку 1.8 представлено принцип роботи частотного перетворювача, 
що використовується для регулювання роботи насосного обладнання. 
Аналіз методів керування асинхронними двигунами 
У межах дослідження літератури щодо методів управління асинхронними 
двигунами особливу увагу було приділено роботі В.В. Ткаченка «Дослідження 
методів частотного керування асинхронним двигуном». У цьому дослідженні 
розглядаються основні принципи частотного регулювання електродвигунів, 
включно з його перевагами, недоліками та сферами застосування.  
Основні методи частотного керування: 
− Скалярне керування – змінює частоту живлення, зберігаючи її 
амплітуду; 
− Векторне керування – регулює як частоту, так і амплітуду напруги, 
дозволяючи точніше контролювати момент і швидкість двигуна. 
Автор статті аналізує ці методи за такими критеріями: 
− Ефективність – рівень енергоспоживання; 
− Стабільність – плавність регулювання та відсутність вібрацій; 
− Точність – здатність точно підтримувати задану швидкість. 
Векторне керування демонструє значні переваги: 
− Вища ефективність – скорочення енергоспоживання до 30%; 
− Вища стабільність – відсутність вібрацій; 
− Вища точність – точніше відтворення заданих параметрів. 
Однак векторне керування має і певні недоліки: 
− Висока складність – потребує більш складного обладнання та 
програмного забезпечення; 
24 
− Значні витрати – вартість реалізації є вищою порівняно зі скалярним 
керуванням. 
Енергоефективні рішення для насосних станцій 
1. Впровадження частотних перетворювачів 
Одне з ключових рішень для зниження витрат енергії – використання 
частотних перетворювачів, що дозволяють гнучко регулювати швидкість насосів 
відповідно до поточного попиту. 
Основні переваги: 
− Скорочення енергоспоживання на 20–50%; 
− Подовження терміну служби обладнання завдяки плавному запуску; 
− Зменшення витрат на технічне обслуговування; 
− Зниження рівня шуму. 
2. Оптимізація графіків роботи насосів 
Автоматизовані системи управління дозволяють адаптувати робочі 
режими насосів відповідно до пікових періодів споживання, що запобігає їхній 
неефективній роботі у періоди низького навантаження. 
3. Моніторинг і діагностика через SCADA 
SCADA-системи забезпечують оперативне відстеження роботи насосного 
обладнання, виявлення збоїв і швидке реагування на відхилення в роботі, що 
мінімізує енергетичні втрати. 
4. Використання енергоефективних насосів 
Сучасні насоси з підвищеним коефіцієнтом корисної дії (ККД) 
забезпечують зниження енергоспоживання при однакових обсягах подачі води. 
Технологічні рішення для оптимізації насосного обладнання 
− PLC-системи – дозволяють регулювати робочі режими насосів 
відповідно до змін технологічних параметрів; 
− Насоси з регульованим приводом – забезпечують точне налаштування 
режиму роботи, зменшуючи втрати на тертя. 
Автоматизація насосних станцій у Європі дозволила скоротити 
енергетичні витрати на 20–40%. Наприклад, на одному з водоканалів у Польщі 
25 
після впровадження частотних перетворювачів та оптимізації графіків роботи 
насосних станцій споживання електроенергії зменшилось на 30%. 
Енергозбереження на насосних станціях водопостачання є ключовим 
напрямком оптимізації їхньої роботи. Використання сучасних технологій, таких 
як частотні перетворювачі, автоматизовані системи управління та 
енергоефективне обладнання, забезпечує значне зниження витрат, підвищення 
надійності роботи та скорочення експлуатаційних витрат. 
  
26 
РОЗДІЛ 2 ПРОЕКТУВАННЯ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ ДРЕНАЖНИМИ 
НАСОСАМИ 
 
2.1 Схема системи автоматизованого керування 
Варіанти реалізації систем автоматичного керування насосними 
станціями 
Існує декілька підходів до побудови систем автоматичного керування 
(САК) насосними станціями із застосуванням частотного регулювання, які 
базуються на відповідних алгоритмах. На рисунку 2.1 наведено схеми реалізації 
різних варіантів САК. Проведемо їх аналіз, щоб визначити ключові переваги та 
недоліки кожного підходу для вибору оптимального рішення відповідно до 
вимог технічного завдання на автоматизацію. 
Для оцінки ефективності різних алгоритмів застосовуються такі техніко-
економічні показники: 
1. Точність та діапазон регулювання – можливість підтримки заданих 
параметрів роботи насосного обладнання; 
2. Функціональні можливості – здатність забезпечити належне 
управління різними режимами роботи; 
3. Енергоефективність – рівень оптимізації енергоспоживання; 
4. Вартість – фінансові витрати на впровадження та експлуатацію 
системи. 
Групове регулювання 
Цей метод передбачає використання одного частотного перетворювача 
(ПЧ) для синхронного управління кількома насосними двигунами. Він 
зустрічається досить рідко через специфічні обмеження. 
Переваги: 
− Спрощена структура управління всіма двигунами одночасно. 
Недоліки: 
− Точність та діапазон регулювання залежить від вибору обладнання та 
програмного забезпечення; 
27 
− Вимагає встановлення додаткового захисного обладнання для 
запобігання перевантаженням; 
− Виключає можливість використання насосів різних типів у межах 
однієї системи; 
− Енергоефективність знижується, оскільки при низькому 
водоспоживанні всі насоси працюють із зниженим ККД; 
− Висока вартість потужних ПЧ, що впливає на загальні витрати на 
систему. 
 
