劉 瑞　劉欣玉　潘 露

(1. 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系， 安徽 蕪湖 241000；2. 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系， 安徽 蕪湖 241000)

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某商業(yè)體無負(fù)壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉 瑞1劉欣玉2潘 露2

(1. 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系， 安徽 蕪湖 241000；2. 安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系， 安徽 蕪湖 241000)

為某商業(yè)體設(shè)計(jì)一套無負(fù)壓供水系統(tǒng)，介紹該無負(fù)壓供水系統(tǒng)的組成和工作原理。根據(jù)該商業(yè)體的實(shí)際供水需求，計(jì)算出系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)，完成控制方案中PLC的功能設(shè)計(jì)和變頻器參數(shù)設(shè)置。

無負(fù)壓供水； 供水系統(tǒng)； 變頻器；PLC

蕪湖某商業(yè)體內(nèi)有多棟高層建筑，每棟樓有15層，其中第1 — 5層用的是直供自來水，第6 — 15層通過樓頂高位水箱二次加壓供水。這種供水方式在運(yùn)行中存在以下問題：一是需定期對(duì)水箱進(jìn)行清理，每次清理均會(huì)關(guān)停水而對(duì)用戶用水造成影響；二是隨著時(shí)間的推移，水箱浮球開關(guān)不時(shí)損壞，導(dǎo)致水箱補(bǔ)水不足。為了減少設(shè)備維護(hù)工作量，為用戶提供潔凈、連續(xù)、穩(wěn)定的生活用水，我們針對(duì)該商業(yè)體設(shè)計(jì)了一套新型無負(fù)壓供水系統(tǒng)。

1　無負(fù)壓供水系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)工作原理

無負(fù)壓供水設(shè)備由無負(fù)壓流量控制器、穩(wěn)壓補(bǔ)償罐、能量儲(chǔ)存器、雙向補(bǔ)償器、水泵機(jī)組、控制柜及控制儀表等裝置組成[1]。

在市政管網(wǎng)壓力正常時(shí)，市政供水經(jīng)穩(wěn)壓補(bǔ)償罐恒壓腔通過水泵機(jī)組加壓至用戶管網(wǎng)。在高峰用水期，市政水壓力下降。這時(shí)能量儲(chǔ)存器釋放帶壓氣體進(jìn)入穩(wěn)壓補(bǔ)償罐高壓腔，將高壓腔的水?dāng)D入恒壓腔管網(wǎng)并匯同恒壓腔的市政水向用戶補(bǔ)水。高壓腔具有小流量供水保壓功能。在低峰用水期，管網(wǎng)利用雙向補(bǔ)償器將泵出水口端的高壓水引向高壓腔補(bǔ)水，使不溶于水的帶壓氮?dú)怆S著液面不斷上升被擠壓回能量儲(chǔ)存裝置內(nèi)，從而完成低峰期給罐內(nèi)補(bǔ)水的過程[2]。

1.2無負(fù)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)高峰期用水量，將無負(fù)壓自動(dòng)增壓設(shè)備系統(tǒng)流量設(shè)計(jì)為90m3h。樓頂水管高度為60m，為保證頂層用戶用水壓力達(dá)到0.2MPa左右，工作壓力設(shè)計(jì)為0.85MPa。系統(tǒng)采用3臺(tái)電機(jī)輪換工作制，根據(jù)電機(jī)和泵的工作曲線，設(shè)定單臺(tái)電機(jī)功率為15kW，轉(zhuǎn)速為2 930rmin，額定電流為29A，設(shè)備總功率為45kW，水泵揚(yáng)程為80m，流量45m3h。

