引言

隨著城市化進程的不斷推進,城區(qū)內高層及小高層住宅大量出現,二次供水模式已逐步開放,成為城市供水的重要組成部分,它是提供城市公共供水管網末梢和特殊區(qū)域用水的重要措施。人們對于供水質量和供水系統可靠性及穩(wěn)定性的要求也在不斷提高,尤其是高峰用水期間,因此,先進的智能二次供水系統應運而生,蕪湖華衍水務開發(fā)的管網疊壓加箱式錯峰變頻恒壓智能無人值守全自動二次供水系統就是眾多二次供水方案中安全可靠的一種,該系統是以PLC為控制核心、變頻器為調速執(zhí)行部件,包括網絡傳輸、視頻監(jiān)控等關鍵部分的恒壓供水系統,實現了供水泵房全過程自動化和智能化管理,有效解決了二次供水工程中尤其是高峰供水期間的穩(wěn)定性和可靠性等問題。

1二次供水系統概述

蕪湖華衍水務二次供水加壓泵房采用的是管網疊壓加箱式錯峰變頻恒壓供水智能控制系統。該供水系統是在變頻恒壓供水的基礎上發(fā)展起來的,它的先進之處在于以市政管網疊壓供水為主,同時輔以水箱供水,供水過程完全是在一個密封的環(huán)境中,避免了飲用水在供水過程中的二次污染,同時也有效解決了短時間內停水的用水問題。為了有效地把生活用水安全、環(huán)保地提供給用戶,蕪湖華衍水務針對供水系統控制要求,在二次供水泵房內配置了完善可靠的硬件設備,泵房內設備主要有配電柜、PLC控制柜、變頻控制柜、安防系統、門禁系統、多泵供水泵組、不銹鋼水箱、消毒儀、余氯儀、濁度儀等,有效保證了居民生活用水的安全。

1.1泵房設施

1.1.1水箱

每個泵房有兩套不銹鋼水箱,兩個水箱通過管道連通,保證清洗其中一個水箱時另一個水箱可以正常供水,每個水箱安裝一套超聲波液位計,實時監(jiān)控水箱液位的變化。當市政管網壓力低于允許壓力或市政管網停水時,市政管網進水閥門關閉,由水箱向用戶供水,當水箱水位達到最低點時水泵停止運轉。當管網壓力達到或高于允許壓力時,系統自動給水箱補水到液位上限。同時為了保證水箱內水質,系統每24h定時更換一遍水箱內的水。

1.1.2消毒儀

自來水通過水泵進入水箱,再由水箱提供用水水源,由于自來水在水箱中作停留,有時可能停留時間稍長,為保護用戶用水的質量,引進了消毒設備對二次供水水體進行二次消毒,保證用戶放心使用每一滴水。

1.1.3余氯儀

水是我們生活中不可或缺的一種資源,以前人們都是直接喝生水,但現在科技發(fā)達了,污染也變得嚴重了,水質受到了污染。生水中含有大量的細菌和寄生蟲,于是我們便使用氯氣消毒,但氯過高會對人體產生危害,因此使用余氯分析儀,對水溶液中余氯含量進行連續(xù)監(jiān)測和處理。

1.1.4濁度儀

采用90●散射光原理,對水中含有泥土粉塵、微細有機物和其他微生物進行檢測與處理,使人們用上、喝上安全、干凈、放心的水源。

1.1.5泵組

二次供水一般從5層開始,一般每7層為一個加壓區(qū),每個加壓區(qū)根據用戶多少設置2~4臺加壓泵進行供水,其中1臺為備用泵,這幾個泵組成一個完整的供水系統對所在樓層進行獨立供水,每臺泵進行均時變頻恒壓供水。這個泵的組合叫做泵組,泵組是蕪湖華衍二次供水的核心設備,泵組出口管道裝有壓力傳感器和電接點壓力表,實時監(jiān)控管道壓力,當實際壓力大于設定的最高限位壓力值時,HM1上會報超壓報警,水泵會停止運行。

