新型智能二次供水控制系统研究

引言

随着城市化进程的不断推进,城区内高层及小高层住宅大量出现,二次供水模式已逐步开放,成为城市供水的重要组成部分,它是提供城市公共供水管网末梢和特殊区域用水的重要措施。人们对于供水质量和供水系统可靠性及稳定性的要求也在不断提高,尤其是高峰用水期间,因此,先进的智能二次供水系统应运而生,芜湖华衍水务开发的管网叠压加箱式错峰变频恒压智能无人值守全自动二次供水系统就是众多二次供水方案中安全可靠的一种,该系统是以PLC为控制核心、变频器为调速执行部件,包括网络传输、视频监控等关键部分的恒压供水系统,实现了供水泵房全过程自动化和智能化管理,有效解决了二次供水工程中尤其是高峰供水期间的稳定性和可靠性等问题。

1二次供水系统概述

芜湖华衍水务二次供水加压泵房采用的是管网叠压加箱式错峰变频恒压供水智能控制系统。该供水系统是在变频恒压供水的基础上发展起来的,它的先进之处在于以市政管网叠压供水为主,同时辅以水箱供水,供水过程完全是在一个密封的环境中,避免了饮用水在供水过程中的二次污染,同时也有效解决了短时间内停水的用水问题。为了有效地把生活用水安全、环保地提供给用户,芜湖华衍水务针对供水系统控制要求,在二次供水泵房内配置了完善可靠的硬件设备,泵房内设备主要有配电柜、PLC控制柜、变频控制柜、安防系统、门禁系统、多泵供水泵组、不锈钢水箱、消毒仪、余氯仪、浊度仪等,有效保证了居民生活用水的安全。

1.1泵房设施

1.1.1水箱

每个泵房有两套不锈钢水箱,两个水箱通过管道连通,保证清洗其中一个水箱时另一个水箱可以正常供水,每个水箱安装一套超声波液位计,实时监控水箱液位的变化。当市政管网压力低于允许压力或市政管网停水时,市政管网进水阀门关闭,由水箱向用户供水,当水箱水位达到最低点时水泵停止运转。当管网压力达到或高于允许压力时,系统自动给水箱补水到液位上限。同时为了保证水箱内水质,系统每24h定时更换一遍水箱内的水。

1.1.2消毒仪

自来水通过水泵进入水箱,再由水箱提供用水水源,由于自来水在水箱中作停留,有时可能停留时间稍长,为保护用户用水的质量,引进了消毒设备对二次供水水体进行二次消毒,保证用户放心使用每一滴水。

1.1.3余氯仪

水是我们生活中不可或缺的一种资源,以前人们都是直接喝生水,但现在科技发达了,污染也变得严重了,水质受到了污染。生水中含有大量的细菌和寄生虫,于是我们便使用氯气消毒,但氯过高会对人体产生危害,因此使用余氯分析仪,对水溶液中余氯含量进行连续监测和处理。

1.1.4浊度仪

采用90●散射光原理,对水中含有泥土粉尘、微细有机物和其他微生物进行检测与处理,使人们用上、喝上安全、干净、放心的水源。

1.1.5泵组

二次供水一般从5层开始,一般每7层为一个加压区,每个加压区根据用户多少设置2~4台加压泵进行供水,其中1台为备用泵,这几个泵组成一个完整的供水系统对所在楼层进行独立供水,每台泵进行均时变频恒压供水。这个泵的组合叫做泵组,泵组是芜湖华衍二次供水的核心设备,泵组出口管道装有压力传感器和电接点压力表,实时监控管道压力,当实际压力大于设定的最高限位压力值时,HM1上会报超压报警,水泵会停止运行。

1.1.6管道

芜湖华衍建设的二次供水泵房均使用304不锈钢管道进行供水,确保水质安全可靠无污染。

1.2控制系统

智能二次供水系统包含PLC控制部分、每个区的变频供水部分,PLC控制柜负责整个泵房控制系统的管理和协调工作,负责下位数据的收集和向上位系统传送数据。每个加压区即每套泵组配置一套变频控制柜,负责本区楼层的恒压供水控制,同时负责将数据传送到PLC系统并接收PLC系统传送的数据。

1.3视频监控

泵房采取无人值守,安全防护设施分为门禁、摄像机、显示屏等。安防系统不仅在本地存储泵房视频数据,而且通过光纤通信实时在线视频监视整个泵房设备,将视频数据传送到二供调度中心。

1.4数据传输

智能二次供水系统采用了各类先进的网络通信系统,实现上下位各个层次设备之间的数据传输。通过MoDBUS现场总线通信方式将所有进出口的电磁流量计的瞬时流量和累计流量信号传送到PLC控制系统:PLC控制柜和所有变频控制柜都通过TCP/1P工业以太网进行数据交换,组成内部通信网,实时传送和监控系统的运行:PLC柜配置一台光纤交换机,负责将泵房的视频信号和控制系统的控制数据实时传送到芜湖华衍二供调度中心。二供调度中心将每个小区泵房的运行数据