壓力變送器采用HUBA501系列，壓力量程0～10bar(即0～1MPa)，輸出電流為4～20mA。

為了降低工程造價(jià)，可充分利用原有管道，不另做太大改動(dòng)。在負(fù)一樓原水泵房將無負(fù)壓供水設(shè)備直接連接到市政供水管網(wǎng)上，將無負(fù)壓設(shè)備供水出口連接到原水泵出口管道。樓頂拆除高位水箱，將進(jìn)出水管道直接連通即可。變頻控制柜通過壓力變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測市政端管網(wǎng)和用戶端管網(wǎng)的壓力。當(dāng)用戶端管網(wǎng)壓力低于用戶所需的壓力時(shí)，中央控制器自動(dòng)控制變頻器啟動(dòng)，直到用戶端管網(wǎng)壓力上升到實(shí)際所需壓力；當(dāng)用戶端管網(wǎng)壓力高于用戶所需的壓力時(shí)，則降低變頻泵頻率；當(dāng)用戶端管網(wǎng)壓力等于用戶所需壓力時(shí)，變頻泵就延時(shí)休眠。圖1所示為無負(fù)壓供水設(shè)備系統(tǒng)示意圖。

圖1　無負(fù)壓供水設(shè)備系統(tǒng)圖

2　控制系統(tǒng)的配置

2.1控制系統(tǒng)主電路圖

該系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行方式。手動(dòng)運(yùn)行方式下，可根據(jù)需要分別通斷接觸器2KM、4KM、6KM，以實(shí)現(xiàn)工頻啟動(dòng)并關(guān)停1#、2#、3#泵。該方式主要供調(diào)試、檢修和設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行有故障時(shí)使用。在自動(dòng)運(yùn)行方式下，變頻器通過接觸器1KM、3KM、5KM實(shí)現(xiàn)變頻啟動(dòng)，并與前者聯(lián)鎖。在單臺(tái)變頻運(yùn)行滿足給定壓力的條件下，可實(shí)現(xiàn)單機(jī)8h輪換工作制。圖2所示為控制系統(tǒng)主電路圖。

2.2PLC調(diào)節(jié)器

根據(jù)不能對(duì)市政管網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)壓的要求，本控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)恒壓供水，需要保持泵出口壓力為0.85MPa，宜采用以壓力值為主變量的PID控制方式來形成閉環(huán)反饋控制回路。壓力變送器將檢測到的4～20mA范圍壓力信號(hào)傳送給PLC調(diào)節(jié)器，PID調(diào)節(jié)器根據(jù)壓力設(shè)定值與實(shí)際檢測值進(jìn)行PID運(yùn)算，并給出信號(hào)，直接控制變頻器的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。圖3所示為PLC調(diào)節(jié)器接線示意圖。

當(dāng)用水量不是很大時(shí)，一臺(tái)泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行。PLC輸出頻率從0Hz開始上升，同時(shí)PID調(diào)節(jié)器對(duì)接收到的反饋信號(hào)與給定壓力進(jìn)行比較運(yùn)算后送至變頻器；當(dāng)用水量大到變頻器全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時(shí)，變頻器會(huì)輸出一個(gè)頻率上限到達(dá)信號(hào)給PLC調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器的壓力下限信號(hào)與變頻器的高速信號(hào)同時(shí)被PLC調(diào)節(jié)器檢測到時(shí)，經(jīng)過短暫延時(shí)，PLC自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下的泵切換到工頻運(yùn)行，以保持壓力的連續(xù)性。與此同時(shí)將一臺(tái)備用的泵通過變頻器啟動(dòng)后投入運(yùn)行，以加大管網(wǎng)的供水量，保證壓力穩(wěn)定。若2臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)仍不能滿足需求，則依次將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻工作狀態(tài)下運(yùn)行，而將另一臺(tái)備用泵投入變頻工作狀態(tài)下運(yùn)行。當(dāng)用水量減少時(shí)，首先表現(xiàn)為變頻器處于最低速工作狀態(tài)，低速信號(hào)有效。這時(shí)如果仍出現(xiàn)壓力上限的信號(hào)，PLC調(diào)節(jié)器會(huì)首先使在工頻工作狀態(tài)下運(yùn)行的泵停止工作，以減少供水量。當(dāng)上述壓力上限信號(hào)和低速信號(hào)仍存在時(shí)，PLC調(diào)節(jié)器再關(guān)停一臺(tái)在工頻工作狀態(tài)下運(yùn)行的泵，如此反復(fù)，直到最后一臺(tái)泵實(shí)現(xiàn)變頻器恒壓供水[3]。

