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鄉(xiāng)村型智能多功能無塔供水機(jī)組的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

      隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和社會的進(jìn)步，農(nóng)民的生活日漸富裕，對生活質(zhì)量的要求也日漸提高，而其生活用水質(zhì)量問題遠(yuǎn)沒有得到解決。在我國北方平原地區(qū)的廣大農(nóng)村，由水井向自來水過渡曾經(jīng)經(jīng)過以下幾個時期:

      第一代是水塔供水方式，由深井泵將地下水抽上水塔，由水塔通過管路給各農(nóng)戶供水。這種方式存在供水二次污染、水塔損毀難于修復(fù)等缺點(diǎn)。

      第二代是氣壓罐供水方式，氣壓罐供水也存在水的二次污染問題。另外，因?yàn)檗r(nóng)村自來水管網(wǎng)大多年久失修，比較脆弱，如果全天候給水，水壓不能自動調(diào)節(jié)使其穩(wěn)定，經(jīng)常出現(xiàn)水壓過高管網(wǎng)迸裂的問題。另外，氣壓罐給水方式，水泵在開啟時對電網(wǎng)沖擊大、運(yùn)行過程中電能的浪費(fèi)嚴(yán)重。氣壓罐給水還經(jīng)常出現(xiàn)壓力開關(guān)失靈，造成氣壓罐壓力驟增，水泵不能正常停止，以致出現(xiàn)危險。因此，北方平原農(nóng)村基本上采用定時供水，農(nóng)戶用水缸或自打水坑儲水來滿足生活用水的需要，嚴(yán)重影響供水質(zhì)量。還有一個問題就是地勢高的農(nóng)戶因水壓不夠，水管不能出水，就用管道泵接到自來水管網(wǎng)上來抽水，這樣又使其他農(nóng)戶水壓不夠，形成惡性循環(huán)。

      所以吃水問題仍是困擾農(nóng)民生活的一大難題。現(xiàn)在城市普遍采用的變頻無塔供水機(jī)組，適用于高層集中供水，沒有被廣大農(nóng)村所接受，是因?yàn)檗r(nóng)村供水的特點(diǎn)是揚(yáng)程低、面積大、管網(wǎng)薄弱、電壓不穩(wěn)定，農(nóng)村電工限于技術(shù)等條件，難于查找系統(tǒng)的常見故障原因等而仃機(jī)。基于上述情況，針對目前農(nóng)村無塔供水機(jī)組的現(xiàn)狀，我們開發(fā)了適于農(nóng)村應(yīng)用的自動無塔供水機(jī)組。已經(jīng)成功應(yīng)用在河北省的一些農(nóng)村，受到了廣泛的好評。

2 無塔供水機(jī)組系統(tǒng)簡介

      本無塔供水機(jī)組是由人機(jī)界面交互系統(tǒng)、恒壓供水系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)和水壓閉環(huán)控制系統(tǒng)四部分構(gòu)成。人機(jī)界面交互系統(tǒng)主要由型號為富士ug220h-lc4 5.7寸單色屏組成。ug220h-lc4功能強(qiáng)、價格便宜，具有三個通訊口及一個打印機(jī)口，可同時連接plc并內(nèi)置萬年歷，可隨時調(diào)整時鐘，便于調(diào)整循環(huán)啟動時間;可根據(jù)圖中的各電氣元件做相應(yīng)的動畫圖形，反映變頻器的啟/停、接觸器的吸合/斷開及電機(jī)的運(yùn)行/停止等; 還可顯示變頻器的工作頻率、電壓、電流等參數(shù)，反映管網(wǎng)的設(shè)定壓力及實(shí)際壓力。使用中，編制相應(yīng)的說明書，對系統(tǒng)各部件的注意事項(xiàng)及維護(hù)等做相應(yīng)的介紹;可通過動畫及文字等顯示系統(tǒng)的故障報警以及相應(yīng)的處理方式，便于農(nóng)村電工的學(xué)習(xí)和簡單維護(hù)。同時，可以通過在系統(tǒng)上留言作為交接班記錄;自動繪制日水壓變化曲線進(jìn)行需水量日周期分析。由hmi時鐘自動描繪管網(wǎng)24h內(nèi)壓力變化曲線，既方便調(diào)試又方便設(shè)置，便于及時調(diào)整和監(jiān)控水壓變化，為系統(tǒng)的改進(jìn)收集資料。

      無塔供水機(jī)組主要由泵組、閥門、儀表、供水管網(wǎng)等組成，作為整個供水系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。變頻器恒壓供水系統(tǒng)如附圖所示。

      水處理系統(tǒng)由靜電離子和臭氧水處理器組成，安裝在供水管網(wǎng)中，可以減少農(nóng)村飲用水中的重金屬離子，并具有殺菌、除藻和緩蝕的功能，保障飲用水的衛(wèi)生。

      整個無塔供水機(jī)組的核心是水壓閉環(huán)控制系統(tǒng)，主要是由變頻調(diào)速器(vvvf)、人機(jī)界面(hmi)、數(shù)字pid調(diào)節(jié)器及主電路組成。其動作原理是根據(jù)管網(wǎng)用水量的變化，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的電源頻率和電壓，控制水泵的轉(zhuǎn)速,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)供水量及節(jié)能的目的。其動作過程是在水泵出口干管上設(shè)壓力傳感器(yb)，實(shí)時采集管網(wǎng)壓力信號，變頻器內(nèi)部將其轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)過放大與轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，進(jìn)入處理器。通過運(yùn)算與設(shè)定水壓值比較，得出偏差量，經(jīng)過pid運(yùn)算、d/a轉(zhuǎn)換把這一參數(shù)送給變頻器,控制電機(jī)電源頻率變化，調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到恒壓變量供水的目的。 

