何展鴻

（深圳市水務科技有限公司，廣東深圳 518000）

二次供水系統(tǒng)在以往很長時期內(nèi)，都是由人工24h 進行監(jiān)控管理的，但隨著近年我國信息技術飛速發(fā)展，電氣自動化系統(tǒng)在二次供水系統(tǒng)中的應用也得到不斷普及和提升，這就使得二次供水系統(tǒng)實現(xiàn)了標準化電氣自動化控制。

1 二次供水設備概述

二次供水是指在城市中的5層以上的高層樓房中，通過設置高低位水箱、水池、水塔等方式，在其中增設水泵，通過變頻控制將自來水送達指定高度的供水設施。二次供水是城市供水系統(tǒng)中的重要組成，是在有需要的地方通過對自來水進行二次加壓的形式來達到供水高度的供水方式。

二次供水設備電氣自動化一般是通過水箱恒壓變頻的方式，由變頻泵將自來水輸送到用戶，水箱通過蓄水調(diào)節(jié)功能，和自動補水裝置，根據(jù)自來水蓄水量多少和用水量的多少進行水箱補水。當用戶用水量大時，水箱的補水頻率較高，反之水箱的補水頻率則會降低。

二次供水設備電氣自動化控制系統(tǒng)一般由兩部分組成，包括PLC 控制部分和各個區(qū)的變頻供水部分。PLC 控制部分功能是對整個泵房控制系統(tǒng)進行自動化管理與協(xié)調(diào)，對各個區(qū)的泵組進行變頻控制，通過變頻控制柜對下位數(shù)據(jù)進行收集，并將上位系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁鱾€泵組實現(xiàn)自動化控制。而各個區(qū)的變頻控制柜則負責對本區(qū)內(nèi)用戶提供恒壓供水控制，并生成下位數(shù)據(jù)傳輸至PLC 控制部分。

2 二次供水設備電氣自動化的優(yōu)點與特征

2.1 二次供水設備電氣自動化的優(yōu)點

二次供水設備電氣自動化的優(yōu)點有：①采用恒壓變頻供水設備使得整個建筑物內(nèi)的供水保持壓力恒定，避免使用屋頂水箱造成水質(zhì)污染；②取代傳統(tǒng)的屋頂水箱供水方式，消除了水污染的源頭，減小建筑成本，增大建筑空間使用面積；③取消傳統(tǒng)的屋頂水箱，使建筑受力減小，結(jié)構(gòu)簡單，成本降低，節(jié)約電能，更好地節(jié)約空間，縮小占地面積；④比一般供水設備節(jié)電30%以上，該設備占地面積小，安裝簡單，縮短施工工期，保障施工效率；⑤能夠有效解決低水壓問題，實現(xiàn)二次供水效果的優(yōu)化。

2.2 二次供水設備電氣自動化的特征

（1）高效節(jié)能。二次供水設備電氣自動化控制能夠根據(jù)用戶的實際用水量和使用壓力進行自動檢測，并判斷用戶用水量高低，自動調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對供水量的自動化控制。當用水量處于高峰時，能夠自動加速電動機轉(zhuǎn)速，滿足用戶用水需求，反之當用水量較低時，則會對電動機進行減速，節(jié)約電能。

（2）適應各種作業(yè)環(huán)境。二次供水設備電氣自動化控制由于脫離了人為操作控制，使得許多處于惡劣環(huán)境的二次供水設備能夠得到有效控制。在許多關鍵環(huán)節(jié)能夠通過功能模塊，實現(xiàn)對水泵的自動化控制。同時還能夠保障穩(wěn)定和較高工作效率，提高用戶的用水穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）系統(tǒng)自動保護功能。二次供水設備電氣自動化系統(tǒng)具有自動保護功能，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性進一步提升。PLC 自動化控制系統(tǒng)作為核心架構(gòu)，由自動化控制的各種代碼實現(xiàn)對各種傳感器及設備的控制，實時數(shù)據(jù)采集能夠最大化保障數(shù)據(jù)分析的效率和邏輯分析，實現(xiàn)高效自動控制的效果。在一系列自動化控制功能中，也包括對系統(tǒng)自身的保護功能，根據(jù)預設參數(shù)條件，當運行環(huán)境超出預設參數(shù)條件范圍之外時，就會啟動自我保護機制，根據(jù)具體的參數(shù)變化做出相應的反應，有效保障系統(tǒng)穩(wěn)定和安全，并對相關數(shù)據(jù)進行迅速反饋。

3 標準化二次供水及其電氣自動化系統(tǒng)的應用

3.1 保障城市用水的穩(wěn)定

在城市用水穩(wěn)定性提升方面，標準化二次供水設備電氣自動化運用得到了不斷的普及和發(fā)展，以深圳市水務集團羅湖分公司的羅湖龍園山莊標準化泵房改造項目為例，通過泵房二次供水系統(tǒng)的標準化改造，實現(xiàn)了城市用水的穩(wěn)定性提升。

