农村供水工程水泵电机控制方案设计

张争刚

(杨凌职业技术学院,陕西 杨凌 712100)



农村供水工程水泵电机控制方案设计

张争刚

(杨凌职业技术学院,陕西 杨凌 712100)

水泵电机是农村供水工程中核心设备，而控制水泵电机运行的控制系统对提高供水可靠性、水泵电机安全性、水泵运行效率、减少供水运行成本等具有重要意义。针对不同地区自然条件、饮水设施特点设计了三种自动控制方案，满足水泵电机控制要求，提高供水可靠性和运行管理水平。

农村供水；水泵；控制；自动化；可靠性

0 引 言

农村供水问题是影响农村经济发展和农村群众生活水平提高的重要因素。农村群众一般按自然村居住,村与村之间相隔一定距离，过去在农村各地方大都以行政村或自然村为单位修建了供水工程[1]，水泵电机是农村供水工程中核心设备，其工作可靠性、安全性、高效性，对供水工程高效、可靠地运行起着重要作用。本文根据广大农村地区自然条件、饮水设施特点设计了三种自动化控制方案，满足水泵电机控制要求，提高供水可靠性。

1 水泵电机的控制要求

(1) 实用性。控制方案能使供水系统正常供水，发挥供水设施功能，解决当地群众饮水问题。

(2) 低成本。控制方案应尽可能成本低，减轻群众经济负担。

(3) 维护简单。控制系统应操作简便，容易维护。

(4) 运行成本低。控制系统后期运行、维护成本应尽可能低。

(5) 适用性广。控制方案应能在其他地区推广使用。

(6)安全性好。控制系统应有相应的安全保护措施，保证水泵电机安全。

2 三种控制方案分析

目前，在农村由于自然条件的限制，不具备集中供水的条件，所以许多农村地区采用单村供水模式，本文就针对单村供水模式提出三种控制方案：基于水位控制、基于时间控制、基于水压控制。三种方案适用地区不同、工作特性不同。

2.1 基于水位控制

基于水位控制方案适合供水方式为水塔或储水罐供水，并且村落居民居住位置落差不大，水塔位置高于所有取水点位置。

(1) 控制工艺设计

水泵控制应该有手动模式、自动模式两种工作状态，由状态选择开关SA0控制实现；平时系统工作在自动模式，可实现无人值守水泵自动供水[2]。当水塔缺水(低水位)时，水泵启动给水塔中注水，水塔水位上升，当水塔满(高水位)时，水泵停止工作[3]；随着用户用水，水位下降，到水塔缺水时水泵再次启动供水，如此循环，使水塔中水位一直在高、低水位之间波动，水塔中始终有水；手动模式在特殊情况下使用，如系统故障、检修或调试时，可人为控制水泵启(SB2)/停(SB1)[4]；系统应有相应的指示装置，以显示水泵工作状态，HR(红灯)为水泵运行灯，HY(黄灯)为报警灯，HG(绿灯)为停止灯[5]；应有故障检测、报警、保护功能，保证水泵电机安全，水塔水位达到超高水位或达到超低水位时，报警灯亮，水泵停止工作，直至故障排除，系统复位(SA1)后，水泵才能工作。

(2) 水泵控制主回路电路设计

图1 水泵控制主电路图

水泵控制主回路电路如图1所示。L1、L2、L3为主电路电源，QF为带过流保护的电源开关，KM为接触器，具有通断大电流负载作用，故用来控制水泵电机通电或断电，FR为水泵电机提供过热保护，M1为驱动水泵的三相电机。

(3) 控制回路电路设计

图2 液位开关安装图

图3 水泵电机控制回路电路图

控制电路如图2、图3所示。水塔水位信号使用不锈钢浮球开关(SL1、SL2、SL3、SL4)检测，在本方案中不锈钢浮球开关均为常闭型，即在水面之上为通态，水面之下为断态，按图2所示位置安装。

自动模式时，SA0在“自动”，根据液位信号驱动接触器主触头通/断来控制水泵，使水位在SL3与SL2之间；SA0在“手动”时为手动模式，按SB2水泵抽水，按SB1水泵停止；由于某种原因导致水位超限(低于SL4或高于SL1)时，中间继电器KA线圈带电，水泵停止，对水泵进行保护，并且故障灯HY亮等待排除故障，故障排除后，将SA1复位后，系统可重新正常工作。

