1 引言
随着城市建设规模的不断扩大，城市公共管网压力已经不能满足居民生活用水的要求，包括高位水箱、气压罐以及变频调速直供给水等二次加压措施已经普遍被采用。在一些人群密集的公共社区如高校、大型居民小区等处，用水量大、用水时间相对集中，而且有消防用水等特殊要求。因此，其对二次加压设施的自动化程度要求越来越高，水质要求也不断提高，电气系统的设计有着特殊的功能要求和技术特点。
石家庄铁道学院中心给水泵站承担着全院师生、家属一万余人的教学、生活用水的二次加压任务，蓄水池容量800m3，整个泵站包括3台55kw水泵作为消防加压泵站，3台22kw水泵作为生活用水加压泵站，1台7.5kw水泵作为夜间补压小泵; 此外，系统中还包括2台潜污泵分别作为池内和泵房污水排放使用。同时，为了保障池内水质，需要定期进行消毒。经过测算，在早、中、晚三个用水高峰时段，3台生活水泵一般需要工作在“一台变频一台工频”的状态，在其它日间时段基本处于“一变”的状态，而在深夜仅小泵变频工作即可满足用水压力要求。因此，电气系统需要按照上述需求进行设计。
2 系统的设计特点
使用变频器进行水泵电机调速,能有效减小电机能耗，实现水泵软启、软停。在多泵系统中，变频器配以plc(可编程控制器)通过程序和硬件电路配合可以实现水泵的循环软启动、自动增减泵、小流量自动切换、定时倒泵等功能。并能实现故障诊断、热备保护，完全实现无人值守，具有较高的经济及使用价值。由于水泵能耗与其转速的立方成正比，所以节能效果显著。根据计算和实测，系统在投入运行后18个月左右即可收回成本。
作为高校，供水系统的时间性特点非常明显，在高峰时必须保证供水压力和流量，此时3台大泵需要在“一台变频一台工频”的状态下工作，其余1台处于备用状态;而在用水量偏低的情况下，仅1台大泵处于变频工作状态即可，其余2台大泵都处于停止待机状态;因此，系统必须具有根据用水量自动增减泵的功能。同时，在夜间由于用水量极少，仅打开小泵即可满足要求，因此系统还需要具有根据用水量减少自动关闭大泵的所谓“夜间睡眠”功能，以及根据用水量增加自动开启大泵的所谓“自动唤醒”等功能。生活用水系统的电气主回路原理图如图1所示，在设计中变频器选用abb公司生产的acs-400-30型变频器，其性能价格比高、可靠耐用，含有内置pid调节器和可编程输出点，经过检测管网压力信号和设定压力信号进行比较计算，可以通过编程实现前述自动增减泵以及夜间小泵等功能，特别适宜应用于本系统。传感器选用xtz-150型0~1.0mpa的远传压力表，该压力表既可显示管网压力，同时将压力变化变成相应的电阻值变化作为管网压力反馈信号。液位控制显示装置选用xtm型数字液位显示控制器，液位显示精度为四位led数码显示，且具有可编程的液位过高、过低报警继电器输出点，可以满足系统的液位控制要求。plc选用日本三菱公司生产的fx1n-24mr型，为继电器输出型，利用它来实现系统的时间原则自动倒泵、循环变频、定时消毒、按液位开启排污泵以及消防控制等功能。按照系统的管理要求，电气系统设计了手动、自动、循环倒泵三种工作方式。在自动方式下又包含1#变频，2#变频和3#变频三种方式。控制系统的部分原理图如图2所示。系统的具体功能介绍如下:
图1 系统主回路原理图
图2 控制系统原理图
2.1 手动工作方式
将万能转换开关lw1置于“手动”位置时, plc不得电，3台大泵及1台小泵为一对一控制方式。此时，plc不工作，大泵电机采用自耦变压器降压启动方式，系统控制过程由中间继电器、时间继电器等实现。此种工作方式主要用于电气系统检修或plc故障的情况下，保证系统的基本供水功能稳定工作。
2.2 自动工作方式