圖2　控制系統(tǒng)主電路圖

圖3　PLC調(diào)節(jié)器接線示意圖

2.3ABBACS510變頻器

系統(tǒng)中使用了ABBACS510變頻器。ACS510是ABB的一款低壓交流傳動(dòng)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，適用于各類型負(fù)載。尤其針對(duì)在風(fēng)機(jī)、水泵中的應(yīng)用做了優(yōu)化，適用于恒壓供水領(lǐng)域。圖4所示為ABBACS510變頻器接線示意圖。

圖4　ABB ACS510變頻器接線示意圖

2.4人機(jī)界面

通過組態(tài)及人機(jī)界面，可以直觀地觀察和查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、變頻器的主要實(shí)時(shí)參數(shù)、故障報(bào)警記錄和歷史趨勢等信息。圖5所示為組態(tài)示意圖及人機(jī)界面。從變頻器運(yùn)行參數(shù)組態(tài)畫面中可以看出，電機(jī)在變頻狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間為6 778h。如按照工頻額定功率計(jì)算,總消耗功率為101 670kW，實(shí)際變頻器累計(jì)功耗為12 888kW，約為改造前供水系統(tǒng)能耗的110，節(jié)能效果明顯。

圖5　組態(tài)示意圖及人機(jī)界面

3　結(jié)　語

無負(fù)壓供水系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是直接與市政供水管網(wǎng)連接，在充分利用市政供水管網(wǎng)余壓的基礎(chǔ)上再次加壓，是兩者壓力的疊加。該商業(yè)體市政供水壓力一般為0.35～0.4MPa，給定值為0.85MPa，壓力偏差值為0.45MPa。無負(fù)壓供水設(shè)備只需增壓0.45MPa即可滿足設(shè)定值的要求。該系統(tǒng)功耗約為改造前供水系統(tǒng)能耗的110，節(jié)能效果明顯。另外，新系統(tǒng)減少了設(shè)備的維護(hù)工作量，增加了供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時(shí)因用水管網(wǎng)直接與市政管網(wǎng)相連通，水質(zhì)得到了很好的保證。

[1] 張吉申.淺淡管網(wǎng)疊壓(無負(fù)壓)供水設(shè)備分類及工作原理[J].給水排水，2009(增刊2)：309-311.

[2] 劉昆，張吉申.新型電子防負(fù)壓式管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備及應(yīng)用[J].水工業(yè)市場，2009(9)：48.

[3] 黃志鋼，任繼鋒.PLC和變頻器在無負(fù)壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代物業(yè)，2011(9)：182-184.

[4] 孟彥京，李紅壘，段明亮. 基于ABBACS510變頻器的多泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng)，2011，40(11)：66-68.

DesignandApplicationofNonNegativePressureWaterSupplySysteminaCommercialMall

LIU Rui1LIU Xinyu2PAN Lu2

(1. Department of Electrical Engineering, Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering,WuhuAnhui241000,China; 2.DepartmentofMechanicalEngineering,AnhuiTechnicalCollegeofMechanicalandElectricalEngineering,WuhuAnhui241000,China)

Thispaperintroducesthecompositionandworkingprincipleofthenonnegativepressurewatersupplysystemwhichwasdesignedforacommercialmall.Accordingtotheactualwatersupplyrequirements,wefirstcalculatetheparametersofmainequipment;andthencomplishthefunctiondesignofPLCandparameterssettingofinverteroverthecontrolscheme,toachievethewatersupplyrequirements.

nonnegativepressurewatersupply;supplywatersystem;inverter;PLC

2016-01-15

安徽省教育廳科研基金“校企合作模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”(2013ZY149)；安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目“智能儀表技術(shù)項(xiàng)目化教學(xué)改革”(2014YJYXM29)

劉瑞(1980 — )，女，河南駐馬店人，碩士，講師，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化。

TP271

A

1673-1980(2016)04-0101-04