王春水

（深圳招商建筑科技有限公司）

【關(guān)鍵字】無(wú)負(fù)壓；二次供水；技術(shù)節(jié)能；PID 調(diào)節(jié)；變頻技術(shù)

1 引言

中國(guó)采用的樓宇給水增壓系統(tǒng)大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：

1）采用“儲(chǔ)水池+水泵+高位水箱”的方法

市政來(lái)水進(jìn)入儲(chǔ)水池，然后由水泵加壓后送至高位水箱，由高位水箱向用戶(hù)供水，蓄水池起到高峰用水時(shí)調(diào)節(jié)作用；缺點(diǎn)是設(shè)備布置分散，多個(gè)水池，占用面積大，管理不便;水泵設(shè)在樓層，對(duì)防震、隔噪音要求高;低區(qū)供水受到高區(qū)使用情況的限制，供水可靠性差，難避免二次污染等。

2）采用“儲(chǔ)水池+恒壓變頻供水系統(tǒng)”的方法

設(shè)定了系統(tǒng)的供水壓力后，在控制的作用下，水泵的轉(zhuǎn)速和投入運(yùn)行的水泵數(shù)量隨供水量的變化而改變，輸出壓力的恒定，一定程度上節(jié)省了電耗。缺點(diǎn)是設(shè)備占地面積大，水泵效率低，能耗高；水泵運(yùn)行噪音大，共振噪音引起低層業(yè)主投訴，水池需要定期清洗才能避免二次污染等問(wèn)題。

3）管網(wǎng)疊壓（無(wú)負(fù)壓）的方法

設(shè)備直接連接在市政來(lái)水管網(wǎng)上，不需要修儲(chǔ)水池，充分利用了市政來(lái)水管網(wǎng)的壓力，設(shè)備具有高效節(jié)能、環(huán)保無(wú)二次污染、自動(dòng)化程度高、易維修等特性，逐步成為現(xiàn)代建筑的理性的供水方式。

本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度介紹在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行無(wú)負(fù)壓改造，深挖節(jié)能空間達(dá)到增效降本的方法。

2 無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)

1）二次供水系統(tǒng)改造圖（見(jiàn)圖1）

2）二次供水系統(tǒng)設(shè)備選擇

本系統(tǒng)采用南方泵業(yè)SJ 系列不銹鋼多級(jí)深井潛水泵組，不銹鋼葉輪間隙小效率高（79%）、壽命長(zhǎng)，通過(guò)水冷方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻，噪音小，立式安裝，占地面積小。借助原有的穩(wěn)壓罐，安全閥等裝置，節(jié)省了成本。

3 深度節(jié)能設(shè)計(jì)和智能化運(yùn)行

3.1 運(yùn)行工況分析

根據(jù)供水系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行工況，對(duì)控制程序進(jìn)行分時(shí)段恒壓控制，一天劃分2 個(gè)用水高峰期，2 個(gè)用水低峰期4個(gè)時(shí)間段，低峰期基本無(wú)用水，僅需要維持一定的壓力，壓力可以比原有系統(tǒng)壓力低0.4 kg ～0.6 kg，高峰期用水量大，需要設(shè)定壓力與原有系統(tǒng)設(shè)定壓力一致（見(jiàn)表1）。

默認(rèn)供水方式為市政供水，市政壓力為2.5kg ～5kg，水泵僅需要在現(xiàn)有市政壓力的基礎(chǔ)上疊壓很少功就能達(dá)到供水壓力。在市政停水或市政壓力小于2kg 的情況下，通過(guò)檢測(cè)市政壓力自動(dòng)切換到水池供水方式，確保不對(duì)市政給水管道產(chǎn)生負(fù)壓影響。

表1 供水壓力對(duì)比表

圖2 系統(tǒng)原理圖

壓力超限冗余保護(hù)設(shè)計(jì)，一般是設(shè)定壓力值的基礎(chǔ)上增加2kg 作為軟壓力高限值；另外電接點(diǎn)壓力表提供硬件極限壓力保護(hù)，在壓力表指示的壓力基礎(chǔ)上增加2kg，任意一種條件滿(mǎn)足，新系統(tǒng)報(bào)警停機(jī)并自動(dòng)切換到原有系統(tǒng)運(yùn)行。

新舊系統(tǒng)互為備用，為保證原有水泵能正常工作，保證水池水質(zhì)，增加定時(shí)啟動(dòng)原有水泵抽水同時(shí)讓水池定時(shí)補(bǔ)充流動(dòng)水。

