智能化技术在给水与消防工程中的应用研究

王程程

（中铁九局集团第四工程有限公司，辽宁 沈阳 110013）

1 建筑给水系统和消防系统现状

1.1 给水系统

传统水池或水箱的进水主要通过浮球阀控制。采用浮球阀控制的水箱启用灵敏度高，水头损失小，无水锤现象，但使用寿命短、易损坏、易受到污染物的影响。电子式水位开关搭配水位控制器组成的控制结构可以通过电子探头对水位进行检测，对检测信号进行处理，当箱体内水位浮动时，芯片输出高或低电平信号，配合水位控制器实现对液位的控制，并实时监控。电子探测方式安全稳定，使用寿命长，不受污染物影响，适用于雨水、污水等有杂质的水池。

1.2 消防系统

关于消防水泵的启动，在《消防给水及消火栓系统技术规范》（GB 50974—2014）中规定，消防水泵出水管设置的压力开关、高位消防水箱出水管流量开关或报警阀压力开关等开关信号应能够自动启动消防水泵。我国居住小区、工厂、企业等消防水泵需要实现多建筑给水功能，设置消火栓报警按钮启动水泵投资较大，弱电信号损耗，影响报警系统的可靠性。

2 项目背景

某智能建筑总高度为81 m，共27层，地上、地下分别为26层和1层。地下室为设备用房，包括泵房和修建水池，设置给水泵3台，2台自动切换使用，1台备用，排水泵3台，2用1备。

3 智能化技术在给水系统中的应用

3.1 智能给水系统监控要求

系统采取实地控制和监控相互配合的方式，能够合理掌控给水调度，精准调控用水需求，优化水泵运行效率。给水监控设备实时监测给水系统运行情况，能够实现自动存水。系统运行时如需检修，应立刻上报管理层。监测系统由水泵智能控制开关、水泵异常示警、水泵运行体系监控、水箱水面控制等组成，依据水池水位高度开启或关闭水泵，并在水溢、水竭的时候示警。

3.2 智能变频恒压供水系统

（1）智能供水系统结构。

给水系统监测原理图如图1所示。

图1 给水系统监控原理图

系统采用2套电机、1台水泵对水网进行恒压供水，电机通过变频方式或共频方式工作，变频调速器每次仅驱动1台电机。变频调速器根据水压变化调整水泵转速，控制水流量大小，保证压力值稳定。提前设置控制程序，根据给水变化情况更换水泵运行模式，使水泵处于最佳的运行状态。PLC变频调速恒压供水系统具有手动和自动两种模式，水泵运行时，可随意切换。

（2）智能压力调节

基于PLC控制技术和变频调速技术研发的全智能恒压供水系统，可以保证管道内水压稳定，满足给水需求，防止出现突发性事故，降低电耗量。系统控制设备一般采用压力闭环方式，能够校正发生改变的被控变量，校正改变的参数以及因外界因素影响产生的误差，设备精度较高。

闭环恒压供水的PID调节，当水泵出口处监测的压力值出现变化，若压力值与预设值不符合，系统及时示警，并自动调整转速，保证相对压力下的给水量满足要求。闭环恒压给水系统的组成部分包括变频器、可编控制程序以及传感器等。

为了维持给水管道压力稳定，需要及时校验管道压力并反馈到给水控制设备，形成压力闭环控制体系。以PID调整为主的控制设备可以保证供水管道压力处于稳定状态。在水泵中引入变频调速系统，控制出口水压稳定压力值。压力传感器设置在水泵周边的主输水管道内，检测结果以压力变化为主。PID调整设备对压力传感器反馈的压力值与出口压力预设值进行计算和比较，采用频率指令的方式将计算结果传达到变频器，实现水泵转速调整，保持出口处压力稳定。参照给水管道压力变化情况，以变频器智能调节的方式调整水泵电机的转速，使管道压力相同，优化供水和节能效果。

（3）压力负反馈控制。

供水系统采用压力负反馈控制方式，压力传感器将给水管道内的水压转换为电信号，经放大器放大后与预设压力进行比较，对差值进行PID运算，控制变频器输出频次，以PLC控制并联的水泵，使变频调速水泵与工频之间同步转换，调整压力。在系统内并行启动2台水泵，通过出水管道口的压力传感器将压力信号转换为4～20 mA的常规信号，植入PID调节设备，计算后，将压力值与预设压力参数对比，得到调节参数，将参数输入变频器，控制水泵转速。当1台水泵的供水量小于耗水量时，使用PLC控制器进行加泵。PLC设备根据耗水量变化调整泵数，使用变频器调整水泵转速，实现稳定给水。当供水负载变换时，电机的电压和频率随之改变，形成定额压力的闭环调节系统。所有水泵电机均可以通过变频器实现开启和关闭，达到软启动的效果，有效避免了设备开启时电流过大导致的电机损坏，延长电机的运行寿命。以变频泵循环的方法驱动给水系统，按照“先开先关”的原则开启和关闭水泵，避免备用泵与工作泵完全闭合，在两泵有效运行的同时，保证备用泵不会出现长时间闲置产生锈蚀，提升使用效率，减少运营成本和维护成本。

