标准化二次供水的电气自动化改造技术应用

何展鸿

（深圳市水务科技有限公司，广东深圳 518000）

二次供水系统在以往很长时期内，都是由人工24h 进行监控管理的，但随着近年我国信息技术飞速发展，电气自动化系统在二次供水系统中的应用也得到不断普及和提升，这就使得二次供水系统实现了标准化电气自动化控制。

1 二次供水设备概述

二次供水是指在城市中的5层以上的高层楼房中，通过设置高低位水箱、水池、水塔等方式，在其中增设水泵，通过变频控制将自来水送达指定高度的供水设施。二次供水是城市供水系统中的重要组成，是在有需要的地方通过对自来水进行二次加压的形式来达到供水高度的供水方式。

二次供水设备电气自动化一般是通过水箱恒压变频的方式，由变频泵将自来水输送到用户，水箱通过蓄水调节功能，和自动补水装置，根据自来水蓄水量多少和用水量的多少进行水箱补水。当用户用水量大时，水箱的补水频率较高，反之水箱的补水频率则会降低。

二次供水设备电气自动化控制系统一般由两部分组成，包括PLC 控制部分和各个区的变频供水部分。PLC 控制部分功能是对整个泵房控制系统进行自动化管理与协调，对各个区的泵组进行变频控制，通过变频控制柜对下位数据进行收集，并将上位系统数据传输到各个泵组实现自动化控制。而各个区的变频控制柜则负责对本区内用户提供恒压供水控制，并生成下位数据传输至PLC 控制部分。

2 二次供水设备电气自动化的优点与特征

2.1 二次供水设备电气自动化的优点

二次供水设备电气自动化的优点有：①采用恒压变频供水设备使得整个建筑物内的供水保持压力恒定，避免使用屋顶水箱造成水质污染；②取代传统的屋顶水箱供水方式，消除了水污染的源头，减小建筑成本，增大建筑空间使用面积；③取消传统的屋顶水箱，使建筑受力减小，结构简单，成本降低，节约电能，更好地节约空间，缩小占地面积；④比一般供水设备节电30%以上，该设备占地面积小，安装简单，缩短施工工期，保障施工效率；⑤能够有效解决低水压问题，实现二次供水效果的优化。

2.2 二次供水设备电气自动化的特征

（1）高效节能。二次供水设备电气自动化控制能够根据用户的实际用水量和使用压力进行自动检测，并判断用户用水量高低，自动调节电动机的转速，实现对供水量的自动化控制。当用水量处于高峰时，能够自动加速电动机转速，满足用户用水需求，反之当用水量较低时，则会对电动机进行减速，节约电能。

（2）适应各种作业环境。二次供水设备电气自动化控制由于脱离了人为操作控制，使得许多处于恶劣环境的二次供水设备能够得到有效控制。在许多关键环节能够通过功能模块，实现对水泵的自动化控制。同时还能够保障稳定和较高工作效率，提高用户的用水稳定状态。

（3）系统自动保护功能。二次供水设备电气自动化系统具有自动保护功能，使系统的稳定性进一步提升。PLC 自动化控制系统作为核心架构，由自动化控制的各种代码实现对各种传感器及设备的控制，实时数据采集能够最大化保障数据分析的效率和逻辑分析，实现高效自动控制的效果。在一系列自动化控制功能中，也包括对系统自身的保护功能，根据预设参数条件，当运行环境超出预设参数条件范围之外时，就会启动自我保护机制，根据具体的参数变化做出相应的反应，有效保障系统稳定和安全，并对相关数据进行迅速反馈。

3 标准化二次供水及其电气自动化系统的应用

3.1 保障城市用水的稳定

在城市用水稳定性提升方面，标准化二次供水设备电气自动化运用得到了不断的普及和发展，以深圳市水务集团罗湖分公司的罗湖龙园山庄标准化泵房改造项目为例，通过泵房二次供水系统的标准化改造，实现了城市用水的稳定性提升。

深圳市水务科技有限公司承建龙园山庄泵房标准化改造项目，2018年7—8月完成泵房内改造及水箱内衬制作，9月底泵房投入使用，年底完成泵房周边环境升级改造；2019年2月，完成水箱周边环境升级改造，2019年5月，经过近10个月的努力，龙园山庄泵房标准化改造工作完成。改造后的龙园山庄泵房采用水池+变频水泵自动控制供水，实现了标准化二次供水系统的智慧化、安全化、规范化，使龙园山庄小区供水服务实现安全性、稳定性的综合提升，为周边3232户用户提供了更优质的供水服务。

在智慧化升级上，自动化控制系统采用VPN 专网通讯方式，泵房机组各种运行数据实现了与二次供水管理平台的实时传输，同时安全警报配置功能的增加，也提升了系统的监控准确性和实时性。

