随着经济社会的不断发展,建筑高度的不断增长,人们对生活与消防供水系统的可靠性、经济性提出了更高的要求。传统的供水系统由人工通过接触器直接控制水泵,24h值班进行操作,费时费力,对管网压力或水箱液位的变化不能做出准确及时的反应,且水泵为硬启动方式,对电网造成较大冲击,易形成水锤事故,对管网损害较大^[1]。

　　 针对以上问题,设计一套综合供水系统,此综合供水系统包括消防供水系统、生活供水系统及直饮水系统,通过增加ABB变频器与三菱PLC实现水泵的平滑启动及速度控制,根据现场管网压力情况完成水泵的自动切换及变频控制,增加智能仪表采集直饮水实时流量^[2],通过N:N网络将消防供水系统、生活供水系统及直饮水系统组建成工业现场级控制网络,采用北京亚控Kingview6.53上位机系统对此综合供水系统进行监控管理。

　　 综合供水系统应用于34层的办公大楼,生活供水采用高位水箱供水的方式,根据参考文献[3]高位水箱供水为恒流量间断运行,恒压变频调速供水为连续运行,高位水箱供水相比恒压变频调速供水耗能更低。

　　 因为办公大楼楼层较高,将楼层进行垂直分区,分为低区(1~15层)、中区(16~29层)和高区(30~34层),分别在15层、29层、34层放置低区水箱、中区水箱和高区水箱,水箱中的水既是消防供水,又是生活用水。

　　 消防供水系统的作用是当发生火灾时保证消防水管中管网压力的恒定,由控制器、变频器、压力变送器及低压电器组成,包括高区消防泵4个(45kW),中区消防泵4个(37kW),低区消防泵4个(22kW),此系统采用双恒压控制^[4],控制柜位于地下2层。

　　 生活供水系统的作用是使低区、中区、高区水箱中水位稳定在一定的范围内,保证消防供水和生活用水,由控制器、变频器、液位传感器及低压电器组成,包括高区生活泵2个(15kW),中区生活泵2个(15kW),低区生活泵2个(5.5kW),该系统采用恒液位控制,控制柜位于地下2层。

　　 直饮水系统位于34层,为整个办公大楼提供可以直接饮用的水源,取用高区水箱中的水按照净化水的流程进行处理,需要对进水阀、原水泵、计量泵、高压泵、供水泵等按固定的时序流程控制,净化处理后的水存放在净水箱中。

　　 中控室监控系统位于办公大楼1层,上位机选用组态王软件Kingview6.53监控各区水箱液位,管网压力,消防报警信号,各泵运行情况等,也可以直接通过监控画面进行手动启泵等操作。

　　 消防供水系统采用双恒压控制,设定2个恒定压力值,在无消防信号时,管网维持低压状态,有消防信号时,立即进行状态切换,运行高压状态。由于消防水泵只有在紧急情况下才会高速运行,大部分时间处于低速甚至停运状态,为防止水泵内部器件锈死,造成关键时刻不能快速启动,需要对消防水泵进行定期巡检,消防水泵每隔一段时间会以20 Hz的频率运行,这样既巡检了水泵又不会使管网出现压力较高的情况^[5]。为保证管网压力恒定,本系统采用闭环控制,压力变送器将采集到的管网压力信号传送给控制器,通过控制算法确定4个泵的运行方式,得到水泵的工频运行数量及变频器的输出频率,使消防泵能根据管网实际压力来调节转速,达到恒压的目的。图1为闭环控制系统原理。

　　 生活供水系统保证低区、中区、高区水箱的水源充足,供给消防供水和生活用水,采用恒液位控制方案,水箱液位必须时刻保证消防供水的需求量,故设定相应的下限值,低于下限时,水泵以一定的频率进行补水(高区、中区、低区各两个泵,进行轮流值守),补水到上限,水泵停止,采用设定上下限的方法可以防止水泵的频繁启动,延长水泵的使用寿命。

　　 直饮水系统以高区水箱作为水源,对原水按固定流程进行处理,当净水箱液位低于下限时,开启进水阀原水泵,使原水通过多介质过滤器与活性炭过滤器进行初步过滤,再经过加药箱计量泵及精密过滤器进行二次过滤,当系统检测到过滤水管达到一定压力后开启高压泵把水经反渗透主机氧水塔泵入净水箱。

　　 中控室通过工业控制网络监控消防供水系统、生活供水系统、直饮水系统的现场各参数及各自工作情况。

　　 此系统应用现场干扰较为严重,因此采用PLC作为控制器,综合供水系统需要控制点数不多,只有几台水泵接合器与阀的控制,所以选用三菱FX3U PLC^[6],硬件设备清单见表1。