深圳市水務科技有限公司承建龍園山莊泵房標準化改造項目，2018年7—8月完成泵房內(nèi)改造及水箱內(nèi)襯制作，9月底泵房投入使用，年底完成泵房周邊環(huán)境升級改造；2019年2月，完成水箱周邊環(huán)境升級改造，2019年5月，經(jīng)過近10個月的努力，龍園山莊泵房標準化改造工作完成。改造后的龍園山莊泵房采用水池+變頻水泵自動控制供水，實現(xiàn)了標準化二次供水系統(tǒng)的智慧化、安全化、規(guī)范化，使龍園山莊小區(qū)供水服務實現(xiàn)安全性、穩(wěn)定性的綜合提升，為周邊3232戶用戶提供了更優(yōu)質(zhì)的供水服務。

在智慧化升級上，自動化控制系統(tǒng)采用VPN 專網(wǎng)通訊方式，泵房機組各種運行數(shù)據(jù)實現(xiàn)了與二次供水管理平臺的實時傳輸，同時安全警報配置功能的增加，也提升了系統(tǒng)的監(jiān)控準確性和實時性。

在安全化升級上，將原有的3臺變頻泵升級為4臺，實施三用一備，運用一拖一變頻控制，充分提升了用戶用水的可靠性與穩(wěn)定性。泵房內(nèi)還增加了許多安全化設計，如抗腐材質(zhì)的升級，水質(zhì)監(jiān)測儀表的24 h 在線監(jiān)測，水箱內(nèi)部的自潔功能等，全面提升了用水安全性。

在規(guī)范化升級上，改裝隔音棉吸音內(nèi)襯，加裝空調(diào)、除濕器等，使泵房內(nèi)環(huán)境得到極大改善，設備運行環(huán)境通風良好、溫度恒定，實現(xiàn)了泵房的規(guī)范化升級。

定義10 理想制造能力(MCI)指在企業(yè)一般的生產(chǎn)資料基礎上，沒有生產(chǎn)性約束條件下，所能達到的最大制造能力水平。

3.2 保障商業(yè)用水

除了城市居民用水系統(tǒng)改造之外，商業(yè)用水的標準化二次供水系統(tǒng)應用改造升級也得到了不斷普及。在商業(yè)用水的保障上，通過信息化水平提升。首先，結(jié)合商業(yè)區(qū)域人員較多的問題，增加人臉識別模塊，只有被系統(tǒng)標記且識別出來的員工才能進入泵房進行操作，使得泵房的控制安全性明顯提升。其次，增加電子屏幕實時監(jiān)控，監(jiān)控畫面保持與遠程監(jiān)控終端的實時連接，對整個二次供水系統(tǒng)進行全面有效的監(jiān)控，在自動化控制的同時，實現(xiàn)安全性保障。另外，在商業(yè)用水的二次供水系統(tǒng)標準化升級改造項目中，還有的項目加入紫外線消毒器，提高了商業(yè)用水的水質(zhì)保障。

3.3 保障基礎工業(yè)用水

基礎工業(yè)用水的二次供水標準化改造上，本著經(jīng)濟性的原則，以現(xiàn)有泵房設施為基礎，最大限度地減少投資，盡量在利用原有泵房設施基礎上實現(xiàn)項目的改造升級。一般情況下，工業(yè)用水的二次供水系統(tǒng)運行穩(wěn)定性較好，設備功能較為完善，因此在工業(yè)用水的二次供水系統(tǒng)改造上，大多不需要對現(xiàn)有設備進行大規(guī)模更換。但由于原有系統(tǒng)的自動控制功能較弱，因此需要有針對性地增加遠程監(jiān)控及控制功能相關設備，以提升系統(tǒng)的自動化控制效果：①最主要的就是要增加智能二次供水監(jiān)測箱，通過人機交互功能的接入，實現(xiàn)對泵房機組的監(jiān)測控制；②根據(jù)工業(yè)用水需求，選擇相應的監(jiān)測系統(tǒng)，如水質(zhì)監(jiān)測、視頻安防、能耗監(jiān)測、流量監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等，這些監(jiān)測系統(tǒng)的增加，能夠有效提升原有泵房機組的全面監(jiān)測效果，為自動化控制提升必要的保障。對各種監(jiān)測功能的需求，是工業(yè)基礎用水項目與城市用水的最大差別，因此水質(zhì)監(jiān)測、視頻安防、能耗監(jiān)測、流量監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等監(jiān)測系統(tǒng)的改造升級，是工業(yè)用水泵房標準化升級改造的重點任務。