该方案具有成本低廉，操作简便、安全级别高，使用性广，运行成本低的优点。

2.2 基于时间控制

有些地区由于水资源不足或因输水管网漏水严重，短期又没条件改善，适合采用固定时间间断供水。

(1) 控制工艺设计

水泵控制应该有手动模式、自动模式两种工作状态，由状态选择开关SA控制实现；平时系统工作在自动模式，可实现无人值守自动供水。在自动模式时，水泵按照KG316T型时控开关设定的时间自动启动/停止水泵，当时间到达KG316T型时控开关设定的第一组ON态时间时，水泵自动启动抽水，当时间到达KG316T型时控开关设定的第一组OFF态时间时，水泵自动停止抽水，到第二组ON态时间时，水泵又自动启动抽水，第二组OFF态时间时，水泵又自动停止抽水，如此循环，直至最后一组OFF态时间时，水泵自动停止抽水，每天执行这样的过程；手动模式在特殊情况下使用，如系统故障、检修或调试时，可人为控制水泵启(SB2)/停(SB1)；系统应有相应的指示装置，以显示水泵工作状态，HR(红灯)为水泵运行灯，HG(绿灯)为停止灯；应有过载保护功能，保证水泵电机安全；时间控制误差不能太大。

(2) 水泵控制主电路设计

图4 水泵控制主回路电路图

水泵控制主电路如图4所示。L1、L2、L3为主电路电源，QF为带过流保护的电源开关，KM为接触器，具有通断大电流负载作用，故用来控制水泵电机通电或断电，FR为热继电器给水泵电机提供过热保护，M为驱动水泵的三相电机。

(3) 控制回路电路设计

图5 时间控制供水电路图

控制电路如图5所示。L、N为交流220 V电源，KG316T为智能时控开关，KG316T智能时控开关作为时间控制的核心器件，适用于交流50 Hz电压380 V及以下控制电路中，额定工作电流小于3 A的自动控制电路中，作延时定时元件，误差为每天0.08 s，可按预先设定的时间接通或断开各种控制电路的电源，可设置16组供水时间段数据，到达设定时间后接通/断开内部开关[6]，由于其开关容量只有3 A，故由其驱动接触器KM，再由接触器驱动水泵抽水。SA打到“自动” 在自动模式，按设定时间自动接通/断开KG316T内部开关驱动水泵抽水/停水；手动模式，SA打到“手动”，操作SB2可启动水泵，操作SB1可停止水泵。

该方案操作简单、方便、可实现无人值守、成本低廉、控制时间精度高。

2.3 基于水压控制

对一些山区住户比较分散，或者各住户位置落差较大的地区，为保证每个用户家庭都能正常用水，适合采用恒压供水。

(1) 控制工艺设计

系统有自动、手动两种工作模式，通过SA1切换开关来控制；在自动模式时，压力传感器将监测点的供水压力信号送至具有PID功能的FR-A540变频器，并将检测信号与设定压力进行比较，产生偏差，偏差经变频器PID功能得出调节信号，从而调节变频器输出电压和频率，进而调节水泵电机转速保证供水压力恒定。当供水压力低于设定压力时，变频器输出频率升高，水泵1电机转速提高水压升高，直至达到设定压力；若频率升到49 Hz时，监测点水压还未达到设定值，则PLC控制变频器断开水泵1，改为直接由工频50 Hz电源为水泵1供电，并使水泵2在变频模式下工作，提升水泵2的工作频率直至检测压力达到设定压力；当用水量下降，变频水泵工作频率降到20 Hz时，自动切除工频工作的水泵1，由变频水泵2供水，改变水泵2电机工作频率直至压力达到设定值。为避免一台水泵长期工作，而另一水泵又长期闲置，要求两水泵定时轮换工作，延长水泵使用寿命。手动模式在特殊情况下使用，如系统故障、检修或调试时，可人为控制水泵启/停；系统应有相应的指示装置，以显示各水泵工作状态；应有过载保护功能、无水保护功能及每台水泵工频、变频运行的互锁保护，保证水泵电机安全[7]。

(2) 水泵控制主电路设计

水泵控制主回路电路如图6所示。L1、L2、L3为主电路电源，QF为带过流保护的电源开关，KM为接触器，具有通断大电流负载作用；KM1用于将变频器接入三相电源，KM2、KM4用于将水泵1、水泵2接入变频器，KM3、KM5用于将水泵1、水泵2接入工频电源，KM2、KM3用于水泵1工频和变频切换，KM4、KM5用于水泵2工频和变频切换；FR1、FR2用于水泵电机的过载保护；FR-A540为带有PID控制功能的变频器，M1、M2为驱动水泵的三相电机。

图6 恒压供水主电路

(3) 控制回路电路设计

控制回路电路如图7所示。FR-A540变频器5、2、10端子所接电位器可用来设定供水压力，MPX7000压力传感器将管道监测点压力经变送器转换为4 mA～20 mA的电流信号(反馈值)送给变频器5、4端子，获取实际供水压力信息，并进行PID运算，并由FX2N-24MR型PLC控制水泵1、水泵2工频、变频、停止及轮换工作。