3.2 硬件配置

根據(jù)以上對(duì)運(yùn)行工況和需求分析，需要的主要設(shè)備包括：

1）主要設(shè)備清單

2）電氣系統(tǒng)圖

其中PLC 與變頻器通訊僅讀取數(shù)據(jù)（9600，n，8，1），變頻器啟停通過(guò)PLC輸出（DO），頻率給定通過(guò)PLC 模擬量輸出（AO）控制。

3）PLC 地址分配表

3.3 控制程序設(shè)計(jì)思路

①手動(dòng)/ 自動(dòng)運(yùn)行：手動(dòng)定頻運(yùn)行，輸入頻率范圍限定30-42HZ；自動(dòng)運(yùn)行采用PID 恒壓控制，頻率調(diào)節(jié)范圍0-50HZ。

②壓力采集和標(biāo)定功能塊：把采集的數(shù)字量（0-32000）轉(zhuǎn)換成0-16 公斤壓力（標(biāo)定函數(shù)Y=2000X+B，B 為偏差值），遠(yuǎn)傳壓力表采集壓力與現(xiàn)場(chǎng)壓力表顯示壓力存在誤差，需要校正才能作為控制點(diǎn)使用。

③系統(tǒng)時(shí)鐘校正功能塊：讀取PLC時(shí)鐘，設(shè)置PLC 時(shí)鐘。

④供水壓力與時(shí)段處理功能塊：因每天運(yùn)行時(shí)段都一樣，僅需要把當(dāng)前時(shí)間轉(zhuǎn)化成分鐘（Y=60A+B，A 為小時(shí)，B為分鐘，1440 分鐘/天），若輸出時(shí)段不連續(xù)，控制壓力為上一個(gè)輸出時(shí)段的壓力。

（2）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開(kāi)放。即學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室所做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是隨意的。學(xué)生除了完成基本的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，經(jīng)指導(dǎo)教師審核同意，可以自由做實(shí)驗(yàn)。包括：計(jì)劃規(guī)定內(nèi)容的補(bǔ)充，進(jìn)一步完善課堂實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，儀器設(shè)備的使用練習(xí)，自己的小發(fā)明、小設(shè)計(jì)以及小家電的維修等。學(xué)校設(shè)置的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)、專(zhuān)業(yè)實(shí)習(xí)等教學(xué)內(nèi)容也可以在開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室完成。

⑤PID 恒壓控制：利用PLC 內(nèi)部的PID 功能，對(duì)不同時(shí)段的設(shè)定壓力進(jìn)行恒壓調(diào)頻控制，壓力采集和標(biāo)定模塊中標(biāo)定后的壓力作為反饋壓力。

⑥新舊系統(tǒng)切換：定時(shí)自動(dòng)切換到原有系統(tǒng)運(yùn)行，運(yùn)行設(shè)定時(shí)間自動(dòng)切換到新系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。處理思路與供水壓力與時(shí)段模塊處理一樣。

變頻器通訊功能塊：通過(guò)MODBUS RTU 協(xié)議讀取變頻器運(yùn)行數(shù)據(jù)并在人機(jī)界面呈現(xiàn)，方便觀(guān)察運(yùn)行情況。

序號(hào) 名稱(chēng) 信號(hào)類(lèi)型 數(shù)據(jù)范圍 PLC 地址1 高區(qū)新/舊切換 DI 數(shù)字量輸入 I 0.0 2 中區(qū)新/舊切換 DI 數(shù)字量輸入 I 0.1 3 低區(qū)新/舊切換 DI 數(shù)字量輸入 I 0.2 4 高區(qū)變頻器故障 DI 數(shù)字量輸入 I 0.3 5 中區(qū)變頻器故障 DI 數(shù)字量輸入 I 0.4 6 低區(qū)變頻器故障 DI 數(shù)字量輸入 I 0.5 7市政壓力低限 DI 數(shù)字量輸入 I 0.6 8高區(qū)壓力高限 DI 數(shù)字量輸入 I 0.7 9中區(qū)壓力高限 DI 數(shù)字量輸入 I 1.0 10 低區(qū)壓力高限 DI 數(shù)字量輸入 I 1.1 11 備用 DI 數(shù)字量輸入 I 1.2備用 DI 數(shù)字量輸入 I 1.3高區(qū)啟/停 DO 數(shù)字量輸出 Q 0.0中區(qū)啟/停 DO 數(shù)字量輸出 Q 0.1低區(qū)啟/停 DO 數(shù)字量輸出 Q 0.2備用 DO 數(shù)字量輸出 Q 0.3高區(qū)新/舊系統(tǒng)切換 DO 數(shù)字量輸出 Q 0.4中區(qū)新/舊系統(tǒng)切換 DO 數(shù)字量輸出 Q 0.5低區(qū)新/舊系統(tǒng)切換 DO 數(shù)字量輸出 Q 0.6電柜風(fēng)機(jī) DO 數(shù)字量輸出 Q 0.7高區(qū)壓力 第1 路AI(0-10V) 0～32000 AIW0中區(qū)壓力 第2 路AI(0-10V) 0～32000 AIW2低區(qū)壓力 第3 路AI(0-10V) 0～32000 AIW4市政壓力 第4 路AI(0-10V) 0～32000 AIW6高區(qū)變頻器AO 第1 路AO(0-10V) 0～32000 AQW0中區(qū)變頻器AO 第2 路AO(0-10V) 0～32000 AQW2低區(qū)變頻器AO 第3 路AO(0-10V) 0～32000 AQW4