1.1.6管道

蕪湖華衍建設的二次供水泵房均使用304不銹鋼管道進行供水,確保水質安全可靠無污染。

1.2控制系統

智能二次供水系統包含PLC控制部分、每個區(qū)的變頻供水部分,PLC控制柜負責整個泵房控制系統的管理和協調工作,負責下位數據的收集和向上位系統傳送數據。每個加壓區(qū)即每套泵組配置一套變頻控制柜,負責本區(qū)樓層的恒壓供水控制,同時負責將數據傳送到PLC系統并接收PLC系統傳送的數據。

1.3視頻監(jiān)控

泵房采取無人值守,安全防護設施分為門禁、攝像機、顯示屏等。安防系統不僅在本地存儲泵房視頻數據,而且通過光纖通信實時在線視頻監(jiān)視整個泵房設備,將視頻數據傳送到二供調度中心。

1.4數據傳輸

智能二次供水系統采用了各類先進的網絡通信系統,實現上下位各個層次設備之間的數據傳輸。通過MoDBUS現場總線通信方式將所有進出口的電磁流量計的瞬時流量和累計流量信號傳送到PLC控制系統:PLC控制柜和所有變頻控制柜都通過TCP/1P工業(yè)以太網進行數據交換,組成內部通信網,實時傳送和監(jiān)控系統的運行:PLC柜配置一臺光纖交換機,負責將泵房的視頻信號和控制系統的控制數據實時傳送到蕪湖華衍二供調度中心。二供調度中心將每個小區(qū)泵房的運行數據

和報警信息實時通過APP發(fā)送到不同級別的管理者手中,全方位對二供系統進行實時管理和監(jiān)控。

2二次供水工藝流程

(1)蕪湖華衍水務二次供水泵房自動控制系統采用PLC控制技術和變頻控制技術控制管網疊壓供水設備,該設備以市政管網供水為主,同時輔以水箱供水,實現以下功能:1)當市政管網壓力高于允許壓力時,通過市政管網向系統供水。2)當市政管網壓力低于允許壓力或市政管網停水時,市政管網進水閥門關閉,由水箱向用戶供水,當水箱水位達到最低點時水泵停止運轉。3)當加壓泵出水每個分區(qū)供水流量和壓力檢測到異常狀態(tài)時,30min應立即停泵。4)二次供水泵房,無人值守,斷電自動復原運行前參數,PLC對泵房的供/給水系統及設備、供電系統及設備進行監(jiān)視及節(jié)能控制,在中控室可以隨時觀看泵房和查看運行參數。

(2)自控系統包含以下功能:1)對給水系統的監(jiān)控:給水總管壓力檢測、給水總管流量檢測、給水總管電動閥控制(包括市政自來水進水總管和加壓泵出水分區(qū)供水流量檢測)。2)對水箱液位的監(jiān)控:水箱液位高低報警、水箱液位控制。3)對供水系統的監(jiān)控:水泵變頻控制,供水水壓檢測,濁度檢測,余氯在線檢測及紫外消毒器自動投切,供水水壓超壓報警、控制。4)對配電系統的監(jiān)控:系統電壓、電流檢測,系統負荷檢測、報警,電能計量。

管網疊壓供水控制系統的核心概念就是通過變頻器控制水泵的運行頻率,達到恒壓節(jié)能供水的效果,同時系統還加入了市政管網保護、水泵保護以及故障處理等功能。為節(jié)約成本,目前大多采用多個變頻器控制多個水泵的變頻運行方式,這種方式下,變頻器輪流控制各個水泵變頻運行。

水泵的運行方式有兩種,一種是變頻運行,一種是滿頻50Hz運行。水泵的運行方式由中央控制器根據用戶用水量的多少自動控制。系統啟動后,水泵首先變頻運行,當用水量增加時,變頻水泵轉換為滿頻50Hz運行,并啟動下一臺水泵變頻運行:用水量減少后,滿頻50Hz水泵退出運行,水泵的投切過程如此循環(huán)反復。

在用水量很少或沒有用水時,為了節(jié)能并延長水泵的使用壽命,水泵還可以進入休眠狀態(tài)。當用水量增加時,水泵會自動從休眠狀態(tài)中被喚醒。當一臺水泵長時間運行時,為了使各個水泵均衡運行,系統會自動選擇運行時間最短的水泵運行。當有水泵出現故障時,系統會自動跳過該水泵,不會影響其他水泵的投切過程。