在安全化升级上，将原有的3台变频泵升级为4台，实施三用一备，运用一拖一变频控制，充分提升了用户用水的可靠性与稳定性。泵房内还增加了许多安全化设计，如抗腐材质的升级，水质监测仪表的24 h 在线监测，水箱内部的自洁功能等，全面提升了用水安全性。

在规范化升级上，改装隔音棉吸音内衬，加装空调、除湿器等，使泵房内环境得到极大改善，设备运行环境通风良好、温度恒定，实现了泵房的规范化升级。

定义10 理想制造能力(MCI)指在企业一般的生产资料基础上，没有生产性约束条件下，所能达到的最大制造能力水平。

3.2 保障商业用水

除了城市居民用水系统改造之外，商业用水的标准化二次供水系统应用改造升级也得到了不断普及。在商业用水的保障上，通过信息化水平提升。首先，结合商业区域人员较多的问题，增加人脸识别模块，只有被系统标记且识别出来的员工才能进入泵房进行操作，使得泵房的控制安全性明显提升。其次，增加电子屏幕实时监控，监控画面保持与远程监控终端的实时连接，对整个二次供水系统进行全面有效的监控，在自动化控制的同时，实现安全性保障。另外，在商业用水的二次供水系统标准化升级改造项目中，还有的项目加入紫外线消毒器，提高了商业用水的水质保障。

3.3 保障基础工业用水

基础工业用水的二次供水标准化改造上，本着经济性的原则，以现有泵房设施为基础，最大限度地减少投资，尽量在利用原有泵房设施基础上实现项目的改造升级。一般情况下，工业用水的二次供水系统运行稳定性较好，设备功能较为完善，因此在工业用水的二次供水系统改造上，大多不需要对现有设备进行大规模更换。但由于原有系统的自动控制功能较弱，因此需要有针对性地增加远程监控及控制功能相关设备，以提升系统的自动化控制效果：①最主要的就是要增加智能二次供水监测箱，通过人机交互功能的接入，实现对泵房机组的监测控制；②根据工业用水需求，选择相应的监测系统，如水质监测、视频安防、能耗监测、流量监测、环境监测等，这些监测系统的增加，能够有效提升原有泵房机组的全面监测效果，为自动化控制提升必要的保障。对各种监测功能的需求，是工业基础用水项目与城市用水的最大差别，因此水质监测、视频安防、能耗监测、流量监测、环境监测等监测系统的改造升级，是工业用水泵房标准化升级改造的重点任务。

3.4 旧电气设备的升级改造

在二次供水设备自动化升级改造中，有一部分情况是旧的电气设备功能落后、设备老化，升级需求明显。针对这种情况，直接进行电气设备升级是其改造的主要方式。旧电气设备的自动化升级改造，包括整套的电气自动化控制系统，包括远程监控平台、手机App、智能二次供水控制柜、人机交互模块、监测系统等。对旧电气设备的升级改造，首先要升级远程监控平台，通过远程监测数据，对智能二次供水控制柜进行数据收集，并对监测数据分析之后，做出控制决策，生成控制指令传达到智能二次供水控制柜，实现远程监测平台对二次供水系统的实时控制。

旧电气设备的升级改造是针对各种老旧住宅小区、宾馆、医院、学校、企业、商业综合体等的二次供水泵房进行的升级和改造。由于升级改造的任务较重，因此需要将改造项目分两部分进行，一部分是监控中心的改造升级，另一部分是二次供水泵房的现场改造。

3.5 控制系统的设计及应用

3.5.1 PLC控制系统的设计

（1）水箱控制的设计。当市政总管供水压力低于设定值时，需要自动开启水箱供水方式，应当设置自动切换水箱控制功能，根据市政总管供水压力标准进行设定；当水箱水位水平达到最低限度值时，需要自动停止泵房机组的工作状态，将相应的机组工作数据上传至控制中心。水箱控制功能实现，首先由进水管中的压力传感器需要对供水压力进行监测，当供水压力超过设定值时，接通进水管中的电动控制阀，实施关闭进水控制。另外，水箱控制中还应包括定时换水功能模块，功能设计为每24 h 更换一次，这样能够为水箱中的水质提供有效保障。

（2）PLC 柜控制的设计。PLC 柜是标准化二次供水设备电气自动化控制实现的最核心控制模块，实现软件和硬件的有效连接。PLC 柜首先对泵房机组各个设备进行远程的开关控制，其次，对各个机组设备运行数据进行实时采集和传输，通过与智能控制中心的实时交互，实现整个泵房的自动化控制。为满足二次供水设备自动化控制要求，采用西门子1200系列PLC 系统进行控制。PLC 柜控制主要包括五个控制功能，潜污泵、水箱电动阀、消毒设备、无水保护、显示功能。

①潜污泵控制功能。包括对潜污泵运行数据的监测收集，对系统液位监测报警，手动控制功能。其中运行数据监测收集涉及的运行数据有：潜污泵运行状态、停止状态、故障状态、本地运行数据、自动信息等，通过对这些信息的监测收集，根据相应的数据指标及对应程序，实现对潜污泵的控制。对系统液位的监测报警是在系统液位高于限定标准时，对潜污泵实施启动控制，反之则关闭。手动控制功能主要有手动控制开关。