 
Рисунок 2.1 – Варіанти побудови системи автоматизованого керування 
насосною станцією 
28 
Варіанти регулювання насосних станцій: аналіз алгоритмів 
Змішане регулювання 
Цей метод поєднує один насосний агрегат із частотним регулюванням із 
кількома нерегульованими, що дозволяє підвищити точність управління завдяки 
використанню перетворювача частоти та спеціальних алгоритмів. 
Недоліки: 
− Виникнення стрибків напруги в мережі через перехідні процеси при 
запуску двигунів; 
− Скорочення терміну служби обладнання. 
Для мінімізації струмових стрибків, зменшення зносу системи та 
запобігання гідроударам можливе застосування пристрою плавного пуску (УПП) 
у комбінації з частотним перетворювачем. Однак таке рішення суттєво збільшує 
загальну вартість системи. 
Каскадно-частотне регулювання 
Цей метод доцільний для насосних станцій з великою кількістю агрегатів і 
забезпечує оптимальний баланс між якістю регулювання, енергоефективністю та 
можливістю модернізації. Основний насосний агрегат із частотним 
регулюванням підтримує технологічний параметр у межах його потужності, 
поступово підвищуючи частоту обертання. При зростанні навантаження 
додаткові агрегати синхронізуються з мережею та поступово вводяться в 
експлуатацію. При зниженні навантаження процес виконується у зворотному 
порядку. 
Спеціалізовані частотні перетворювачі з функцією багатомоторного 
управління (MMC або IMC) можуть частково замінити PLC, оскільки містять 
вбудовану логіку управління. 
Недоліки: 
− Захист забезпечується лише для основного двигуна; 
− Діагностика несправностей двигунів, що працюють від мережі, 
залежить від додаткового обладнання; 
− Вихід з ладу ПЧ унеможливлює подальшу роботу насосної станції; 
29 
− Обмежена функціональність порівняно зі спеціалізованими станціями 
управління. 
Індивідуальне регулювання 
Ця методика передбачає встановлення окремого частотного 
перетворювача для кожного двигуна, що забезпечує високий рівень точності 
керування у широкому діапазоні регулювання. 
Переваги: 
− Максимальна гнучкість у налаштуванні параметрів насосів; 
− Повний набір захисних функцій (від перевантажень, коротких 
замикань, обриву фаз тощо); 
− Можливість використання насосів із різними характеристиками; 
− Висока енергоефективність завдяки проведенню оптимізованих 
енергетичних розрахунків. 
Хоча застосування окремих частотних перетворювачів збільшує початкові 
витрати, при невеликій кількості насосних агрегатів ці інвестиції швидко 
окупаються. 
З огляду на те, що насосна станція включає лише два насосні агрегати, 
індивідуальне регулювання є найоптимальнішим варіантом. Цей метод 
відповідає всім вимогам технічного завдання і забезпечує високу точність 
управління та надійність роботи. 
Для забезпечення можливості роботи системи у ручному режимі 
передбачено комутацію насосів через апаратуру (КА), що дозволяє підтримувати 
номінальну частоту обертання навіть у разі виходу з ладу частотного 
перетворювача. Це гарантує безперебійне функціонування станції незалежно від 
технічних несправностей. 
Розробка гідравлічної схеми насосної станції з урахуванням 
автоматизації 
Відповідно до вимог технічного завдання, необхідно вдосконалити 
гідравлічну систему насосної станції, доповнивши її додатковими елементами. 
Зокрема, передбачено встановлення додаткового зворотного клапана на виході 
30 
насосного агрегата, де його наразі немає. Важливо, щоб конструкція клапана 
дозволяла інтеграцію засобів автоматизації для визначення його поточного 
стану, таких як індуктивний датчик, або була оснащена вбудованою 
електронною системою контролю положення заслінки. 
Окрім цього, планується заміна застарілого реле тиску на вході насосних 
агрегатів на сучасний датчик, що забезпечить більш точний контроль параметрів. 
Аналогічно, кожен насосний агрегат на виході буде оснащений власним 
датчиком тиску. Для автоматизованого визначення витрати води передбачається 
використання витратоміра з імпульсним вихідним сигналом, що дозволить 
дистанційно контролювати поточні значення подачі води. 
На основі цих вимог було розроблено модернізовану гідравлічну схему 
насосної станції, представлену на рисунку 2.2. 
 
 
Рисунок 2.2 – Модернізована гідравлічна принципова схему дренажної системи 
 
Структурна модель автоматизованої системи керування насосною 
станцією 
На основі алгоритму індивідуального регулювання швидкості обертання 
робочих коліс кожного насосного агрегату (НА) через окремі частотні 
31 
перетворювачі (ПЧ) було розроблено загальну структуру автоматизованої 
системи керування (САК) насосною станцією. 
Для забезпечення гнучкості в управлінні передбачено два режими роботи: 
− Автоматичний режим – насоси керуються через ПЧ, що дозволяє точно 
регулювати їхню частоту обертання відповідно до змінних вимог 
водопостачання. 
− Ручний режим – у разі необхідності насосні агрегати можуть бути 
підключені безпосередньо до електромережі через комутаційну 
апаратуру, працюючи на номінальній частоті живлення. 
 
  
Рисунок 2.3 – Загальна структура системи автоматизованого управління  
32 
На рисунку 2.3 представлено загальну структуру САК, яка розроблена з 
урахуванням вимог технічного завдання на автоматизацію. Використовуючи 
комплексний підхід до проектування, система гарантує стабільну, безпечну та 
довговічну роботу насосного обладнання, а також забезпечує ефективне 
управління насосною станцією відповідно до вибраного алгоритму. 
Функціональні можливості автоматизованої системи керування 
насосною станцією 
Автоматизована система керування (САК) насосною станцією виконує не 
лише завдання регулювання продуктивності насосного обладнання та контролю 
його параметрів, а й забезпечує моніторинг умов у приміщенні станції. До таких 
функцій належать відстеження рівня задимлення повітря, виявлення підтоплення 
та контроль охоронного периметра. Ці аспекти мають критичний вплив на 
надійність, безпеку та довговічність роботи насосної станції. 
 
 
Рисунок 2.4 – Структурна схема автоматизованої системи керування 
33 
Передача сигналів аварійного попередження (АПС) і прийом керуючих 
команд від диспетчерського ПК міста здійснюється по радіоканалу. 
Безпосереднє управління обладнанням, контроль його робочих параметрів та 
перемикання режимів роботи реалізується за допомогою програмованого 
логічного контролера (ПЛК). Для забезпечення зручної взаємодії оператора з 
системою передбачено панель HMI, що дозволяє оперативно здійснювати 
налаштування та контроль роботи насосної станції. 
Структурна схема САК насосної станції представлена на рисунку 2.4. 
 
2.2 Вибір засобів автоматизації для реалізації системи  
Згідно зі структурною схемою, наведеною на рисунку 2.4, для 
автоматизації роботи насосної станції було визначено відповідне технічне 
обладнання. 
Частотний перетворювач 
Частотний перетворювач (ЧП) обрано відповідно до номінальної 
потужності насосного агрегата (Р2), яка становить 1,5 кВт. Важливо, щоб 
потужність ЧП не була меншою за потужність двигуна насосного агрегата, аби 
забезпечити стабільне управління його роботою. 
 
