鄉村型智能多功能無塔供水機組的設計與實現
鄉村型智能多功能無塔供水機組的設計與實現
1 引言
隨著我國國民經濟的不斷發展和社會的進步，農民的生活日漸富裕，對生活質量的要求也日漸提高，而其生活用水質量問題遠沒有得到解決。在我國北方平原地區的廣大農村，由水井向自來水過渡曾經經過以下幾個時期:
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戶供水。這種方式存在供水二次污染、水塔損毀難于修復等缺點。
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，因為農村自來水管網大多年久失修，比較脆弱，如果全天候給水，水壓不能自動調節使其穩定，經常出現水壓過高管網迸裂的問題。另外，氣壓罐給水方式，水泵在開啟時對電網沖擊大、運行過程中電能的浪費嚴重。氣壓罐給水還經常出現壓力開關失靈，造成氣壓罐壓力驟增，水泵不能正常停止，以致出現危險。因此，北方平原農村基本上采用定時供水，農戶用水缸或自打水坑儲水來滿足生活用水的需要，嚴重影響供水質量。還有一個問題就是地勢高的農戶因水壓不夠，水管不能出水，就用管道泵接到自來水管網上來抽水，這樣又使其他農戶水壓不夠，形成惡性循環。
所以吃水問題仍是困擾農民生活的一大難題。現在城市普遍采用的變頻無塔供水機組，適用于高層集中供水，沒有被廣大農村所接受，是因為農村供水的特點是揚程低、面積大、管網薄弱、電壓不穩定，農村電工限于技術等條件，難于查找系統的常見故障原因等而仃機。基于上述情況，針對目前農村無塔供水機組的現狀，我們開發了適于農村應用的自動無塔供水機組。已經成功應用在河北省的一些農村，受到了廣泛的好評。
2 無塔供水機組系統簡介
本無塔供水機組是由人機界面交互系統、恒壓供水系統、水處理系統和水壓閉環控制系統四部分構成。人機界面交互系統主要由型號為富士ug220h-lc4 5.7寸單色屏組成。ug220h-lc4功能強、價格便宜，具有三個通訊口及一個打印機口，可同時連接plc并內置萬年歷，可隨時調整時鐘，便于調整循環啟動時間;可根據圖中的各電氣元件做相應的動畫圖形，反映變頻器的啟/停、接觸器的吸合/斷開及電機的運行/停止等; 還可顯示變頻器的工作頻率、電壓、電流等參數，反映管網的設定壓力及實際壓力。使用中，編制相應的說明書，對系統各部件的注意事項及維護等做相應的介紹;可通過動畫及文字等顯示系統的故障報警以及相應的處理方式，便于農村電工的學習和簡單維護。同時，可以通過在系統上留言作為交接班記錄;自動繪制日水壓變化曲線進行需水量日周期分析。由hmi時鐘自動描繪管網24h內壓力變化曲線，既方便調試又方便設置，便于及時調整和監控水壓變化，為系統的改進收集資料。
無塔供水機組主要由泵組、閥門、儀表、供水管網等組成，作為整個供水系統的基礎設施系統。變頻器恒壓供水系統如附圖所示。
水處理系統由靜電離子和臭氧水處理器組成，安裝在供水管網中，可以減少農村飲用水中的重金屬離子，并具有殺菌、除藻和緩蝕的功能，保障飲用水的衛生。
整個無塔供水機組的核心是水壓閉環控制系統，主要是由變頻調速器(vvvf)、人機界面(hmi)、數字pid調節器及主電路組成。其動作原理是根據管網用水量的變化，調節水泵電機的電源頻率和電壓，控制水泵的轉速,從而實現調節供水量及節能的目的。其動作過程是在水泵出口干管上設壓力傳感器(yb)，實時采集管網壓力信號，變頻器內部將其轉換成模擬信號，經過放大與轉換，轉換成數字信號，進入處理器。通過運算與設定水壓值比較，得出偏差量，經過pid運算、d/a轉換把這一參數送給變頻器,控制電機電源頻率變化，調節水泵的轉速，從而達到恒壓變量供水的目的。
3 無塔供水機組系統設計