3 無塔供水機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      現(xiàn)以某村的實(shí)際狀態(tài)來說明(該村有3126口人，618戶)。因農(nóng)村除滿足生活用水外，還須澆菜園(農(nóng)戶庭院菜園)，但只在春、夏兩季澆園。故農(nóng)村用水季節(jié)性較強(qiáng)，夏季用水達(dá)到高峰，冬季僅滿足生活用水，洗澡較少，所以冬季是用水低谷，年用水負(fù)荷變化較大。在工程設(shè)計(jì)時，采用了有二臺水泵，冬季一臺潛水泵可滿足需要;夏季則需要兩臺潛水泵同時工作(一臺工頻、一臺變頻工作)。選用200qj50-65型潛水泵，流量50m3/h,揚(yáng)程65m，電機(jī)功率13kw。由于潛水泵電機(jī)的額定電流比普通電機(jī)偏大，而且潛水泵電機(jī)運(yùn)行一段時間后通常啟動較困難，所以選用配套18.5kw變頻器。為此選用富士電機(jī)frn18.5g11s-4cx變頻器，它具有pid功能，可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，適宜應(yīng)用于供水系統(tǒng)。另外還具有串行通訊功能，自帶rs-485通訊功能，可以與上位機(jī)及hmi進(jìn)行直接通訊;它的端子具有自由設(shè)定功能，可將x1-x8中8個輸入端子和y1-y4中4個輸出端子設(shè)定為自由定義口,在硬件上解決了hmi無i/o端子問題。hmi選用富士的ug220h-lc4 5.7寸單色，本系統(tǒng)充分利用人機(jī)界面hmi與變頻器通訊的特點(diǎn)，無須plc及專用設(shè)備。通過對hmi的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)定時自動供水以減少水的浪費(fèi)。傳感器選用xtz-150型0~1.0mpa的遠(yuǎn)傳壓力表。此種壓力表既有顯示壓力功能，同時也可將壓力變化變成相應(yīng)的電阻變化，作為壓力反饋，且價格低廉、可靠耐用。

      該無塔供水機(jī)組共有兩種工作方式:手動方式、自動方式。系統(tǒng)工作在手動方式時，水泵的定時切除由時間繼電器執(zhí)行。此種工作方式主要用于檢修，亦可用于系統(tǒng)故障時，保證供水系統(tǒng)的連續(xù)性和可靠性。

      無塔供水機(jī)組工作在自動工作方式時，根據(jù)農(nóng)村地況的要求來設(shè)定壓力。在恒定壓力的基礎(chǔ)上，隨著供水量的變化自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓變流量的節(jié)能供水，兩臺水泵遞次循環(huán)軟起動，從而無水壓波動和頻繁啟動對電網(wǎng)的沖擊，也防止了對管網(wǎng)的沖擊和某臺水泵長期不用而導(dǎo)致的銹死，延長了設(shè)備的壽命。

      該無塔供水機(jī)組具有過載保護(hù)、短路保護(hù)、過電壓保護(hù)、缺相保護(hù)、欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過電流保護(hù)以及過電壓、過載、欠電壓瞬間斷電再啟動功能，并具有完備的故障記錄供查閱。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時能立即發(fā)出聲光報警并輸出信號給控制器，實(shí)現(xiàn)保護(hù)，防止故障擴(kuò)大，并在hmi界面上通過動畫和文字顯示故障報警和相應(yīng)的處理方法。特別適合于農(nóng)村電工及時、正確的排除故障。

3 結(jié)束語

      本無塔供水機(jī)組適用于平原地區(qū)的廣大農(nóng)村，它具有以下優(yōu)點(diǎn):避免了高位水箱儲水環(huán)節(jié)和高壓罐給水的弊端，避免了水質(zhì)的二次污染，采用了靜電、臭氧處理，使水質(zhì)穩(wěn)定，保證了居民用水安全。采用變頻調(diào)速供水方式，水泵的轉(zhuǎn)速隨著管網(wǎng)流量的變化而變化，因?yàn)檩S功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以與氣壓罐給水方式的恒速泵運(yùn)行方式相比，明顯地節(jié)省電能，根據(jù)計(jì)算和實(shí)測，由于采用變頻器而增加的投資在運(yùn)行后一年至一年半即可收回。該無塔供水機(jī)組系統(tǒng)的泵組及控制系統(tǒng)集中設(shè)在泵房，占地面積小、安裝快、投資省，適應(yīng)了農(nóng)村資金不足的情況;全自動運(yùn)行、無人值守、可靠性高;由于實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面交互方式，適于農(nóng)村人員維護(hù)和檢修;變頻調(diào)速水泵的啟動為軟啟動，減少了對水泵及管網(wǎng)的沖擊，適應(yīng)農(nóng)村管網(wǎng)的特點(diǎn);多臺泵組采用先投入，先退出的運(yùn)行方式，確保每臺泵的運(yùn)行時間相同，能夠有效延長泵組的使用壽命。

      該無塔供水機(jī)組工程造價為4萬元，以河北省為例，河北省有120個縣，以每個縣平均有150個自然村計(jì)算，則僅河北省農(nóng)村供水就有7億2千萬元的潛在市場。實(shí)踐證明本無塔供水機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了真正意義上無人值守，使農(nóng)民能像城里人一樣使用上真正的自來水，節(jié)能也達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。希望隨著新技術(shù)在廣大農(nóng)村的應(yīng)用，能確實(shí)提高農(nóng)民的生活水平，為老百姓多做一些實(shí)事。