  
Рисунок 2.5 – Частотний перетворювач ATV212 2,2кВт  
34 
Для регулювання швидкості обертання робочих коліс кожного з насосних 
агрегатів було обрано частотний перетворювач ATV212 потужністю 2,2 кВт, з 
робочою напругою 380-480 В, класом захисту IP21 та вбудованим ЕМС-
фільтром категорії C2/C3, виробництва компанії Schneider Electric. Візуальне 
зображення пристрою представлено на рисунку 2.5. 
Основні технічні характеристики частотного перетворювача 
− Призначення: регулювання роботи асинхронних двигунів 
− Кількість фаз живлення: трифазний 
− Потужність двигуна: 2,2 кВт 
− Діапазон робочої напруги: 323…528 В 
− Частота живлення: 50–60 Гц ±5 % 
− Серія: Altivar 212 
− Основне застосування: насосні агрегати та вентилятори 
− Підтримувані протоколи зв’язку: BACnet, LonWorks, Modbus, 
METASYS N2, APOGEE FLN 
− Номінальна напруга живлення: 380…480 В ±10 % 
− Електромагнітний фільтр: вбудований ЕМС-фільтр класу C2 
− Ступінь захисту: IP21 
Програмований логічний контролер 
Для реалізації системи автоматизованого керування (САК) обрано 
відповідний контролер, який відповідає вимогам проекту та технічного завдання. 
Основним компонентом системи є центральний процесор Siemens SIMATIC S7-
1200, модель CPU 1214C AC/DC/Relay (6ES7 212-1BE40-0XB0). 
Основні характеристики CPU 1214C: 
− Дискретні входи: 14 
− Дискретні виходи: 10 
− Аналогові входи: 2 
− Аналогові виходи: відсутні 
− Кількість плат CD/CM/BB: 1 
35 
− Кількість комунікаційних модулів: 3 
− Кількість сигнальних модулів: 8 
− Імпульсні виходи: 4 
− Імпульсні входи: 14 
− Програмне середовище: TIA Portal 
− Годинник реального часу: наявний 
− Струм навантаження внутрішньої шини: 1600 мА при U=5В 
− Струм навантаження вбудованого джерела: 400 мА 
Візуальне зображення центрального процесора CPU 1214C AC/DC/Relay 
наведено на рисунку 2.6. 
 
 
Рисунок 2.6 – Центральний процесор CPU 1214C АС/DC/Reley 
 
Модуль аналогових входів для прийому сигналів  
Для обробки аналогових сигналів від датчиків, що входять до складу 
системи автоматичного керування (САК), використовується модуль аналогових 
входів SM 1231 AI 8x13bit (6ES7231-4HF32-0XB0). 
Технічні характеристики модуля SM 1231 AI 8x13bit: 
− Напруга живлення: 24В DC 
− Споживаний струм: 45мА 
36 
− Кількість диференціальних аналогових входів: 8 
− Напруга: ±10В, ±2,5В, ±5В 
− Струм: 0…20мА, 4…20мА 
− Розрядність аналого-цифрового перетворювача (АЦП): 12 біт + 
знаковий розряд 
− Максимальна довжина екранованого кабелю: 100м («вита пара») 
− Ступінь захисту: IP20 
Візуальне зображення модуля SM 1231 AI 8x13bit представлено на 
рисунку 2.7. 
 
  
Рисунок 2.7 – Модуль аналогових входів SM 1231 AI 8x13bit  
 
Комунікаційний модуль для підключення до Industrial Ethernet 
Для забезпечення зв’язку центрального процесора ПЛК з роутером та 
панеллю HMI через шину Industrial Ethernet використовується комунікаційний 
модуль CSM 1277 (6GK7 277-1AA10-0AA0), який є некерованим комутатором. 
Технічні характеристики CSM 1277: 
− Кількість портів для підключення до Industrial Ethernet: 4 × RJ45 
− Робоча напруга: 24В DC 
− Швидкість передачі даних: 10/100 Мбіт/сек 
− Ступінь захисту: IP20 
37 
Візуальне зображення комунікаційного модуля CSM 1277 представлено на 
рисунку 2.8. 
 
  
Рисунок 2.8 – Комунікаційний модуль CSM 1277  
 
Комутаційна плата для підключення перетворювачів частоти 
Для забезпечення з’єднання частотних перетворювачів із центральним 
процесором ПЛК через кабельну лінію інтерфейсу RS485 використовується 
комутаційна плата CB 1241 RS485 (6ES7241-1CH30-1XB0). 
 
  
Рисунок 2.9 – Комутаційна плата CB 1241 RS485  
38 
Основні технічні характеристики CB 1241 RS485: 
− Напруга живлення: 5В DC (від внутрішньої шини) 
− Споживаний струм: 50мА 
− Тип інтерфейсу: RS485 (двопровідний полудуплекс) 
− Протокол зв’язку: Modbus RTU 
− Ступінь захисту: IP20 
Візуальне зображення комутаційної плати CB 1241 RS485 наведено на 
рисунку 2.9. 
Панель оператора HMI 
Для забезпечення взаємодії оператора з автоматизованою системою 
керування використовується широкоекранний TFT-дисплей KTP1200 Basic PN 
(6AV2123-2MB03-0AX0). 
 
  
Рисунок 2.10 – Дисплей KTP1200 Basic PN  
 
Основні технічні характеристики KTP1200 Basic PN: 
− Діагональ екрану: 12ʺ 
− Робоча напруга: 24В DC 
− Максимальний струм живлення: 650 мА 
− Програмне середовище: TIA Portal 
− Наявність сенсорної аналогової клавіатури 
39 
− Кількість мембранних кнопок: 10 
− Вбудовані інтерфейси: PROFINET, MPI/PROFIBUS DP, USB Host 
− Об’єм користувацької пам’яті: 10 Мбайт 
− Годинник реального часу: наявний 
Візуальне зображення панелі KTP1200 Basic PN наведено на рисунку 2.10. 
Промисловий LTE-роутер для зв’язку між ПЛК та ПК диспетчера 
Для забезпечення передачі даних через радіоканал мобільного зв’язку між 
ПЛК оператора та ПК диспетчера «Водоканалу» було обрано промисловий LTE-
роутер iRZ RL21w. 
Основні технічні характеристики iRZ RL21w: 
− Підтримувані стандарти мобільного зв’язку: GPRS/EDGE, UMTS, 
HSDPA/HSUPA, HSPA+, LTE 
− Оперативна пам’ять: 64 МБ 
− Кількість Ethernet-портів: 2 × 10/100 Мбіт 
− Wi-Fi: 2,4 ГГц (802.11b/g/n, 2T2R MAC) 
− Діапазон напруги живлення: 8…30В DC 
− Ступінь захисту: IP20 
Зображення роутера iRZ RL21w наведено на рисунку 2.11. 
 
  
Рисунок 2.11 – Роутер iRZ RL21w  
40 
Антена для забезпечення стабільного мобільного зв’язку 
Щоб гарантувати надійний зв’язок навіть у зонах із слабким покриттям 
мобільної мережі, роутер iRZ RL21w оснащено антеною Антей 906 SMA GSM 
900/1800. 
Основні технічні характеристики Антей 906 SMA GSM 900/1800: 
− Діапазон робочих частот: 900…1800 МГц 
− Коефіцієнт посилення: 11…13,5 дБ 
− КСХ: 1,6 
− Максимальна вхідна потужність: 20 Вт 
− Хвильовий опір: 50 Ом 
− Магнітна основа: 75 мм 
− Довжина кабелю: 3 м 
− Ступінь захисту: IP20 
Візуальне зображення антени Антей 906 SMA GSM 900/1800 представлено 
на рисунку 2.12. 
 
