自来水加压站自动恒压供水系统

岳鹏

（山西太水市政工程有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

自来水加压站供水系统主要由变频器驱动运行，当能源故障时，能够切换到其他能源，以确保水厂能源不间断地提供。近年来，旧系统在市供水方面发挥了不可替代的作用，由于水厂建成时间较长，当时城市对供水的需求较小，旧系统工作方式是可以理解的，随着城市供水需求的快速增长，尽管已经进行了多次改造，但自动控制和恒压供水系统的设计理念仍较为落后，例如，在某些生产过程中，如果由于某种原因导致自来水供应压力不足或短时间断水，可能会影响产品质量，严重时会损坏设备，如果供水压力不足或没有供水，无法迅速扑灭火灾，从而造成重大经济损失，因此，自来水加压站自动恒压供水系统能够通过从加压站启动或停止水泵并调节放阀的开度来实现加压水的恒定供应，自动调节水压[1]。

1 系统运行方案及PLC 硬件结构

1.1 系统运行方案

自来水加压站自动恒压供水系统恒由一个泵房（5 台机组）和一个蓄水池组成，如图1 所示。一般情况下，当市政水龙头的水压高于固定压力时，采用加压泵直接供应系统，逐渐启动两台泵对管网加压，当检测到市政自来水高于总压力时，成为市政自来水的直接供水，当自来水压力有确切的负压标志时，应立即转换为泵水箱水加压，但此时应确保水池水位高于最低极限水位，采用抽水或加压抽水时，输出水总压自动调整到给定值[2]。分析原系统可以看出，变频器驱动的四台泵中有两台为45kW，从安全的角度来看是不合理的，如果发动机长时间以低于30Hz 的频率运行，发动机输出扭矩将远小于设备实际的扭矩，不利于发动机的使用寿命，因此，需要将两台45kW 发动机水泵更换为两台75kW 发动机水泵，以保证变频器的使用寿命。自来水加压站自动恒压供水系统可以将整个控制策略转化为全自动控制策略，并自动将水泵切换到相应的能量频率或变频状态，无论阀门如何工作，操作人员都可以通过控制系统解决存在的现有问题。

图1 自来水加压站自动恒压供水系统

1.2 PLC 硬件结构

考虑到目前城市只有一个供水单元的现状，在不影响供水的前提下，应对现有电源、低压配电和恒频变频自动供水系统进行现代化改造，尽可能缩短供水时间，使用自来水加压站自动恒压供水系统后将会大大提高供水设施的供水保证率，降低加工和运行成本，节约劳动力，并对运行有效管理。自来水加压站自动恒压供水系统所具备的PLC 控制室集中独立安装，可以采用以太网传输方式，提高供水运行速度和可靠性，同时，在可靠性改造过程中，应尽量减少供水系统改造和现代化给城市用水户带来的不便，以确保城市供水系统的正常运行，大大提高控制系统的性能和可靠性，避免使用过程中可能出现的缺陷，一旦发生故障，系统会根据故障等级自动报警，以便操作人员及时处理[3]。PLC 系统的可靠性体主要体现在网络系统的可靠性，能够保证了系统生产数据的可靠性和实时性，为系统的稳定运行提供了坚实的基础，且自来水加压站自动恒压供水系统中也具备声光报警系统，针对出现的问题可以及时有效地解决，工作人员能够第一时间获得相关数据信息，使操作人员及时解决设备故障，确保自动和手动系统模式处于等待状态，以最大限度地提高设备的工作效率。此外，自来水加压站自动恒压供水系统还具备先进的软件和硬件设施，采取先进实用的控制系统，为后续水厂的运行和管理提供一套先进、优秀的控制系统，系统设计不仅采用先进的理念、技术和方法，还应注意结构、设备和工具的相对成熟度，这不仅可以反映当时的先进水平，而且还可以确保未来几年现代化和技术发展的潜力。PLC 技术在应用期间也具备一定的经济性特点，可以有效维持原系统的主要控制电路和设备，包括变频器与软启动技术的使用，PLC 也保证了改造施工时原系统的运行，增加了控制回路、设备及机柜，使其相对独立运行，并经过充分论证，以最合理的设计方案选择可靠、安全的设备，满足改建水厂运行的实际需要，并应使用压力供水系统和95%的设备和机电部件的原始控制恒量。为了节省劳动力，避免不必要的资源浪费，节约改造成本，降低运营成本，起到良好的开放性和兼容性，使整个系统易于升级和扩展，控制器中预留了冗余接口，便于今后系统的扩展和发展，进一步提高生产管理自动化水平，而在安全硬件方面，两个手持读卡器（车内和停止水泵）在现有两台变频器的基础上增加，通过在现有控制面板上添加开关和按钮上的开关，以便在启动位置进行更改并停止水泵，即使自动控制系统失灵，也能够保证正常供水[4]。