3智能二次供水控制功能

3.1水箱控制

當市政總管供水壓力低于設定值時自動切換至水箱供水,水箱水位至低水位時泵組停止工作,并將信息傳遞至監(jiān)控中心:進水管上兩組壓力傳感器監(jiān)控到供水壓力差超過設定值時自動關閉進水管電動閥,水箱水位超溢流水位時自動關閉水箱進水電動閥,并將信息傳遞至監(jiān)控中心。為了保證水箱內水質,系統還設置了定時換水功能。水箱內的水必須每24h更換一遍,從而保證水箱內的水每天都是新鮮的。

3.2PLC柜控制

為了實現軟件和硬件系統的完美結合,對水泵、余氯儀、消毒設備、潛污泵等設備的遠程I/o開關量輸入/輸出點進行運行控制,并對水箱液位、總流量、進水壓力等信號進行采集,從而實現二次供水的自動化,保證二次供水的順利進行,系統采用一套施耐德M580系列PLC進行控制和數據采集傳送,完全滿足功能要求。

3.2.1潛污泵系統

(1)系統可監(jiān)控潛污泵運行狀態(tài)(運行、停止、故障、本地、自動信號),累計運行時間。(2)系統處于自動運行狀態(tài)時,根據集水池高液位報警控制泵的啟停。(3)系統處于手動狀態(tài)時,在觸摸屏界面可手動控制泵的啟停。

3.2.2水箱進水電動閥與直供水電動閥

(1)水箱進水電動閥或直供水電動閥處于手動狀態(tài)時,在柜體面板可通過按鈕進行手動開啟或關閉。(2)水箱進水電動閥或直供水電動閥處于自動狀態(tài)時,水箱可設置換水時間,根據液位進行換水控制。

3.2.3消毒設備

(1)消毒設備可進行手動的啟停控制。(2)根據現場的余氯值在觸摸屏上設置上下限值,可進行自動控制。

3.2.4無水保護

(1)進水壓力小于設定值時,無水保護動作。(2)當系統處于換水狀態(tài)時,無水保護不動作,此時根據水箱液位進行控制。(3)當進水電動閥關閉時,輸出無水保護。

3.2.5顯示功能

如圖1所示,PLC柜配置一臺10英寸彩色觸摸屏,實時顯示水箱液位、總進水管流量、總進水管壓力、余氯和濁度數據,同時顯示電動閥的開啟狀態(tài),實時彈出系統故障。

圖1PLC柜觸摸屏顯示界面

3.3變頻柜控制

(1)手動狀態(tài):需要將面板所有的PLC控制位旋至手動位置,當需要某臺泵運行時,則按下面板的啟動按鈕,根據程序設置的上限壓力進行互鎖,可在觸摸屏設變頻頻率以一恒定的頻率進行運行。當需要停止時,需要按下面板的停止按鈕。

(2)自動狀態(tài)下系統自動運行時,設定運行壓力,PLC進行是否具備運行條件的判斷。1)變頻器無故障、直供水管道壓力不低于設定最低值(即無水保護,在程序中管道壓力低于0.1MPa且大于10s時判定系統無水,所有泵組停止運行:當直供水管道壓力大于0.2MPa時且大于10s時,恢復正常供水)、電接點壓力傳感器無超壓、面板中變頻旋鈕都打到PLC控制位置,當滿足這些條件時,可進行自動運行控制。2)PLC系統將設定壓力與壓力傳感器反饋值進行比較,當設定壓力與反饋壓力值相等且持續(xù)l0min以上時,系統無動作,處于休眠狀態(tài)。

當反饋壓力小于設定壓力時,系統開始運行。首先判斷泵組狀態(tài),當面板都處于PLC控制狀態(tài),且無第1)點里的故障時,系統默認以第l臺變頻器進行P1D調節(jié)運行。

當變頻器運行至最大頻率,反饋壓力依然小于設定壓力且大于20s,系統判斷2、3號泵都無故障,且面板都處于PLC控制時,運行第2臺變頻器[系統一般不啟動第3臺泵進行壓力調節(jié),如果兩臺泵都以滿頻運行且時間大于設定值(時間根據不同泵房具體設置,一般為30~60s),系統判定報警]。