  
Рисунок 2.12 – Антена Антей 906 SMA GSM 900/1800  
 
Датчик тиску для насосних станцій 
Для вимірювання тиску на вході та виході насосних агрегатів 
використовується датчик тиску Danfoss MBS 3000 2011-1A04 (0–10 бар), що 
забезпечує точний контроль параметрів у технологічному процесі. 
41 
Основні технічні характеристики Danfoss MBS 3000 2011-1A04: 
− Середовище вимірювання: повітря, гази, рідини 
− Робоча напруга: 9…32В DC 
− Діапазон вимірювання: 0…10 бар (абсолютний та відносний тиск) 
− Стандарт сигналу: 4…20мА 
− Максимальна довжина підключення кабелю: 500 м 
− Тип технологічного з’єднання: G1/4A 
− Ступінь захисту: IP65 
Зовнішнє зображення датчика Danfoss MBS 3000 2011-1A04 наведено на 
рисунку 2.13. 
 
  
Рисунок 2.13 – Давача тиску Danfoss MBS 3000 2011-1А04  
 
Індуктивний датчик для визначення стану зворотного клапана 
Для контролю стану зворотного клапана, розробленого у межах цієї 
магістерської роботи, використовується індуктивний датчик XS618B1PAL2, 
який забезпечує надійне визначення положення клапана. 
Основні технічні характеристики XS618B1PAL2: 
− Робоча напруга: 12…48В DC 
− Тип вихідного сигналу: дискретний, 1 НО 
− Електричне виконання: DC PNP 
42 
− Тип сенсора: індуктивний 
− Дистанція спрацьовування: 8 мм 
− Різьбове з’єднання: M18×1 
− Ступінь захисту: IP68 
Візуальне зображення індуктивного датчика XS618B1PAL2 наведено на 
рисунку 2.14. 
 
  
Рисунок 2.14 – Індуктивний давач XS618B1PAL2  
 
Імпульсний витратомір для контролю подачі води 
Для визначення поточного обсягу водопостачання (Q) використовується 
імпульсний витратомір Apator MWN-65-NK, який забезпечує точний контроль 
витрати рідини в системі. 
Основні технічні характеристики Apator MWN-65-NK: 
− Номінальний діаметр: DN 65 мм 
− Імпульсний передавач NK: 1 дм³/імпульс 
− Допустиме значення похибки (Ɛ): ±2% 
− Середній об’єм потоку: 1,6 м³/год 
− Порогове значення запуску: 0,3 м³/год 
43 
Зображення витратоміра Apator MWN-65-NK наведено на рисунку 2.15. 
 
  
Рисунок 2.15 – Росходомір Apator MWN-65-NK  
 
Датчик вібрації для контролю стану насосних агрегатів 
Для моніторингу критичних рівнів вібрації насосних агрегатів, що 
дозволяє своєчасно реагувати та проводити регламентне або аварійне технічне 
обслуговування, використовується датчик вібрації ST5484E-122BBCD-EF. 
 
  
Рисунок 2.16 – Давач вібрації ST5484E-122-BBCD-EF  
44 
Основні технічні характеристики ST5484E-122BBCD-EF: 
− Робоча напруга: 11…30В DC 
− Тип підключення: 4…20мА 
− Максимально вимірюване значення вібрації: 12,7 мм/сек 
− Ступінь захисту: IP68 
Візуальне зображення датчика ST5484E-122BBCD-EF наведено на 
рисунку 2.16. 
 
