关键字：无负压供水；技术节能；PID调节；变频技术；通讯


Abstract: This article solve the existing water supply equipment and problems, based on the programmable controller PLC and Frequency Converter, and puts forward the mainly energy-saving renovation technical points of water-supply equipment from the design point of view. Thereby achieve the purpose of energy-saving.

Key words: No negative pressure; Water-supply system; Energy-saving technical; PID tune; Converter technique; Communication

 

1  引言

目前，全国使用最多的是“储水池+恒压变频供水系统”的方法。住宅小区二次供水设备是由设计院设计，开发商购买设备并安装，最后移交小区物业进行管理，整个流程中除了设计院和设备商对二次供水设施有所研究外，其他人很少对这方面进行研究，而设计院往往只是按理论设计选型，并未结合各个小区的实际情况，开发商从建设成本考虑选择价格低、效率低的设备，导致了设备后期运维出现各种各样的问题。例如水泵流量过大、扬程过高、效率低等导致设备能耗高；扬程不够导致高峰期顶层水压不稳；水泵运行噪音大，共振引起业主投诉；水池需要定期清洗才能避免二次污染等等。

    本文从系统设计的角度介绍在原有系统的基础上进行无负压节能改造，解决上述问题，并深挖节能空间达到增效降本的目的。

无负压叠压设备直接连接在市政管网上，充分利用市政管网压力，只需增加少量压力，就能达到满足现场压力要求，不需要从水池零压开始抽水，设备具有高效节能、环保无二次污染、自动化程度高、易维修等特性，逐步成为现代建筑的理想的供水方式。通过以下设计选型可实现供水系统经济节能运行。它的应用具有一定的限制性。由于它缺少二次储水装置，市政供水一旦有故障，整个设备停止运行而处于停水状态，因此对于那些不能间断供水的特殊用户，它并不适用。仅适用市政供水条件的变化不大的场合。

 

2  无负压供水系统

（1）供水系统改造图

图1中红色为新增部分，黑色为原有恒压供水系统。新旧设备采用并联供水方式给各个区域供水，新旧设备控制程序互锁，只能同时运行一套，新系统可通过电动阀切换市政或水池供水方式。

图1  供水系统改造图

（2）节能供水设备选型计算公式

节能泵组流量计算公式为，其中用水人数n为用水户数*每户人数（每户按3.5-5人选取），用水标准q为120-150(升/人*日)，峰谷系数k取值范围2-4倍。例如,小区1153户需选择流量60立方/小时的泵组，500户左右选择流量30立方/小时的泵组。

节能泵组扬程计算公式H=h1+h2+h3，其中,供水高度(h1)=层高*层数，管阻h2取值15米，出口压力取值10米。例如层高2.7米，12层，扬程选择60米。

通过以上数据选择水泵可满足现场供水要求。本文节能系统采用南方泵SJ系列不锈钢多级深井潜水泵组，效率高（79%以上），冷却方式为水冷，噪音小，寿命，长立式安装，占地面积小。新系统借助原有的稳压罐，安全阀等装置，节省了成本。

3  节能设计和智能化运行

3.1  供水系统运行工况分析

根据供水系统设备的运行工况，分时段恒压控制，一天分2个高峰期，2个低峰期4个时段，低峰期基本无人用水，仅需要维持一定的压力，给定压力值可以比原有系统压力低0.4-0.6公斤，高峰期用水量大，设定压力需与原有系统设定压力一致。如表1所示（时间段、压力根据项目现场可调）。

                                                                         

     默认供水方式为市政供水，基于市政压力（2.5-5公斤），泵组仅需增加很少压力就能达到要求。通过传感器检测市政压力，在压力低于1.5公斤的情况下，自动切换到水池供水方式，确保不对市政给水管网产生负压影响。

压力超限冗余保护设计，是在设定压力值的基础上增加2公斤作为软压力高限值；另外电接点压力表提供硬件压力高限保护，在压力表指示的压力基础上增加2公斤，任意一种条件满足，节能设备报警停机并自动切换到老设备运行。

新旧系统互为备用，为保证老设备能正常工作，保证水池水质，控制程序需增加定时启动老设备供水。

3.2  硬件配置

根据以上对运行工况和需求分析，其中动力线缆和变频器功率需根据水泵选择。

（1）主要设备清单

 

 

 

                                                                 

其中PLC作为系统控制中枢，与变频器采用MODBUS通讯，仅读取数据（格式：9600,n,8,1），变频器启停和频率给定通过I/O控制。系统原理图如图2所示。

图2  系统原理图

 