2 PLC 软件设计

自来水加压站自动恒压供水系统具有多个检测点和控制量，是一个大型测控系统，根据其特点，可以选用PLC 作为控制装置，与其他可编程控制器相比，该控制器具有一些明显的优点，采用模块化设计可根据实际需要灵活安装，使用方便，PLC 恒压供水系统结构如表1 所示，该系统包括一个能源供应单元、一个CPU 单元、一个机连接单元、一个I/O 单元和一个D/D 单元，上位机采用工控机和组态软件，上位机连接单元，通过C-NET 适配器与之通信显示整个加压系统的结构、阀门和水泵的实时状态，能够随时读取水压流量、阀门开度、水池水位等参数，以及各种实时报警记录和故障[5]，根据恒压供水的运行要求，PLC 控制系统必须随时监控来自市政水龙头和供水口的水，以决定是否启动水泵，或采用直接泵送和加压方式，由于供水系统燃气管道长，管径长，阀门启闭速度慢，管网允许压力低，改造主要是在老设备的基础上进行的，可以采用扇形调整法，将水压偏差分为10%、20%、30%和40%四段，当检测到偏差时，输出控制量小，运行周期大；当偏差较大时，输出控制量大，运行周期小，可以快速减少偏差。通常来说，自来水加压站自动恒压供水系统包括PLC、变频装置、测量传感器、流量控制装置、水位监测装置、报警系统、电源控制电路等，这些部件通过自动控制技术集成，通过控制台上的按钮可以直接操作，操作人员可以根据指令进行操作控制台上的指示灯了解供水情况，其功能是通过系统中的水泵供水，通过水位监控装置和流量控制装置可调节流量，机组运行时，系统可根据传感器压力测量压力调节泵速，防止机组长时间高负荷运行，有效地控制功率，极大减少能源和水源的浪费，而在系统发生故障时，也可以立即切断系统的运行活动。由于自来水加压站自动恒压供水系统的硬件和软件系统是基于供水数据的采集、监控、管理和传输，因此，硬件系统的配置在系统设计中非常重要，在实际变频恒压水控制系统中，通常采用主从式控制该结构，由主从机控制，主机采用PC 机出口，通过一系列的进出口控制子机，具有操作方便、可视性好、性能强等优点，可通过其余的窗口软件实现与平台配合。目前，可编程控制器已经在市场上进行了调制和系统化，故供水机组可以根据实际情况进行设置，在配置过程中，用户只需确定软件的硬件配置即可在设计运行过程中，通过修改可控程序中的控制程序进行现场调整[6]。同时，自来水加压站自动恒压供水系统可在供水过程中保持压力稳定，其原理是变频调节使水管内流量恒定，通过控制器调节变频器输出，使系统水压在流量变化时能保持在一定范围。与传统供水方式相比，变频恒压系统可以实现变频恒压，在一定程度上降低机组损耗，且变频恒压供水初期投资较低，后续运行成本也较低，可以节约大量成本。

表1 PLC 软件供水控制系统部分输入与输出分配

3 结语

随着变频恒压供水技术的推广应用，城市供水系统的稳定性和效率得到了显著提高，能够降低机组的故障率和使用风险，也避免机组故障造成的城市用水问题，可以极大优化城市供水结构，显著改善传统公共群体的缺水状况。在设计系统软件时，应充分考虑信息资源的共享，注意信息的保护，针对不同的应用环境和不同的网络通信环境采取不同的措施，包括系统安全机制、数据访问权限的控制等。通常来说，供水系统是人们生活中不可缺少的重要环节，由于传统供水系统用水量的不确定性，管网水压往往不稳定，自来水加压站自动恒压供水系统不仅可以提高供水质量，降低能耗，减少二次污染，还可以确保加压站的输出压力能长期保持在设定的压力范围内。与传统的继电器控制系统相比，自来水加压站自动恒压供水系统输入压力波动过大时，整个自动控制系统能够快速响应，输出压力能够快速稳定在装配压力。该自动系统波动小，水压曲线平缓，自动化程度高，操作简单，还可以通过上级监控程序，根据系统反馈的数据，直接制定下一步生产计划，甚至修改运行方案，降低系统的维护工作量和维护成本。