2.3 Комплексна схема автоматизації дренажної системи 
На основі структурної моделі САК насосної станції (рисунок 2.4), переліку 
засобів автоматизації (підрозділ 2.2) та алгоритму її роботи в автоматичному та 
ручному режимах було розроблено схему автоматизації. 
Згідно з функціональною схемою: 
− Датчики (вібрації ZE1, ZE2, тиску PЕ0, РЕ1, РЕ2, потоку ST1, ST2, 
підтоплення RE1, RE2, температури ТЕ1, ТЕ2, стану зворотних 
клапанів GS1, GS2, диму BTH1…BTH4, охоронного периметра SP1, 
SP2 для дверей та BGS1…BGS3 для вікон) і витратомір 
встановлюються безпосередньо на місцях їхнього функціонування для 
контролю стану технологічного обладнання та моніторингу 
навколишньої ситуації. 
− Контролер Siemens S7-1200, операторська панель HMI, роутер SW1, 
релейні модулі MR1, MR2 для обробки сигналів підтоплення та лампи 
індикації монтуються в шафі управління (ШУ). 
− Частотні перетворювачі А1, А2 та інші компоненти автоматизації 
розташовуються у шафі приводів (ШП). 
На основі функціональної схеми, переліку засобів автоматизації та 
алгоритму роботи САК розроблено електричну принципову схему. 
В схемі передбачено: 
− Контроль якості напруги трифазної живильної мережі за допомогою 
реле контролю фаз RKF-37 EKF PROxima (KV1). 
45 
− Автоматичний режим роботи насосних агрегатів НА1 та НА2, 
керований перемиканням контактів проміжних реле F&F PK-4PZ-24V 
(К1, К2). 
− При активації автоматичного режиму контактори КМ2 та КМ4 (TeSys 
D 25A Schneider LC1D25BD) подають напругу на частотні 
перетворювачі UZ1 та UZ2, які регулюють роботу приводів PU1 та PU2. 
− Керування перетворювачами частоти виконується через інтерфейс 
RS485, при цьому механічне блокування запобігає паралельному 
підключенню приводів до мережі через автоматичні вимикачі QF1 та 
QF2. 
− Ручний режим роботи насосних агрегатів дозволяє їхню роботу 
безпосередньо від мережі через QF1 та QF2, при цьому швидкість 
обертання відповідає номінальній (2896 об/хв при f=50Гц). У ручному 
режимі повністю зберігається моніторинг усіх датчиків та реагування 
на критичні ситуації згідно з алгоритмом ПЛК. 
− Запуск насосних агрегатів НА1 та НА2 у ручному режимі виконується 
кнопками SB2 («Пуск НА1») та SB4 («Пуск НА2»), а зупинка— SB1 
(«Стоп НА1») та SB3 («Стоп НА2»). 
− Обмін даними між ПЛК, роутером iRZ RL21w та HMI-панеллю 
відбувається через внутрішню мережу Ethernet, а зовнішня передача 
здійснюється по радіоканалу мобільного зв’язку. 
− У разі пожежі або несанкціонованого проникнення система подає 
світлозвукові сигнали за допомогою оповіщувачів ВА1 та ВА2. 
− Керуючі сигнали подаються через дискретні виходи центрального 
процесора CPU 1214C (DQа0…DQа4, DQb1…DQb5), а вхідні сигнали 
від датчиків – через дискретні входи CPU 1214C (DIа0…DIа7, 
DIb0…DIb5) та аналогові входи модуля SM 1231 AI 8x13bit. 
Ця схема забезпечує ефективне управління насосною станцією, гнучкість 
у виборі режиму роботи, оперативний контроль параметрів та інтеграцію з 
диспетчерською системою. 
46 
Алгоритм керування насосною станцією та моніторингу 
Відповідно до концепції, закладеної в основу роботи САК, було 
розроблено блок-схему алгоритму програми керування насосними агрегатами. 
Основні етапи алгоритму 
1. Визначення уставок – програмне порівняння поточних значень даних 
від засобів автоматизації та показників датчиків із встановленими 
уставками. 
2. Аналіз активного режиму роботи – перевірка, чи насосні агрегати 
працюють у автоматичному режимі або ручному керуванні. 
3. Пріоритетний запуск агрегату – якщо обидва агрегати мають дозвіл на 
роботу в автоматичному режимі, то система порівнює їхнє 
напрацювання моточасів і запускає той, що має меншу кількість годин 
роботи. 
4. Контроль працездатності агрегату – після запуску агрегату 
включається лічильник моточасів. Якщо після команди запуску датчик 
потоку не підтвердив роботу насоса, надсилається аварійний сигнал 
АПС («Аварія НА1» або «Аварія НА2») до диспетчерського ПК і 
здійснюється запуск другого насосного агрегату. 
Контроль подачі води та регулювання тиску 
− При отриманні підтвердження про успішний запуск перевіряється 
значення витрати Q. Якщо вона перевищує уставку Qav, формується 
аварійний сигнал АПС («Прорив») для диспетчера, після чого алгоритм 
продовжує роботу. 
− Виконується перевірка поточного тиску Р у системі водопостачання.  
− Якщо тиск низький (знаходиться у межах Рмін – Рном-Х), 
перевіряється чи працює інший насос.  
− Якщо так – збільшується частота обертів працюючого агрегату до 
50 Гц. 
− Якщо тиск високий, перевіряється чи обидва агрегати працюють 
паралельно.  
47 
− Якщо ні – аналогічна перевірка проводиться для першого агрегату, і 
якщо його частота нижча за 50 Гц, вона поступово підвищується. У разі 
досягнення граничного значення запускається другий агрегат. 
− Якщо ні – збільшується частота обертів агрегату з меншим 
напрацюванням моточасів. 
− Якщо так – відбувається поступове зменшення частоти обертів 
додаткового агрегату до його повної зупинки при досягненні 
мінімальної частоти Fмін. 
Аварійне реагування 
− Якщо тиск виходить за допустимі межі (досяг значення Рmax або Рsx), 
надсилається аварійний сигнал АПС («Перевищена межа тиску»), після 
чого основна програма керування насосними агрегатами зупиняється. 
− Паралельно з основним алгоритмом постійно працюють підпрограми 
моніторингу критичних та аварійних ситуацій. 
 
 
Рисунок 2.17 – Блок-схеми основного алгоритму керуючої програми та 
моніторингу критичних ситуацій 
48 
Ця схема забезпечує стабільне автоматичне регулювання насосної станції, 
контроль тиску та витрати, а також миттєву реакцію на аварійні події для 
безпечного та ефективного функціонування системи. 
На рис. 2.17 представлено блок-схеми як основного алгоритму керуючої 
програми, так і підпрограм моніторингу критичних та аварійних ситуацій. 
  
49 
РОЗДІЛ 3 ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ 
 
3.1 Моделювання системи автоматичного керування системою 
Структурну схему моделі можна дослідити за допомогою програмного 
комплексу MatLab, що дозволяє отримати динамічну відповідь замкненої 
системи на початковий етапний вплив без попереднього налаштування 
коефіцієнтів. На рисунку 3.1 представлена модель, розроблена для виконання 
цього аналізу. Результатом моделювання стала розгінна крива, яку наведено на 
рисунку 3.2. 
 
 
Рисунок 3.1 – Модель САУ без регулятора 
 
 
Рисунок 3.2 – Розгінна крива САУ при 1-ої зворотного зв'язку 
50 
Аналіз регулювання системи та розрахунок параметрів ПІД-регулятора 
Аналізуючи рис. 3.2, можна зробити висновок, що система не відповідає 
заданим вимогам, оскільки має значне перерегулювання (δ = 89%) та помилку в 
сталому режимі (Δ = -3%). Час перехідного процесу становить tp = 0,7 сек. Для 
забезпечення стабільної та точної роботи насосної станції необхідно застосувати 
регулятор, який скоригує динамічні характеристики системи. 
Вибір регулятора та його параметрів 
Для підвищення ефективності управління пропонується використання 
ПІД-регулятора (пропорційно-інтегрально-диференційного регулятора), 
інтегрованого у програмований логічний контролер. ПІД-регулятори широко 
застосовуються в автоматизованих системах, зокрема в сфері водопостачання, де 
важливим параметром є стабільність подачі води та відповідність технологічним 
нормам. 
Основні переваги використання ПІД-регулятора: 
− Забезпечення точного керування системою шляхом корекції 
регулюючого сигналу відповідно до змін зовнішніх умов. 
− Мінімізація відхилень регульованої величини завдяки інтегральному та 
диференціальному компонентам регулятора. 
− Виключення надмірних коливань у перехідному процесі та оптимізація 
енергоспоживання. 
Для налаштування ПІД-регулятора необхідно визначити такі параметри: 
− Коефіцієнт підсилення (k) 
− Постійна часу інтегрування (T_i) 
− Постійна часу диференціювання (T_d) 
Оптимальні значення параметрів визначаються формульним методом, що 
дозволяє швидко та ефективно налаштувати регулятор відповідно до вимог 
процесу. Для отримання параметрів τ та T, слід видалити з моделі (рис. 3.3) 
зворотний зв’язок та проаналізувати реакцію розімкнутої системи на поетапний 
вплив. Результати моделювання представлено у вигляді розгінної кривої 
(рис. 3.5). 
51 
Застосування формульного методу дозволяє досягти стабільного 
регулювання без надмірних коливань, що підвищує надійність та ефективність 
роботи насосної станції. Оптимізація параметрів регулятора сприятиме економії 
енергоресурсів, зменшенню експлуатаційних витрат та забезпеченню 
безперебійного функціонування системи водопостачання. 
 