當反饋壓力與設定壓力值相等且持續(xù)l0min以上時,系統再次進入休眠狀態(tài)。

3)為避免有的泵運行負荷偏大、時間偏長,確保系統中的泵每一天都能得到均衡使用,控制系統設計了變頻系統輪值運行程序,且輪值時間可以根據實際情況調整。當第l臺泵累計運行時間等于5h時,系統進行輪值,此時以第2臺泵作為主泵運行:當第2臺運行累計達到5h時,第3臺運行:當第3臺達到5h時,再以第l臺開始循環(huán)輪值。

(3)系統運行中設置有完善的保護功能:l)爆管檢測功能:當兩臺泵同時滿頻運行且大于30~60s時,判定為爆管:或者管道壓力小于某一壓力且瞬時流量大于設定最大值超過30~60s時,判定為爆管:系統停止運行。需要現場盤查,排除故障后,在觸摸屏中按下故障復位按鈕,系統恢復運行。2)無水保護功能:當從主控柜接收到無水報警時,系統停止運行。3)壓力上下限與超壓保護功能:當壓力大于電接點壓力表設定壓力時為超壓,變頻器停止運行:當壓力恢復時,系統恢復運行。在程序中設置壓力上限,此壓力小于電接點壓力最大值,當超過此設定值且大于5s時變頻器停止運行,此時為警告,當壓力恢復時,系統恢復正常:在程序中設置壓力下限,當反饋壓力低于壓力下限設定值且大于10s時,系統停止運行。

(4)二次供水自動控制系統對泵組控制要求實時、可靠、準確、具體,并實現泵組自動、手動狀態(tài)下完成上述工作流程要求。我們采用施耐德M340系列PLC完成設計,每個變頻柜也配置了一臺l0英寸彩色觸摸屏對變頻控制系統進行監(jiān)控,如圖2所示。

圖2變頻柜觸摸屏顯示界面

4二次供水PLC系統配置選型

為了滿足上述泵房供水工藝要求,系統選用施耐德最新的高性能M580及M340系列PLC產品。

4.1PLC的特點

(1)高可靠性:(2)豐富的1/o接口模塊:(3)采用模塊化結構:(4)編程簡單易學:(5)安裝簡單,維修方便。

4.2PLC的功能

(1)邏輯控制、定時控制、計數控制、順序控制、P1D控制:(2)數據控制:PLC具有數據處理能力:(3)通信和聯網。

4.3控制系統的設計

(1)用一定的方式描述工藝工程對控制系統的功能要求:(2)制定控制方案:(3)從實際情況出發(fā),確定系統的控制水平和PLC選型:(4)分配PLC輸入/輸出(1/o),設計1/o連接圖:(5)系統可靠性設計、供電系統和接地系統的設計、控制柜設計:(6)程序設計。

4.4控制系統操作界面設計要求

采用VijeoDesignerBasic軟件作為觸摸屏編程軟件,操作界面主要可以完成管網疊壓供水控制系統運行工況監(jiān)視、運行參數設置、實時報警顯示、歷史報警顯示等功能。軟件具有一個開放的人機界面(HM1),擁有全面的腳本和動畫功能,從而為軟件的應用增添了動力和靈活性。(l)HM1是系統和用戶信息交互的媒介,可以直接展現有效信息。(2)連接PLC、變頻器、儀表等工業(yè)控制設備,利用顯示屏的顯示功能,通過輸入單元進行輸入操作,實現人與機器交互信息的過程。(3)人機界面產品由硬件和軟件兩部分組成,硬件包括處理器、顯示單元、輸入單元、通信接口、數據存儲單元等,其中處理器是HM1的核心單元,決定了HM1的性能。(4)使用HM1實現交互功能時,先制作工程文件,再通過PC機和HM1的串行通信口,把編程好的工程文件下載到HM1處理器中運行。

5結語

蕪湖華衍智能無人值守全自動二次供水系統的使用,大大降低了操作人員的工作強度,提高了用戶用水的質量,保證了供水系統的水質安全尤其是高峰用水的安全,滿足了用戶對用水越來越高的要求,實現了節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、全自動作業(yè)、遠距離監(jiān)控/運行和維護,為我們帶來了更好的社會效益和經濟效益。同時,我們還會進一步對智能二次供水的建設進行研究和完善。