3.4 舊電氣設備的升級改造

在二次供水設備自動化升級改造中，有一部分情況是舊的電氣設備功能落后、設備老化，升級需求明顯。針對這種情況，直接進行電氣設備升級是其改造的主要方式。舊電氣設備的自動化升級改造，包括整套的電氣自動化控制系統(tǒng)，包括遠程監(jiān)控平臺、手機App、智能二次供水控制柜、人機交互模塊、監(jiān)測系統(tǒng)等。對舊電氣設備的升級改造，首先要升級遠程監(jiān)控平臺，通過遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)，對智能二次供水控制柜進行數(shù)據(jù)收集，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析之后，做出控制決策，生成控制指令傳達到智能二次供水控制柜，實現(xiàn)遠程監(jiān)測平臺對二次供水系統(tǒng)的實時控制。

舊電氣設備的升級改造是針對各種老舊住宅小區(qū)、賓館、醫(yī)院、學校、企業(yè)、商業(yè)綜合體等的二次供水泵房進行的升級和改造。由于升級改造的任務較重，因此需要將改造項目分兩部分進行，一部分是監(jiān)控中心的改造升級，另一部分是二次供水泵房的現(xiàn)場改造。

3.5 控制系統(tǒng)的設計及應用

3.5.1 PLC控制系統(tǒng)的設計

（1）水箱控制的設計。當市政總管供水壓力低于設定值時，需要自動開啟水箱供水方式，應當設置自動切換水箱控制功能，根據(jù)市政總管供水壓力標準進行設定；當水箱水位水平達到最低限度值時，需要自動停止泵房機組的工作狀態(tài)，將相應的機組工作數(shù)據(jù)上傳至控制中心。水箱控制功能實現(xiàn)，首先由進水管中的壓力傳感器需要對供水壓力進行監(jiān)測，當供水壓力超過設定值時，接通進水管中的電動控制閥，實施關閉進水控制。另外，水箱控制中還應包括定時換水功能模塊，功能設計為每24 h 更換一次，這樣能夠為水箱中的水質(zhì)提供有效保障。

（2）PLC 柜控制的設計。PLC 柜是標準化二次供水設備電氣自動化控制實現(xiàn)的最核心控制模塊，實現(xiàn)軟件和硬件的有效連接。PLC 柜首先對泵房機組各個設備進行遠程的開關控制，其次，對各個機組設備運行數(shù)據(jù)進行實時采集和傳輸，通過與智能控制中心的實時交互，實現(xiàn)整個泵房的自動化控制。為滿足二次供水設備自動化控制要求，采用西門子1200系列PLC 系統(tǒng)進行控制。PLC 柜控制主要包括五個控制功能，潛污泵、水箱電動閥、消毒設備、無水保護、顯示功能。

①潛污泵控制功能。包括對潛污泵運行數(shù)據(jù)的監(jiān)測收集，對系統(tǒng)液位監(jiān)測報警，手動控制功能。其中運行數(shù)據(jù)監(jiān)測收集涉及的運行數(shù)據(jù)有：潛污泵運行狀態(tài)、停止狀態(tài)、故障狀態(tài)、本地運行數(shù)據(jù)、自動信息等，通過對這些信息的監(jiān)測收集，根據(jù)相應的數(shù)據(jù)指標及對應程序，實現(xiàn)對潛污泵的控制。對系統(tǒng)液位的監(jiān)測報警是在系統(tǒng)液位高于限定標準時，對潛污泵實施啟動控制，反之則關閉。手動控制功能主要有手動控制開關。

②水箱電動閥控制功能。水箱電動閥控制功能包括兩部分，一是手動模式下的控制，二是自動模式下的控制。手動模式下，對水箱的進水和直供水電動閥進行手動操作控制開關；自動模式下，根據(jù)系統(tǒng)設定，水箱自動完成進水和直供水的切換。

③消毒設備控制功能。包括對消毒設備進行自動控制和手動控制啟停兩部分。自動控制模式下需要根據(jù)對水質(zhì)的監(jiān)測設置標準，匹配相對應的消毒氯值，同時設定一個限度范圍，保障消毒設備自動控制的實現(xiàn)；手動控制模式下，則由控制面板進行手動操作，控制消毒設備的啟停及氯值。

④無水保護功能。在換水狀態(tài)下，無水保護功能處于關閉狀態(tài)，不啟動無水保護；根據(jù)進水壓力感應器感應結(jié)果，當進水壓力低于設定標準時，則自動啟動無水保護。

⑤顯示功能。PLC 柜控制面板應當顯示水箱的各種相關數(shù)據(jù)，包括水箱液位、進水流量、進水壓力、消毒設備余氯值、水質(zhì)數(shù)據(jù)、電動閥開關狀態(tài)等，以上各種相關數(shù)據(jù)通過連接各個部位的傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時同步。另外，根據(jù)各個數(shù)據(jù)的設定值，當某個數(shù)據(jù)不在設置值范圍時，則表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要能夠在PLC 柜控制面板上顯示故障數(shù)據(jù)及故障分析結(jié)果。