 
Рисунок 3.3 – Розгінна крива розімкнутої системи 
 
Визначення параметрів ПІД-регулятора та їх перевірка 
Перевірка ефективності регулювання 
Для підтвердження працездатності розрахованих параметрів ПІД-
регулятор інтегрується в прямий ланцюг системи, що дозволить оцінити його 
вплив на процес керування. В оновленій моделі система проходить через етапи 
стабілізації та регулювання відповідно до заданих характеристик. 
На рисунку 3.4 наведена модель системи з ПІД-регулятором, що 
демонструє її поведінку після впровадження регулювання. Після додавання 
регулятора очікується значне зменшення перерегулювання, скорочення часу 
перехідного процесу та поліпшення точності управління насосною станцією. 
Подальший аналіз отриманих графіків дозволить здійснити коригування 
параметрів регулятора за потреби та забезпечити оптимальну роботу системи. 
52 
 
Рисунок 3.4 – САУ з розрахованим ПІД-регулятором 
  
На рис. 3.5 показана розгінна крива системи з використанням ПІД- 
регулятора при одиничному східчастому впливі.  
 
 
Рисунок 3.5 – Розгінна крива системи з розрахованим ПІД-регулятором 
 
Аналізуючи розгінну криву, можна побачити, що розрахована система з 
запасом відповідає вимогам, що були висунуті до неї.  
53 
3.2 Аналіз динамічних процесів у системі керування  
Для створення ефективної системи керування насосною станцією 
необхідно детально дослідити динамічні процеси, що виникають під час її 
роботи. Зокрема, параметри тиску у трубопроводах та рівня води у резервуарах 
мають ключове значення для стабільності подачі води та оптимального 
функціонування насосного обладнання. 
У цьому підрозділі проведено математичне моделювання зазначених 
процесів, що дозволило оцінити поведінку системи при різних умовах 
експлуатації. На основі отриманих результатів були побудовані графіки, що 
відображають зміну технологічних параметрів у часі. Ці дані є важливими для 
подальшого проектування та налаштування системи автоматизації насосної 
станції. На рисунку 3.6 представлено графік перехідного процесу наповнення 
резервуара води, який демонструє зміни рівня води залежно від часу. 
 
 
Рисунок 3.6 – Графік перехідного процесу наповнення резервуара води 
54 
Аналіз ключових параметрів на основі отриманих графіків 
1. Динаміка тиску у системі 
Графік показує зниження тиску з 6 бар до 0 бар протягом 100 секунд, що 
може бути наслідком ситуації, коли споживання води перевищує її подачу 
насосами. Така умова критично впливає на роботу системи, тому необхідно 
забезпечити швидке реагування керуючої програми для стабілізації параметрів. 
На основі цього аналізу можна визначити оптимальні межі регулювання тиску, а 
також періоди, коли потрібно активувати резервні насоси, щоб уникнути 
критичних відхилень. 
2. Контроль рівня води в резервуарі 
Другий графік демонструє збільшення рівня води в резервуарі з 500 м³ до 
800 м³ за 100 секунд, що відображає процес наповнення резервуара насосами. 
Така динаміка є типовою для роботи насосної станції, однак, при перевищенні 
допустимого рівня необхідно передбачити автоматичне відключення насосів для 
запобігання переповненню. Аналіз графіка дозволяє оцінити продуктивність 
насосного обладнання та взаємодію між насосами і регуляторами рівня для 
оптимальної роботи системи. 
3. Практичне значення отриманих даних 
Результати аналізу є ключовими для проектування автоматизованої 
системи керування насосною станцією. На їх основі можна: 
− Застосувати результати моделювання – отримані дані стануть основою 
для розробки алгоритмів автоматизованого регулювання, які будуть 
інтегровані в програмне забезпечення системи. 
− Визначити допустимі межі параметрів – встановити критичні рівні 
тиску та води, які ініціюють аварійні або коригувальні дії системи. 
− Розробити алгоритми регулювання – забезпечити налаштування 
регуляторів тиску та рівня для стабільної роботи насосної станції навіть 
за умов пікових навантажень. 
− Оптимізувати планування роботи насосів – розуміння динаміки 
параметрів дозволяє раціонально активувати насосне обладнання, 
55 
знижуючи енергоспоживання та підвищуючи надійність роботи 
системи. 
Використання описаних моделей дозволяє врахувати реальні умови 
експлуатації, зробити систему керування адаптивною, ефективною та надійною, 
забезпечуючи стабільне функціонування насосної станції. 
 
3.3 Моделювання роботи системи керування 
Оцінка ефективності керування насосною станцією 
Результативність системи управління насосною станцією визначається її 
здатністю оперативно та точно реагувати на зміни технологічного процесу. Для 
аналізу роботи системи було проведено моделювання основних параметрів, 
зокрема тиску в трубопроводі, рівня води у резервуарі та похибки регулювання. 
Отримані результати представлені у вигляді графіків, які візуалізують динаміку 
змін цих параметрів. На рисунку 3.7 відображено процеси, що характеризують 
поведінку системи в різних умовах експлуатації. 
 