和报警信息实时通过APP发送到不同级别的管理者手中,全方位对二供系统进行实时管理和监控。

2二次供水工艺流程

(1)芜湖华衍水务二次供水泵房自动控制系统采用PLC控制技术和变频控制技术控制管网叠压供水设备,该设备以市政管网供水为主,同时辅以水箱供水,实现以下功能:1)当市政管网压力高于允许压力时,通过市政管网向系统供水。2)当市政管网压力低于允许压力或市政管网停水时,市政管网进水阀门关闭,由水箱向用户供水,当水箱水位达到最低点时水泵停止运转。3)当加压泵出水每个分区供水流量和压力检测到异常状态时,30min应立即停泵。4)二次供水泵房,无人值守,断电自动复原运行前参数,PLC对泵房的供/给水系统及设备、供电系统及设备进行监视及节能控制,在中控室可以随时观看泵房和查看运行参数。

(2)自控系统包含以下功能:1)对给水系统的监控:给水总管压力检测、给水总管流量检测、给水总管电动阀控制(包括市政自来水进水总管和加压泵出水分区供水流量检测)。2)对水箱液位的监控:水箱液位高低报警、水箱液位控制。3)对供水系统的监控:水泵变频控制,供水水压检测,浊度检测,余氯在线检测及紫外消毒器自动投切,供水水压超压报警、控制。4)对配电系统的监控:系统电压、电流检测,系统负荷检测、报警,电能计量。

管网叠压供水控制系统的核心概念就是通过变频器控制水泵的运行频率,达到恒压节能供水的效果,同时系统还加入了市政管网保护、水泵保护以及故障处理等功能。为节约成本,目前大多采用多个变频器控制多个水泵的变频运行方式,这种方式下,变频器轮流控制各个水泵变频运行。

水泵的运行方式有两种,一种是变频运行,一种是满频50Hz运行。水泵的运行方式由中央控制器根据用户用水量的多少自动控制。系统启动后,水泵首先变频运行,当用水量增加时,变频水泵转换为满频50Hz运行,并启动下一台水泵变频运行:用水量减少后,满频50Hz水泵退出运行,水泵的投切过程如此循环反复。

在用水量很少或没有用水时,为了节能并延长水泵的使用寿命,水泵还可以进入休眠状态。当用水量增加时,水泵会自动从休眠状态中被唤醒。当一台水泵长时间运行时,为了使各个水泵均衡运行,系统会自动选择运行时间最短的水泵运行。当有水泵出现故障时,系统会自动跳过该水泵,不会影响其他水泵的投切过程。

3智能二次供水控制功能

3.1水箱控制

当市政总管供水压力低于设定值时自动切换至水箱供水,水箱水位至低水位时泵组停止工作,并将信息传递至监控中心:进水管上两组压力传感器监控到供水压力差超过设定值时自动关闭进水管电动阀,水箱水位超溢流水位时自动关闭水箱进水电动阀,并将信息传递至监控中心。为了保证水箱内水质,系统还设置了定时换水功能。水箱内的水必须每24h更换一遍,从而保证水箱内的水每天都是新鲜的。

3.2PLC柜控制

为了实现软件和硬件系统的完美结合,对水泵、余氯仪、消毒设备、潜污泵等设备的远程I/o开关量输入/输出点进行运行控制,并对水箱液位、总流量、进水压力等信号进行采集,从而实现二次供水的自动化,保证二次供水的顺利进行,系统采用一套施耐德M580系列PLC进行控制和数据采集传送,完全满足功能要求。

3.2.1潜污泵系统

(1)系统可监控潜污泵运行状态(运行、停止、故障、本地、自动信号),累计运行时间。(2)系统处于自动运行状态时,根据集水池高液位报警控制泵的启停。(3)系统处于手动状态时,在触摸屏界面可手动控制泵的启停。

3.2.2水箱进水电动阀与直供水电动阀

(1)水箱进水电动阀或直供水电动阀处于手动状态时,在柜体面板可通过按钮进行手动开启或关闭。(2)水箱进水电动阀或直供水电动阀处于自动状态时,水箱可设置换水时间,根据液位进行换水控制。

3.2.3消毒设备

(1)消毒设备可进行手动的启停控制。(2)根据现场的余氯值在触摸屏上设置上下限值,可进行自动控制。

3.2.4无水保护

(1)进水压力小于设定值时,无水保护动作。(2)当系统处于换水状态时,无水保护不动作,此时根据水箱液位进行控制。(3)当进水电动阀关闭时,输出无水保护。

3.2.5显示功能

如图1所示,PLC柜配置一台10英寸彩色触摸屏,实时显示水箱液位、总进水管流量、总进水管压力、余氯和浊度数据,同时显示电动阀的开启状态,实时弹出系统故障。

图1PLC柜触摸屏显示界面

3.3变频柜控制

(1)手动状态:需要将面板所有的PLC控制位旋至手动位置,当需要某台泵运行时,则按下面板的启动按钮,根据程序设置的上限压力进行互锁,可在触摸屏设变频频率以一恒定的频率进行运行。当需要停止时,需要按下面板的停止按钮。