（3）變頻柜控制的設計。變頻柜控制功能包括手動狀態(tài)、自動狀態(tài)、保護功能3種。

①手動狀態(tài)。手動狀態(tài)下控制每一臺泵組需要通過手動操作變頻柜實現(xiàn)，首先，操作啟動按鈕，進行上限壓力設置，保障泵組運行在正常范圍內(nèi)；其次，可選擇恒定頻率，使泵組以恒定狀態(tài)運行。手動狀態(tài)下的關閉，直接由控制面板的停止按鈕控制。

②自動狀態(tài)。自動狀態(tài)下的變頻柜控制功能實現(xiàn)，首先需要設定運行壓力，由PLC 系統(tǒng)對運行的各項參數(shù)條件進行讀取和分析，以判斷當前設備運行狀態(tài)是否滿足自動運行要求。自動狀態(tài)下，PLC 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析內(nèi)容主要有：第一，變頻器故障檢測，通過對變頻器功能進行分析判斷是否存在故障；第二，直供水管道壓力，通過直供水管壓力傳感器讀取壓力數(shù)據(jù)，以0.2 MPa 持續(xù)10 s 以上為正常壓力狀態(tài)，PLC判斷為直供水管道壓力正常，啟動自動供水狀態(tài)；以0.1 MPa 持續(xù)10 s 以上為無水狀態(tài)，PLC 判斷為直供水管道壓力異常，判斷結(jié)果為系統(tǒng)無水，啟動無水保護，各個泵組關閉；第三，對設定壓力與反饋值進行比較，當系統(tǒng)反饋壓力低于PLC 設定壓力時，PLC系統(tǒng)判斷為自動啟動，結(jié)合變頻柜故障分析結(jié)果，最終做出啟動操作，當系統(tǒng)反饋壓力處于PLC 設定壓力標準時，PLC 系統(tǒng)判斷為自動關閉，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。

③保護功能。自動保護功能能夠有效保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，在出現(xiàn)影響安全運行的狀態(tài)時，及時進行系統(tǒng)啟停控制，保障安全運行狀態(tài)。包括無水保護、爆管檢測和壓力保護3種。無水保護功能的實現(xiàn)見上述分析。爆管檢測功能的實現(xiàn)需要系統(tǒng)對泵組運行狀態(tài)頻率進行實時監(jiān)測，分為兩種情況：一種是滿頻運行持續(xù)時間，系統(tǒng)設定中，兩臺泵組的滿頻運行狀態(tài)持續(xù)30 s 以上則判斷為爆管，系統(tǒng)自動停止運行；另一種是管道瞬時壓力，當管道瞬時壓力小于系統(tǒng)設定的標準范圍，同時瞬時流量大于系統(tǒng)設定標準范圍的情況下，系統(tǒng)也判斷為爆管，系統(tǒng)自動停止運行。壓力保護功能主要是對壓力上下限進行監(jiān)測，當壓力超過或低于標準設定值范圍時，且持續(xù)時間超過5 s時，則系統(tǒng)自動啟動壓力保護，當壓力回歸正常的標準設定值范圍時且持續(xù)5 s 以上時，系統(tǒng)自動啟動正常運行。

3.5.2 控制系統(tǒng)的應用

優(yōu)化設計升級的自動化控制系統(tǒng)在應用中能夠獲得明顯的效果，系統(tǒng)的自動化控制實現(xiàn)了二次供水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的功能升級。以深圳市水務科技有限公司承建的深圳市水務集團福田分公司的景蜜村泵房標準化改造項目為例，通過標準化二次供水設備電氣自動化控制系統(tǒng)的升級改造，實現(xiàn)了景蜜村泵房達到了“現(xiàn)場泵房無人值守，控制中心全面掌控”的目標。升級改造后的二次供水設備自動化控制系統(tǒng)擁有智慧化、標準化的特點，該泵房設計日供水能力為1584 m3，前期日供水量為390 m3，中期日供水量達到700 m3，為景蜜村小區(qū)周邊2000多名用戶提供了安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的供水服務。

4 結(jié)束語

為了更好地保障二次供水系統(tǒng)的用戶用水質(zhì)量，提高用水穩(wěn)定性，減少人工操作的工作強度，自動化控制系統(tǒng)的應用得到了不斷的普及和推廣，且獲得了良好的成效。為了滿足用戶不斷提升的用水要求，二次供水設備自動化控制是未來供水系統(tǒng)改革的必然方向，也帶來了極大的社會效益和經(jīng)濟效益，未來關于本課題的研究將會進一步提升和完善。