 
Рисунок 3.7 – Динаміка зміни технологічних параметрів 
56 
Комплексний аналіз ключових параметрів системи 
На основі графіків проведено детальний аналіз динаміки параметрів, що 
визначають ефективність роботи насосної станції. 
1. Динаміка зміни тиску у системі 
Перший графік демонструє швидке зростання тиску до заданого рівня 3,5 
бар із подальшою стабілізацією. Така поведінка свідчить про ефективність 
алгоритму регулювання, що не тільки забезпечує швидке досягнення 
необхідного рівня, а й підтримує його без значних коливань. Особливістю цього 
процесу є швидке реагування на зміни навантаження, що гарантує стабільну 
подачу води навіть у випадках зовнішніх впливів чи перепадів споживання. Ця 
здатність системи до миттєвої корекції параметрів підтверджує правильність 
вибору налаштувань регулятора та відповідність його роботи вимогам. 
2. Контроль рівня води у резервуарі 
Другий графік показує збільшення рівня води до 4,5 м³ із подальшою 
стабілізацією. Така поведінка системи свідчить про оптимальне налаштування 
насосного обладнання, що забезпечує плавне та рівномірне наповнення 
резервуара. Критично важливим аспектом є те, що рівень води стабілізується 
після досягнення заданого значення, що виключає переповнення або недостатнє 
наповнення. Це підтверджує точність роботи регуляторів рівня, що забезпечують 
автоматичне коригування роботи насосів відповідно до споживання води. 
3. Похибка регулювання тиску 
Третій графік демонструє, як початкова похибка швидко зменшується до 
нуля протягом перших секунд роботи системи. Це підтверджує високу 
ефективність алгоритму, що здатний швидко усунути відхилення від заданих 
параметрів. Стабільність після початкового перехідного процесу свідчить про 
надійність системи, яка може довготривало підтримувати робочі параметри 
4. Практичне значення отриманого аналізу 
Отримані результати мають важливе значення для подальшого 
удосконалення системи автоматизації, що дозволяє зробити її ефективнішою та 
надійнішою.  
57 
Основні напрямки поліпшення: 
− Підвищення точності регулювання – оптимізація роботи регулятора 
дозволить ще точніше підтримувати необхідні рівні тиску та води, 
мінімізуючи відхилення від заданих значень. 
− Ефективне використання обладнання – підтверджено, що насоси 
працюють у штатному режимі, що зменшує знос та мінімізує витрати 
енергії. Завдяки оптимізованому керуванню насосами можна знизити 
експлуатаційні витрати та подовжити термін служби обладнання. 
− Підвищення адаптивності системи – аналіз динаміки параметрів 
дозволяє розробити гнучкі алгоритми, що адаптуються до змін 
експлуатаційних умов, забезпечуючи стабільну роботу станції навіть у 
випадку коливань навантаження чи зміни технологічних параметрів. 
Отримані результати відкривають можливість для розробки більш 
ефективних алгоритмів управління, що дозволять значно покращити роботу 
насосної станції. Це сприятиме вищій продуктивності, надійності та стабільності 
роботи системи навіть при змінних умовах експлуатації. Крім того, оптимізація 
керування насосами дозволить зменшити витрати на енергоносії, скоротити 
витрати на технічне обслуговування та підвищити економічну ефективність 
насосної станції у довгостроковій перспективі, забезпечуючи стабільну роботу 
та зниження операційних витрат. 
Аналіз моделювання та перспективи розвитку системи 
У цьому розділі проведено детальне дослідження математичного 
моделювання та розробки системи управління насосною станцією 
водопостачання. Виконане моделювання дозволило не лише оцінити поточну 
ефективність роботи системи, а й виявити ключові аспекти, які можуть бути 
покращені для підвищення її надійності, точності та енергоефективності. 
Числовий аналіз, проведений із використанням сучасних математичних методів, 
показав стабільну роботу системи, яка відповідає вимогам проєкту. Результати 
моделювання засвідчили здатність системи до саморегулювання, що є критично 
важливим фактором для підтримки оптимальних параметрів роботи навіть за 
58 
умов змінних навантажень і зовнішніх впливів. Крім того, отримані показники 
стабільності підтвердили, що система має високий рівень адаптивності, що 
забезпечує безперебійну роботу водопостачання навіть у нестандартних умовах 
експлуатації. Подальше вдосконалення алгоритмів управління шляхом інтеграції 
адаптивних регулюючих механізмів та сучасних методів моніторингу дозволить 
значно підвищити точність підтримки технологічних параметрів. 
Це, у свою чергу, сприятиме: 
− Оптимізації енергоспоживання шляхом регулювання потужності 
насосного обладнання відповідно до реальних потреб системи. 
− Зниженню витрат на експлуатацію, що забезпечить економічну 
доцільність роботи станції. 
− Підвищенню ефективності прогнозування критичних відхилень, що 
дозволить вжити коригувальні заходи ще до виникнення аварійних 
ситуацій. 
Важливим напрямом розвитку стане впровадження інтелектуальних 
алгоритмів управління, здатних не лише реагувати на зміну параметрів у 
реальному часі, але й прогнозувати майбутні зміни для забезпечення стабільної 
роботи системи. Модернізація методів регулювання зробить систему гнучкішою, 
стійкішою та більш економічно ефективною. Це також відкриє можливості для 
оптимізації обслуговування, що продовжить термін експлуатації обладнання та 
мінімізує витрати на його утримання. Впровадження інноваційних підходів до 
управління насосною станцією сприятиме підвищенню загальної 
продуктивності, надійності та технологічної ефективності системи. 
Отримані результати підтверджують значний потенціал автоматизованих 
систем управління насосними станціями, а також можливості їхнього 
подальшого удосконалення. Інтеграція новітніх алгоритмів керування та 
сучасних технологій моніторингу створить надійну основу для розвитку 
ефективних рішень у сфері водопостачання. Це дозволить поліпшити загальну 
ефективність роботи насосних станцій, підвищити економічну рентабельність та 
забезпечити стабільну і безперебійну подачу води.  
59 
ВИСНОВКИ 
 
У роботі проведено детальне дослідження процесів автоматизації насосних 
станцій, зосереджене на проектуванні, моделюванні, аналізі ефективності роботи 
систем керування та впровадженні інноваційних підходів до управління. Аналіз 
сучасних підходів до автоматизації насосних станцій показав, що традиційні 
системи керування мають низку обмежень, зокрема високі енергетичні витрати, 
недостатню точність регулювання та обмежену можливість прогнозування 
аварійних ситуацій. Для вирішення цих проблем запропоновано інтеграцію 
сучасних технологій, таких як SCADA-системи, PLC-контролери, частотні 
перетворювачі та датчики стану обладнання, що дозволяє підвищити надійність 
та ефективність роботи насосних станцій. 
Виконано проектування системи керування насосною станцією, що 
включає розробку гідравлічної моделі, структурної схеми, вибір відповідного 
обладнання та формування функціональної та електричної принципової схеми 
автоматизації. Запропоновані методи управління дозволили оптимізувати роботу 
насосних агрегатів, забезпечити їхню гнучку адаптацію до змінних умов 
експлуатації та підвищити стабільність функціонування системи. 
Для перевірки працездатності розробленої системи проведено чисельне 
моделювання основних параметрів насосної станції. Виявлено критичні режими 
роботи та оптимізовано параметри ПІД-регулятора, що дозволило знизити 
перерегулювання з 89% до 0% та скоротити час перехідного процесу. Результати 
моделювання підтвердили, що запропоновані алгоритми керування 
забезпечують високу точність регулювання, стабільність роботи системи та 
мінімізацію енергетичних витрат. 
Практичне значення роботи полягає у розробці системи, що дозволяє 
підвищити енергоефективність насосної станції, знизити експлуатаційні 
витрати, забезпечити стабільність водопостачання та оптимізувати реагування 
на аварійні ситуації. Подальше вдосконалення може включати інтеграцію 
штучного інтелекту для прогнозування несправностей, розширення 
60 
можливостей дистанційного керування через IoT та впровадження новітніх 
енергоефективних технологій. 
Таким чином, виконане дослідження продемонструвало, що використання 
сучасних автоматизованих методів керування дозволяє забезпечити 
ефективність, надійність та адаптивність насосної станції. Запропоновані 
алгоритми та методи оптимізації роботи насосного обладнання можуть бути 
успішно впроваджені в реальних системах водопостачання, що підвищить якість 
управління та знизить витрати на експлуатацію. 
  