图7 控制回路主电路

图8 主程序流程图

图9 自动模式控制流程图

(4) 软件设计

系统控制流程图如图8、图9所示。在自动模式下，变频器将传感器送来的压力信号与设定压力进行比较，水泵1工作在变频模式，水泵2停止，为延长水泵寿命，如果能满足压力要求，则每过固定时间水泵1和水泵2轮流工作，即水泵2工作在变频模式，水泵1停止；当单个水泵变频工作时，频率达到上限49 Hz时，说明一个水泵供水压力不能满足要求，则一个水泵工频工作，另一水泵变频工作，每隔固定时间轮换工作；两台水泵同时供水时，当变频水泵工作频率达到20 Hz,会出现变频水泵“空转”[8]，故将工频水泵切除，单独由变频水泵供水，并且两台水泵每隔固定时间轮换工作。在手动模式下可单独控制水泵1、水泵2工作停止[9]。

3 三种控制方案的特点分析

基于水位控制方案，适用于有储水装置的供水工程，如水塔、水箱、水罐等，依靠储水装置中水的自重产生的压力供水，所以储水装置最低位置应高于任一取水点位置，通过液位开关检测储水装置中水位高低，低于低水位启动水泵使储水装置中水位上升，直至高水位水泵自动停止，保证储水装置中水位一直有水，从而实现不间断供水。该控制系统简单、改造成本低、后期运行成本低。

基于时间控制方案，适用于水资源不足或输水管网漏水严重的地区，为节省水资源又不影响当地居民用水，根据当地居民生活规律，可分时段供水，通过时控开关设定供水时间段，供水时间到时，启动水泵供水，停止供水时间到时停止水泵供水。该方案控制系统结构简单、安装方便、改造成本低、使用方便，时间控制精度高。

基于压力控制，适用于各个用户取水点位置落差较大，依靠储水罐内水的自身压力无法满足高位置用户取水要求的地区，使用压力传感器检测关键取水点水压信号，送给控制系统，当检测压力小于设定压力时，变频器驱动水泵高速运转提高水压，当用户用水量下降，检测水压下降时，变频器驱动水泵低速运转降低水压，使水压始终在设定值附近波动，实现恒压供水。该方案具有：高效节能、占地面积小，效率高、配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠、运行合理(由于一天内的平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减少，水泵的寿命将大为提高、由于变频器能对水泵实现软停和软起，降低对管网的冲击)、操作简便，省时省力等优点，但成本相对较高。

4 结束语

针对农村不同地区现有供水设施及供水特点，提出三种水泵电机控制方案供选择，可灵活选择适宜的改造方案，在满足供水要求的前提下，尽可能降低运行成本，实现供水自动化，减少人为操作的不确定性，提高供水可靠性，具有较好的推广意义。

[1] 郭孔文,胡孟. 农村供水工程发展模式探讨[J].中国水利,2006,57(19):38-39.

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[3] 杨炳坤.探讨PLC在消防水泵控制系统中的应用[J].科技与企业,2013,22(22):152-154.

[4] 杨旭,周悦,于广平.水箱液位控制系统的设计与研究[J]. 制造业自动化,2011,33(8):128-130.

[5] 杨全.PLC在煤矿主排水泵自动控制系统中的应用研究[J].煤炭技术,2013,32(2):34-35.

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[7] 龙建明,郭东平,李雅茹.应用欧姆龙CPM1A型PLC实现水泵电机的自动控制[J].杨凌职业技术学院学报,2009,8(3):22-24.

[8] 杨柏松, 熊建斌,李长庚. 基于变频器内置PID模块的恒压供水系统[J].电子设计工程,2015,22(10):161-165.

[9] 彭旭昀.一种基于变频器PID功能的PLC控制恒压供水系统[J].机电工程技术,2005,34(10):54-56.

Design of Pump Motor Control in Rural Water Supply Engineering

Zhang Zhenggang

(Yangling Vocational and Technical College, Yangling Shaanxi 712100, China)

Pump motor plays an important role in rural water supply engineering, the system that controls the pump motor has great significance for improvement of the reliability of water supply, the safety of the pump motor, the efficiency of pump and reduction of operating costs of water supply. Three automation control programs are designed against different natural conditions and different features of drinking facilities and these programs can satisfy the requirements of the pump motor control and increase the reliability of water supply as well as operation and management level.

rural water supply； water pump； control； automation； reliability

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.04.031

TP272/278

A

1000-3886(2016)04-0100-03

张争刚(1981-)，男，陕西武功人，讲师，硕士;研究方向：自动化技术。

定稿日期: 2016-03-12