(2)自动状态下系统自动运行时,设定运行压力,PLC进行是否具备运行条件的判断。1)变频器无故障、直供水管道压力不低于设定最低值(即无水保护,在程序中管道压力低于0.1MPa且大于10s时判定系统无水,所有泵组停止运行:当直供水管道压力大于0.2MPa时且大于10s时,恢复正常供水)、电接点压力传感器无超压、面板中变频旋钮都打到PLC控制位置,当满足这些条件时,可进行自动运行控制。2)PLC系统将设定压力与压力传感器反馈值进行比较,当设定压力与反馈压力值相等且持续l0min以上时,系统无动作,处于休眠状态。

当反馈压力小于设定压力时,系统开始运行。首先判断泵组状态,当面板都处于PLC控制状态,且无第1)点里的故障时,系统默认以第l台变频器进行P1D调节运行。

当变频器运行至最大频率,反馈压力依然小于设定压力且大于20s,系统判断2、3号泵都无故障,且面板都处于PLC控制时,运行第2台变频器[系统一般不启动第3台泵进行压力调节,如果两台泵都以满频运行且时间大于设定值(时间根据不同泵房具体设置,一般为30~60s),系统判定报警]。

当反馈压力与设定压力值相等且持续l0min以上时,系统再次进入休眠状态。

3)为避免有的泵运行负荷偏大、时间偏长,确保系统中的泵每一天都能得到均衡使用,控制系统设计了变频系统轮值运行程序,且轮值时间可以根据实际情况调整。当第l台泵累计运行时间等于5h时,系统进行轮值,此时以第2台泵作为主泵运行:当第2台运行累计达到5h时,第3台运行:当第3台达到5h时,再以第l台开始循环轮值。

(3)系统运行中设置有完善的保护功能:l)爆管检测功能:当两台泵同时满频运行且大于30~60s时,判定为爆管:或者管道压力小于某一压力且瞬时流量大于设定最大值超过30~60s时,判定为爆管:系统停止运行。需要现场盘查,排除故障后,在触摸屏中按下故障复位按钮,系统恢复运行。2)无水保护功能:当从主控柜接收到无水报警时,系统停止运行。3)压力上下限与超压保护功能:当压力大于电接点压力表设定压力时为超压,变频器停止运行:当压力恢复时,系统恢复运行。在程序中设置压力上限,此压力小于电接点压力最大值,当超过此设定值且大于5s时变频器停止运行,此时为警告,当压力恢复时,系统恢复正常:在程序中设置压力下限,当反馈压力低于压力下限设定值且大于10s时,系统停止运行。

(4)二次供水自动控制系统对泵组控制要求实时、可靠、准确、具体,并实现泵组自动、手动状态下完成上述工作流程要求。我们采用施耐德M340系列PLC完成设计,每个变频柜也配置了一台l0英寸彩色触摸屏对变频控制系统进行监控,如图2所示。

图2变频柜触摸屏显示界面

4二次供水PLC系统配置选型

为了满足上述泵房供水工艺要求,系统选用施耐德最新的高性能M580及M340系列PLC产品。

4.1PLC的特点

(1)高可靠性:(2)丰富的1/o接口模块:(3)采用模块化结构:(4)编程简单易学:(5)安装简单,维修方便。

4.2PLC的功能

(1)逻辑控制、定时控制、计数控制、顺序控制、P1D控制:(2)数据控制:PLC具有数据处理能力:(3)通信和联网。

4.3控制系统的设计

(1)用一定的方式描述工艺工程对控制系统的功能要求:(2)制定控制方案:(3)从实际情况出发,确定系统的控制水平和PLC选型:(4)分配PLC输入/输出(1/o),设计1/o连接图:(5)系统可靠性设计、供电系统和接地系统的设计、控制柜设计:(6)程序设计。

4.4控制系统操作界面设计要求

采用VijeoDesignerBasic软件作为触摸屏编程软件,操作界面主要可以完成管网叠压供水控制系统运行工况监视、运行参数设置、实时报警显示、历史报警显示等功能。软件具有一个开放的人机界面(HM1),拥有全面的脚本和动画功能,从而为软件的应用增添了动力和灵活性。(l)HM1是系统和用户信息交互的媒介,可以直接展现有效信息。(2)连接PLC、变频器、仪表等工业控制设备,利用显示屏的显示功能,通过输入单元进行输入操作,实现人与机器交互信息的过程。(3)人机界面产品由硬件和软件两部分组成,硬件包括处理器、显示单元、输入单元、通信接口、数据存储单元等,其中处理器是HM1的核心单元,决定了HM1的性能。(4)使用HM1实现交互功能时,先制作工程文件,再通过PC机和HM1的串行通信口,把编程好的工程文件下载到HM1处理器中运行。

5结语

芜湖华衍智能无人值守全自动二次供水系统的使用,大大降低了操作人员的工作强度,提高了用户用水的质量,保证了供水系统的水质安全尤其是高峰用水的安全,满足了用户对用水越来越高的要求,实现了节能、节水、节地、全自动作业、远距离监控/运行和维护,为我们带来了更好的社会效益和经济效益。同时,我们还会进一步对智能二次供水的建设进行研究和完善。