61 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ  
 
1. Abrahamsen E. B., Brastein O. M., Lie B. Machine learning in Python for 
weather forecast based on freely available weather data. 2023. ISSN: 1650-3686. 
Режим доступу: http://hdl.handle.net/11250/2581934. 
2. Bahdanau Y. B., Cho K. Neural machine translation by jointly learning to align 
and translate. 2023. – 425 р. 
3. Brownlee J. A gentle introduction to dropout for regularizing deep neural 
networks. [Електронний ресурс] // Machine Learning Mastery. – Режим 
доступу: https://machinelearningmastery.com/dropout-for-regularizing-deep-
neural-networks/. – Дата доступу: 10.11.2024. 
4. Brownlee J. A gentle introduction to early stopping to avoid overtraining neural 
networks. [Електронний ресурс] // Machine Learning Mastery. – Режим 
доступу: https://machinelearningmastery.com/early-stopping-to-avoid-
overtraining-neural-network-models/. – Дата доступу: 28.10.2024. 
5. Brownlee J. Time series forecasting as supervised learning. [Електронний 
ресурс] // Machine Learning Mastery. – Режим доступу: 
https://machinelearningmastery.com/time-series-forecasting-supervised-
learning/. – Дата доступу: 30.10.2024. 
6. Brownlee J. What does stochastic mean in machine learning? [Електронний 
ресурс] // Machine Learning Mastery. – Режим доступу: 
https://machinelearningmastery.com/stochastic-in-machine-learning/. – Дата 
доступу: 28.12.2024. 
7. Docker. Develop faster. Run anywhere. [Електронний ресурс] // Docker. – 
Режим доступу: https://www.docker.com/. – Дата доступу: 20.12.2024. 
8. Géron A. Hands-On Machine Learning with Scikit-Learn, Keras, and 
TensorFlow. 3rd ed. O’Reilly Media, Inc, 2022. ISBN: 9781098125967. 
9. Gers F. A., Schmidhuber J., Cummins F. Learning to forget: Continual 
prediction with LSTM // Neural Computation. 2022. Vol. 12, No. 10. ISSN: 
0899-7667. 
62 
10. Grafana. Grafanalabs. [Електронний ресурс] // Grafana. – Режим доступу: 
https://grafana.com/. – Дата доступу: 25.11.2024. 
11. IBM. What are recurrent neural networks? [Електронний ресурс] // IBM. – 
Режим доступу: https://www.ibm.com/topics/recurrent-neural-networks. – 
Дата доступу: 30.10.2024. 
12. Influxdata. It’s about time. Build on InfluxDB. [Електронний ресурс] // 
Influxdata. – Режим доступу: https://www.influxdata.com/. – Дата доступу: 
20.11.2024. 
13. Ingolfsson T. M. Insights into LSTM architecture. [Електронний ресурс] // 
Thorir Mar. – Режим доступу: https://thorirmar.com/post/insight_into_lstm/. – 
Дата доступу: 10.11.2024. 
14. Kartverket. Hoydedata. [Електронний ресурс] // Hoydedata. – Режим 
доступу: https://hoydedata.no/LaserInnsyn2/. – Дата доступу: 20.10.2024. 
15. Lendave V. A tutorial on sequential machine learning. [Електронний ресурс] // 
Analytics India Mag. – Режим доступу: https://analyticsindiamag.com/a-
tutorial-on-sequential-machine-learning/. – Дата доступу: 30.11.2024. 
16. Lere om overvann. [Електронний ресурс] // NVE. – Режим доступу: 
https://www.nve.no/naturfare/laer-om-overvann/. – Дата доступу: 15.11.2024. 
17. Mitamura H., Fujie M. Evolutionary transition of stormwater pump system in 
Tokyo // Journal of Disaster Research. 2021. Vol. 16, No. 3. – P. 421-428. 
18. NVE. Modul f2.304: Pumpeanlegg – prosjektering. [Електронний ресурс] // 
NVE. – Режим доступу: https://www.nve.no/moduler/modul-f2-304-
pumpeanlegg-prosjektering/. – Дата доступу: 15.11.2024. 
19. Pandas. Pandas. [Електронний ресурс] // Pandas. – Режим доступу: 
https://pandas.pydata.org/. – Дата доступу: 25.11.2024. 
20. SeNorge. Senorge.no. [Електронний ресурс] // SeNorge. – Режим доступу: 
https://www.senorge.no/. – Дата доступу: 25.11.2024. 
21. Алабовський О. М., Боженко М. Ф., Хоренженко Ю. В. Проектування 
промислових підприємств: курсове проектування з елементами САПР: 
навч. посібник. К.: Вища шк., 2022. – 207 с. 
63 
22. Бородацький Є. Г. Розробка системи керування взаємопов’язаним 
електроприводом відцентрових турбомеханізмів станції перекачування 
рідини: автореф. дис... канд. техн. наук. Київ, 2020. – 24 с. 
23. Ковальов В. З., Бородацький Є. Г. Ефективне використання енергії в 
насосних установках нафтоперекачувальних станцій // Промислова 
енергетика. 2023. № 1. – С. 45-62. 
24. Коренькова Т. В., Михайличенко Д. А. та ін. Дослідження системи ПЧАД-
Насос-Гідромережа // Вісник Кременчуцького державного політехнічного 
університету. 2023. Вип. 2 (19). – С. 377. 
25. Лівчак В. І., Чугункін А. А., Оленєв В. А. Ефективність пофасадного 
автоматичного регулювання систем опалення // Водопостачання та 
санітарна техніка. 2023. № 5. – С. 14-18. 
26. Мелентьєв Л. А., Левенталь Г. Б., Чугреєв В. А., Алієва М. Г. Сучасна 
концепція теплофікації країни // Теплоенергетика. 2024. – С. 8-13. 
27. Микитишин А. Г., Митник М. М., Стухляк П. Д. Комплексна безпека 
інформаційних мережевих систем: навч. посібник. Тернопіль: ТНТУ ім. І. 
Пулюя, 2023. – 256 с. 
28. Микитишин А. Г., Митник М. М., Стухляк П. Д., Пасічник В. В. 
Комп’ютерні мережі. Книга 1: навчальний посібник. Львів: Магнолія 2006, 
2022 – 256 с. 
29. Микитишин А. Г., Митник М. М., Стухляк П. Д., Пасічник В. В. 
Комп’ютерні мережі. Книга 2: навчальний посібник. Львів: Магнолія 2006, 
2023. – 312 с. 
30. Пилипець М. І., Ткаченко І. Г., Левкович М. Г., Васильків В. В., Радик Д. 
Л. Правила заповнення основних форм технологічних документів: навч.-
метод. посіб. Тернопіль: ТДТУ, 2024. – 108 с.  
64
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