3.3 自动监测及报警

自动检测及报警示意如图2所示。

图2 自动检测及报警示意

低位蓄水池处，设置1个液位传感器或压力传感器检测水池液面位置。当水池水位上升至上限（停泵水位），传感器向现场控制器发出信号，现场控制器向水泵机组输送信号，使水泵自动停机。当水位低于预设低位报警水位，系统报警。压力传感器可以通过压力变化连续检测水池液位，将信号发送至现场控制器，停泵和报警液位的设定可随时调整。

4 智能化技术在消防系统中的应用

4.1 智能消防联动

给水工程消防系统的智能化设计重点是消防联动。当楼内有火情时，由控制器确认火情信息，FA系统输出信息传输命令与智能系统控制命令。信息传输命令指报警音响启动，将火情信息通过有线或无线传输至显示器端，实现报警并确认现场情况。智能控制系统命令指打开水路阀门，启动消防设施，包括水泵、灭火器喷射装置和排烟装置等。为了确保火灾现场能够及时得到处理，预防智能系统因意外故障无法启动，设置报警和开启水泵的手动开关。FA消防联动自动化系统具备的控制功能和显示功能包括：实现消防设备的开、关工作，清晰展示设备运行状态；消防泵和排烟风机采用人工操作和自动操作相结合的方式，实现对设备的有效控制；提示火情发生的具体地点和故障发生位置；展示重点部位如疏散通道、灭火器材位置、楼层平面图以及仿真图表等；实时显示电源是否满足供电要求相位；确定火情时，关闭非灭火配电，打开紧急照明和紧急逃生指示灯；发生火情时，控制所有的电梯停止在一楼，接收反馈信息；连接到无线广播。

4.2 智能消防控制

文章研究的对象配备的消防控制系统包括建筑内消防栓应急系统；棚顶自动喷洒灭火装置；备用自动发电机及灭火系统。FA中的消防系统以实现系统的有效衔接和配合为目标，完成对火情的及时反馈和处理。

建筑内部消防栓由水路系统和电控系统组成，水路系统包括进排水管、水泵、阀门等构件，主要作用是提供消防用水；电控系统控制进水水泵运行，喷淋装置启动和信息反馈装置的信息输出。水路系统和电控系统相互配合，缺一不可。出现火情时，受灾人员或附近人员可以通过按下消防启动按钮或由消防系统自动识别火情，将火情信息传递给消防站机房，消防站机房通过电控系统控制消防水路系统启动，及时提供灭火用水，同时将信息传递给消防队，达到最佳的处理效果。由于建筑顶部的储水池只能保证灭火初期用水，大部分灭火用水量主要来自市政管网，所以消防系统需要设置独立的室内抽水泵。消防联动系统应具备的控制和显示功能包括：控制室内消火栓的开启、关闭；显现室内消火栓运行状况；显示启泵按钮所在地点。

自动喷洒灭火装置能够在短时间内扑灭火灾，包括喷头、报警阀、水流显示机、安全信号阀、水泵、管网等部件，通常情况下必须保持装置内部处于充水状态，喷淋出口使用遇热易熔的特殊材质堵塞，发生火灾时，喷口处填塞物遇热熔解，达到灭火效果。根据水流传感器传递给报警阀和显示器，工作人员通过显示信息确定火灾发生确切位置及火情严重程度，迅速提供足够的水量实现灭火。

楼顶的重力式灭火水箱容量有限，储水量最大值为18 m3。在城市供水管网和消防水池中，需要配置高压水泵，在系统内安装喷水增压泵。喷水控制系统具备的控制和显示功能包括控制喷水；压力泵的启动和停止；喷射；压力泵运行状况；水流指示器；报警阀；安全信号阀等。

5 结语

随着科学技术的进步，建筑智能化系统日益更新，对建筑行业的发展具有重要意义。给水系统作为建筑设备管理自动化系统的重要组成部分，应能够提供安全可靠运行状态，满足城市居民用水需求。建筑行业应不断提高技术人员业务水平，配套设施规范方面应加强监督管理，要求建设单位和设计单位能够与时俱进、求实创新。实现城市居民生产生活智能化的有序推进，使居民能够享受到更加安全、舒适、便利的新型智能建筑。