⑦安全保護(hù)功能：變頻器故障或壓力超限時(shí)停機(jī)切換到原有系統(tǒng)，市政壓力低限2Kg 時(shí)關(guān)閉市政電動(dòng)閥打開(kāi)水池電動(dòng)閥。

3.4 人機(jī)界面設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖3）

主要包含封面，控制畫(huà)面，運(yùn)行參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)等頁(yè)面。

封面包括各區(qū)壓力值顯示，水泵狀態(tài)顯示，日期/時(shí)間，以及菜單（點(diǎn)擊相關(guān)菜單條進(jìn)入相關(guān)頁(yè)面）。

1）控制畫(huà)面

①水泵控制

手動(dòng)模式：模式顯示手動(dòng)，按啟動(dòng)按鈕，按輸入的手動(dòng)給定頻率運(yùn)行；

自動(dòng)模式：模式顯示自動(dòng)，任何按鈕不按的情況下，按各區(qū)分時(shí)段設(shè)定的不同壓力PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率控制(默認(rèn)模式)。

②數(shù)據(jù)顯示

當(dāng)前頻率：變頻器運(yùn)行頻率；電機(jī)轉(zhuǎn)速：電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速；輸出電壓：變頻器輸出電壓；輸出電流：變頻器輸出電流；輸出轉(zhuǎn)矩：變頻器輸出轉(zhuǎn)矩。

2）運(yùn)行參數(shù)

按24 小時(shí)制分時(shí)段，根據(jù)高峰，低谷時(shí)段各區(qū)設(shè)定不同的供水壓力，時(shí)間段、設(shè)定壓力值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況修改。

當(dāng)PLC 系統(tǒng)時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘不符時(shí)，可以校正系統(tǒng)時(shí)間。

校時(shí)：輸入年月日時(shí)分秒，按校時(shí)按鈕，PLC 內(nèi)部時(shí)鐘被修改成設(shè)定值。

保存參數(shù)：輸入的所有參數(shù)被保存到PLC 掉電保持區(qū)域。

3）系統(tǒng)參數(shù)（在調(diào)試時(shí)已設(shè)置好，此頁(yè)面嚴(yán)禁修改）

該頁(yè)面主要設(shè)定底層控制參數(shù)，PID參數(shù)和模擬量標(biāo)定。

4）PID 參數(shù)

P：比例(1.4)

I:積分時(shí)間（單位：分鐘，0.1 分鐘）

D:微分時(shí)間（單位：分鐘，0.0 分鐘）

5）模擬量壓力標(biāo)定

采集值：實(shí)時(shí)采集的裸數(shù)據(jù)

偏移值：與壓力表顯示值的誤差

校正值：控制壓力值的顯示值

圖3 供水能效控制系統(tǒng)面板示意圖

圖4 控制畫(huà)面面板示意圖

圖5 系統(tǒng)參數(shù)面板示意圖

6）原系統(tǒng)定時(shí)設(shè)置

設(shè)置每周切換老系統(tǒng)的時(shí)間

起始時(shí)間：?jiǎn)?dòng)老系統(tǒng)的時(shí)間

結(jié)束時(shí)間：停止老系統(tǒng)的時(shí)間

起始星期：從星期幾開(kāi)始，根據(jù)具體的泵臺(tái)數(shù)確定。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)大量項(xiàng)目改造應(yīng)用，成本低，節(jié)電率60%以上。解決了常規(guī)恒壓供水的弊端的同時(shí)，提高了設(shè)備智能化水平，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行和無(wú)人值守，有利于降低能耗，同時(shí)減少人力成本。

本系統(tǒng)適用于改造的住宅樓、住宅小區(qū)、辦公樓、賓館、飯館、學(xué)校、部隊(duì)、機(jī)關(guān)、集體宿舍等用水比較密集場(chǎng)合。工廠(chǎng)、加壓泵站、開(kāi)發(fā)區(qū)等大流量供水需要二次加壓供水的場(chǎng)所。