将万能转换开关lw1置于“自动”位置时，plc带电工作。用户可以根据需要将选择开关lw2置于“倒泵、1#变频、2#变频、3#变频”中的任一位置，即可实现相应水泵变频运行状态。当用水量增加，1台水泵供水量不够时，系统由变频器发出增泵信号给plc的输入点x5，plc经过延时判别程序，判别系统真正需要增泵后，启动自耦减压电路投入1台大泵，满足供水压力要求。如用水量进一步增加，最终可增至1台变频及2台大泵工频运行。用水量减小时，按增泵相反的顺序依次减泵。当用水量很小时，如夜间，系统自动控制只由小泵变频运行，以最大限度地减小能耗。采用分别设置1#变频，2#变频，3#变频方式可使3台大泵中的1#，2#，3#泵中任何一个成为固定变频泵，其余为工频泵。这样的设计充分考虑到大泵的磨损以及效率的一致，保证系统的运行状态最优化，这是系统设计的特点之一。
2.3 倒泵工作方式
将万能转换开关置于“倒泵”位置时，变频泵的选择将按照1#泵-2#泵-3#泵-1#泵…的设定顺序定时循环倒泵，定时时间可通过plc进行调整。该方式可以防止系统长期在“一变一定”工作状态下，某台水泵长期不用情况下发生锈死等机械故障。与前述设定某台水泵为变频方式不同，在倒泵情况下，由plc按照时间原则自动进行切换，而且此方式下仍可按顺序实现增减泵，实现了系统的完全自动化。
3 系统的其它功能及特点
作为中心泵站其消防功能的设计是必不可少的，考虑到消防泵的启动不是十分频繁，因此系统设计采用自耦减压启动方式，除去手动启动外，还设置了与消防报警系统的联动功能，在自动状态下，通过消防系统的远程联动无源触点控制消防泵的启动。同时，监测管网压力，增减生活泵，防止暴管故障。
为了净化水质防止二次污染，系统采用了自动投氯装置，由plc控制定时开启消毒装置。同时，采用静电离子净水装置对池内储水进行24h不间断处理，有效的保证了系统的供水质量。
整个电气系统的保护是必不可少的，变频器本身具有短路、过载、失压、缺相、漏电等多种保护功能，并具有完备的故障记录供查阅。当变频器发生故障时能立即发出声光报警并输出无源信号给plc，plc输出相应的保护动作。为防止plc发出增泵信号后,由于线圈烧损、接触不良等原因，使自耦变压器长期投入而被烧毁，将线路接触器常开触点km31，km41，km51接入plc作为反馈。当plc发出增泵信号延时一段时间后，如此常开点未闭合即可故障报警并切除自耦变压器，防止烧毁。xtm型液位控制显示仪由投入式扩散硅压力传感器检测蓄水池池底水压，此微弱信号传给变送器经变送器变为4~20ma信号，再传给显示仪，实时显示液位(精度±0.001m)。当液位过低时，显示器还可发出继电器触点信号给plc，实现运行工频泵停机、变频泵软停等。当管网来水后液位超过一定水位时，系统自动恢复投入恒压变频运行。
4 结束语
该系统已经连续运行一年以上，实践证明系统运行稳定可靠，实现了真正意义上无人职守的全自动循环倒泵、变频运行;经过实际测算，节省电能达到了预期的设计目的。特别是系统轮流变频、依次为主的设计思想，保证了各台水泵运行效率的最优和设备的稳定运转，得到了水工专业技术人员的肯定。综上所述，该种设计方案是一种针对人群密集的大型公共社区如高校、居民小区等处的性能价格比较高的优选方案。
参考文献
[1] 王硕禾，高 蒙，张福生. 中小型水厂自动化技术改造初探. 给水排水,1999(12):75-78
[2] 杨兴瑶. 电动机调速的原理及系统. 北京:水利电力出版社,1995:55-57
[3] 张燕宾. spwm变频调速应用技术. 北京:机械工业出版社,1997: 96
[4] abb acs 501变频器用户手册. abb电气传动系统有限公司
作者简介
王硕禾 男 副教授/工学硕士 现任教于石家庄铁道学院电气分院，主要从事计算机控制技术，自动化控制系统设计等工作。
本文关键字：恒压供水 设计参考，变频技术 - 设计参考