②水箱电动阀控制功能。水箱电动阀控制功能包括两部分，一是手动模式下的控制，二是自动模式下的控制。手动模式下，对水箱的进水和直供水电动阀进行手动操作控制开关；自动模式下，根据系统设定，水箱自动完成进水和直供水的切换。

③消毒设备控制功能。包括对消毒设备进行自动控制和手动控制启停两部分。自动控制模式下需要根据对水质的监测设置标准，匹配相对应的消毒氯值，同时设定一个限度范围，保障消毒设备自动控制的实现；手动控制模式下，则由控制面板进行手动操作，控制消毒设备的启停及氯值。

④无水保护功能。在换水状态下，无水保护功能处于关闭状态，不启动无水保护；根据进水压力感应器感应结果，当进水压力低于设定标准时，则自动启动无水保护。

⑤显示功能。PLC 柜控制面板应当显示水箱的各种相关数据，包括水箱液位、进水流量、进水压力、消毒设备余氯值、水质数据、电动阀开关状态等，以上各种相关数据通过连接各个部位的传感器，实现数据的实时同步。另外，根据各个数据的设定值，当某个数据不在设置值范围时，则表示系统出现故障，需要能够在PLC 柜控制面板上显示故障数据及故障分析结果。

（3）变频柜控制的设计。变频柜控制功能包括手动状态、自动状态、保护功能3种。

①手动状态。手动状态下控制每一台泵组需要通过手动操作变频柜实现，首先，操作启动按钮，进行上限压力设置，保障泵组运行在正常范围内；其次，可选择恒定频率，使泵组以恒定状态运行。手动状态下的关闭，直接由控制面板的停止按钮控制。

②自动状态。自动状态下的变频柜控制功能实现，首先需要设定运行压力，由PLC 系统对运行的各项参数条件进行读取和分析，以判断当前设备运行状态是否满足自动运行要求。自动状态下，PLC 系统的数据分析内容主要有：第一，变频器故障检测，通过对变频器功能进行分析判断是否存在故障；第二，直供水管道压力，通过直供水管压力传感器读取压力数据，以0.2 MPa 持续10 s 以上为正常压力状态，PLC判断为直供水管道压力正常，启动自动供水状态；以0.1 MPa 持续10 s 以上为无水状态，PLC 判断为直供水管道压力异常，判断结果为系统无水，启动无水保护，各个泵组关闭；第三，对设定压力与反馈值进行比较，当系统反馈压力低于PLC 设定压力时，PLC系统判断为自动启动，结合变频柜故障分析结果，最终做出启动操作，当系统反馈压力处于PLC 设定压力标准时，PLC 系统判断为自动关闭，系统处于休眠状态。

③保护功能。自动保护功能能够有效保障系统的安全稳定运行，在出现影响安全运行的状态时，及时进行系统启停控制，保障安全运行状态。包括无水保护、爆管检测和压力保护3种。无水保护功能的实现见上述分析。爆管检测功能的实现需要系统对泵组运行状态频率进行实时监测，分为两种情况：一种是满频运行持续时间，系统设定中，两台泵组的满频运行状态持续30 s 以上则判断为爆管，系统自动停止运行；另一种是管道瞬时压力，当管道瞬时压力小于系统设定的标准范围，同时瞬时流量大于系统设定标准范围的情况下，系统也判断为爆管，系统自动停止运行。压力保护功能主要是对压力上下限进行监测，当压力超过或低于标准设定值范围时，且持续时间超过5 s时，则系统自动启动压力保护，当压力回归正常的标准设定值范围时且持续5 s 以上时，系统自动启动正常运行。

3.5.2 控制系统的应用

优化设计升级的自动化控制系统在应用中能够获得明显的效果，系统的自动化控制实现了二次供水系统安全、稳定的功能升级。以深圳市水务科技有限公司承建的深圳市水务集团福田分公司的景蜜村泵房标准化改造项目为例，通过标准化二次供水设备电气自动化控制系统的升级改造，实现了景蜜村泵房达到了“现场泵房无人值守，控制中心全面掌控”的目标。升级改造后的二次供水设备自动化控制系统拥有智慧化、标准化的特点，该泵房设计日供水能力为1584 m3，前期日供水量为390 m3，中期日供水量达到700 m3，为景蜜村小区周边2000多名用户提供了安全、稳定、优质的供水服务。

4 结束语

为了更好地保障二次供水系统的用户用水质量，提高用水稳定性，减少人工操作的工作强度，自动化控制系统的应用得到了不断的普及和推广，且获得了良好的成效。为了满足用户不断提升的用水要求，二次供水设备自动化控制是未来供水系统改革的必然方向，也带来了极大的社会效益和经济效益，未来关于本课题的研究将会进一步提升和完善。