現以某村的實際狀態來說明(該村有3126口人，618戶)。因農村除滿足生活用水外，還須澆菜園(農戶庭院菜園)，但只在春、夏兩季澆園。故農村用水季節性較強，夏季用水達到高峰，冬季僅滿足生活用水，洗澡較少，所以冬季是用水低谷，年用水負荷變化較大。在工程設計時，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,揚程65m，電機功率13kw。由于潛水泵電機的額定電流比普通電機偏大，而且潛水泵電機運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frn18.5g11s-4cx變頻器，它具有pid功能，可實現閉環恒壓控制，適宜應用于供水系統。另外還具有串行通訊功能，自帶rs-485通訊功能，可以與上位機及hmi進行直接通訊;它的端子具有自由設定功能，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，本系統充分利用人機界面hmi與變頻器通訊的特點，無須plc及專用設備。通過對hmi的設置可實現定時自動供水以減少水的浪費。傳感器選用xtz-150型0~1.0mpa的遠傳壓力表。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。
該無塔供水機組共有兩種工作方式:手動方式、自動方式。系統工作在手動方式時，水泵的定時切除由時間繼電器執行。此種工作方式主要用于檢修，亦可用于系統故障時，保證供水系統的連續性和可靠性。
無塔供水機組工作在自動工作方式時，根據農村地況的要求來設定壓力。在恒定壓力的基礎上，隨著供水量的變化自動調節水泵電機轉速，實現恒壓變流量的節能供水，兩臺水泵遞次循環軟起動，從而無水壓波動和頻繁啟動對電網的沖擊，也防止了對管網的沖擊和某臺水泵長期不用而導致的銹死，延長了設備的壽命。
該無塔供水機組具有過載保護、短路保護、過電壓保護、缺相保護、欠壓保護、過熱保護、過電流保護以及過電壓、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。當變頻器發生故障時能立即發出聲光報警并輸出信號給控制器，實現保護，防止故障擴大，并在hmi界面上通過動畫和文字顯示故障報警和相應的處理方法。特別適合于農村電工及時、正確的排除故障。
3 結束語
本無塔供水機組適用于平原地區的廣大農村，它具有以下優點:避免了高位水箱儲水環節和高壓罐給水的弊端，避免了水質的二次污染，采用了靜電、臭氧處理，使水質穩定，保證了居民用水安全。采用變頻調速供水方式，水泵的轉速隨著管網流量的變化而變化，因為軸功率與轉速的三次方成正比，所以與氣壓罐給水方式的恒速泵運行方式相比，明顯地節省電能，根據計算和實測，由于采用變頻器而增加的投資在運行后一年至一年半即可收回。該無塔供水機組系統的泵組及控制系統集中設在泵房，占地面積小、安裝快、投資省，適應了農村資金不足的情況;全自動運行、無人值守、可靠性高;由于實現了人機界面交互方式，適于農村人員維護和檢修;變頻調速水泵的啟動為軟啟動，減少了對水泵及管網的沖擊，適應農村管網的特點;多臺泵組采用先投入，先退出的運行方式，確保每臺泵的運行時間相同，能夠有效延長泵組的使用壽命。
該無塔供水機組工程造價為4萬元，以河北省為例，河北省有120個縣，以每個縣平均有150個自然村計算，則僅河北省農村供水就有7億2千萬元的潛在市場。實踐證明本無塔供水機組系統運行穩定可靠，實現了真正意義上無人值守，使農民能像城里人一樣使用上真正的自來水，節能也達到了預期的設計目的。希望隨著新技術在廣大農村的應用，能確實提高農民的生活水平，為老百姓多做一些實事。
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