　　 本系统通过投入式液位计ZRN701A测量水箱液位,采用DEC-208压力变送器读取消防管网压力信号。图2为控制系统配置情况。

　　 由于综合供水系统站点比较分散,若采用人工巡检,繁琐复杂,考虑到本系统并不复杂,数据传输量较小,综合供水系统采用N:N多重网络链接的通讯方式。

　　 N:N网络采用共享特定软元件的方式实现通信,最大支持8个站数的连接,单主站模式,各站可在规定的软元件地址写入数据实现整个网络子站内同一个软元件上的同步刷新,采用RS485半双工通信方式,编程简单^[7]。

　　 控制现场直饮水控制柜与消防供水控制柜距离较远,为保证通信质量本系统采用光纤进行数据传输。

　　 为了监控直饮水系统的瞬时流量及累积流量,采用WLY系列带RS485通讯接口的智能涡轮流量计,FX3UPLC可通过MODBUS协议读取流量数据^[8]。

　　 综合供水系统分为7个子系统,分别为高区消防系统、中区消防系统、低区消防系统、高区供水系统、中区供水系统、低区供水系统以及直饮水系统。7台PLC之间采用N:N网络进行通信,将高区消防站设为N:N网络主站,其余设为N:N网络从站。对于直饮水系统,需要与智能仪表通讯,将其设置为Modbus主站。为了提高直饮水系统站和高区消防系统站两站之间信号传输的可靠性和稳定性,采用光纤通信,在这两站分别添加通用串口/光纤中继转换器OPT35EXS。高区消防系统站通过SC-09编程电缆与上位机组态王进行通信连接,实现对整套综合供水系统的监控管理。综合供水系统现场总线控制结构如图3所示。

　　 本系统采用模拟量模块现场采集变频器电流、频率、管网压力、水箱液位等数据,工业现场各泵或变频器的启停会造成较多的电气干扰,需要在编程时加入平均值滤波程序。具体方法为设置N个数据缓冲区,每采集1个实时数,根据先入先出的原则,舍掉数据缓冲区中第1个值,剩下N-1个值分别向前平移1个地址区,把实时数放在第N个缓冲区里,对这N个数据求期望,这样每个采样周期只需采集1次,都可得到N个数据的算术平均值^[9]。

　　 生活供水系统与直饮水系统控制较为简单,这里主要介绍消防供水系统的控制流程,其过程为压力传感器把检测到的压力信号传给PLC,PLC把检测值与压力设定值比较。如果检测值小于压力设定值,通过PID运算,增大变频器的输出频率来提高管网压力,当变频器输出达到上限频率(49Hz)同时压力检测值仍小于设定值时,PLC切换交流接触器,把水泵与变频器断开,延时500 ms(防止变频器输出与工频短路),将此水泵转换为工频输出,再延时500ms,变频器以一定的启始频率启动1台新的主水泵;同理,如果检测值大于压力设定值,通过PID运算,减小变频器的输出频率来降低管网压力,当变频器运行在下限频率(20Hz)以下,同时压力检测值仍大于设定值时,按照先起先停的原则,停止首先进入工频运行的水泵^[10]。

　　 具体控制流程如图4所示。

　　 在N:N网络通信的应用过程中,首先对各站PLC进行通信设置。以直饮水站为例说明,高区消防系统站既是N:N网络从站,也是Modbus通信主站,N:N网络占用通道1,Modbus通信占用通道2,同时使用N:N网络与Modbus通信时,应先设定N:N网络再设定Modbus通信。

　　 此项目中各个分站都需要把大量数据传回到高区消防系统站,数据量较多,N:N网络已选择最大的刷新范围即模式2(8个字软元件,64个位软元件),并不能满足同时传输所有数据信息的要求,故采用分时传输的方法^[11]。

　　 上位机采用组态王Kingview6.5.3设计监控画面,包括主画面、历史曲线画面、报警记录画面,主画面直观动态地显示现场各重要参数,包括水箱液位、变频器频率、电流、过载情况、水压、水泵运行数量等参数,兼具远程控制功能,可直接通过上位机控制水泵启停;历史曲线画面显示水箱液位、变频器电流等模拟量曲线,消防供水系统垂直面见图5。

　　 通过N:N网络将7个分散的供水子系统构建成完整的一套综合供水系统,通过上位机实现统一监控和管理,克服了传统供水系统运行不可靠、效率低的问题,提高了系统自动化程度,大大减少了工作量,延长了水泵的平均使用寿命。