 

（3）I/O地址分配表

3.3  控制逻辑设计思路 

（1）手动/自动运行：手动定频运行，频率限定30-42Hz；自动运行采用PID恒压控制，频率调节范围0-50Hz,手动/自动程序互锁，新旧控制系统通过硬件互锁。

（2）压力采集和校正功能块：把采集的数字量（0-32000）转换成0-16公斤压力（标定函数Y=2000X+B，B为偏差值），PLC采集压力与现场压力表显示压力存在误差，需要校正才能作为控制点使用。

（3）系统时钟校正功能块：读取并校正PLC时钟。

（4）供水压力与时段处理功能块：因每天运行时段都一样，仅需要把当前时间转化成分钟（Y=60A+B,A为小时，B为分钟，1440分钟/天），并把分时给定值传递给变频器，若设置的时段不连续，控制压力为上一个输出时段的压力。

（5）PID恒压控制：利用PLC内部的PID自动调节功能，对给定压力进行恒压变频控制，校正后的压力作为反馈控制点。

（6）新旧系统切换：定时自动切换到原有系统运行，运行设定时间自动切换到新系统继续运行。处理思路与供水压力与时段模块处理一样。

（7）变频器通讯功能块：通过MODBUS协议读取变频器运行数据，并在人机界面呈现，方便运维人员观察分析运行情况。

（8）安全保护功能：变频器故障或压力超高限时停机切换到原有系统，市政压力低限1.5Kg时关闭市政电动阀打开水池电动阀。

 

3.4  人机界面设计

主要包含封面、控制画面、运行参数、系统参数等页面。

封面包括各区压力值显示，水泵状态显示，日期/时间，以及菜单（点击相关菜单条进入相关页面）。具体如图3所示。

 

图3  人机界面截图

 

（1）控制画面

1）水泵控制

手动模式：模式显示手动，按启动按钮，按输入的手动给定频率运行。

自动模式：模式显示自动，任何按钮不按的情况下，按各区分时段设定的不同压力PID自动调节频率控制(默认模式)。

2）数据显示

当前频率：变频器运行频率；电机转速：电机当前的转速；输出电压：变频器输出电压；输出电流：变频器输出电流；输出转矩：变频器输出转矩。如图4所示。

 

图4  控制画面截图

（2）运行参数

按24小时制分时段，根据高峰，低谷时段各区设定不同的供水压力，时间段、设定压力值根据现场实际情况修改！

当PLC系统时钟与实际时钟不符时，可以校正系统时间。

校时：输入年月日时分秒，按校时按钮，PLC内部时钟被修改成设定值。

保存参数：输入的所有参数被保存到PLC掉电保持区域。

（3）系统参数（在调试时已设置好，此页面严禁修改）

该页面主要设定底层控制参数，PID参数和模拟量标定。

PID参数：

P：比例(1.4)

I：积分时间（单位：分钟,0.1分钟）

D：微分时间（单位：分钟,0.0分钟）

模拟量压力标定：

采集值：实时采集的裸数据

偏移值：与压力表显示值的误差

校正值：控制压力值的显示值

原系统定时设置：

设置每周切换老系统的时间

起始时间：启动老系统的时间

结束时间：停止老系统的时间

起始星期：从星期几开始，0表示1、3、5运行,1表示2、4、6运行

 

图5  系统参数显示截图

5  结论

本系统经过大量项目改造应用，成本低，节电率60%以上。解决了常规恒压供水的弊端的同时，提高了设备智能化水平，实现了设备的自动运行和无人值守，降低二次供水设备能耗，降低设备故障率，减少运维成本。

本系统适用于老旧项目改造，住宅小区、办公楼、宾馆、饭馆、学校、部队、机关、集体宿舍等用水比较密集场合，工厂、加压泵站、开发区等需要大流量二次加压供水的场所。

 

参考文献：

[1]西门子S7-200PLC编程手册[Z]. 2013

[2]威纶通触摸屏EBpro使用手册[Z]. 2014

[3]南方泵业潜水泵样本手册[Z]. 2013

[4]易驱M200高性能通用变频器用户手册(V1.0)[Z]. 2013

 

作者简介：

曾其勇，男，2004年本科毕业于四川理工学院电气自动化专业，工学学士，电气工程师职称，从事建筑节能改造以及设备设施物联工程项目设计工作。

联系方式：深圳市南山区蛇口招商路招商大厦3楼，邮编：518067