乡村型智能多功能无塔供水机组的设计与实现

1 引言

      随着我国国民经济的不断发展和社会的进步，农民的生活日渐富裕，对生活质量的要求也日渐提高，而其生活用水质量问题远没有得到解决。在我国北方平原地区的广大农村，由水井向自来水过渡曾经经过以下几个时期:

      第一代是水塔供水方式，由深井泵将地下水抽上水塔，由水塔通过管路给各农户供水。这种方式存在供水二次污染、水塔损毁难于修复等缺点。

      第二代是气压罐供水方式，气压罐供水也存在水的二次污染问题。另外，因为农村自来水管网大多年久失修，比较脆弱，如果全天候给水，水压不能自动调节使其稳定，经常出现水压过高管网迸裂的问题。另外，气压罐给水方式，水泵在开启时对电网冲击大、运行过程中电能的浪费严重。气压罐给水还经常出现压力开关失灵，造成气压罐压力骤增，水泵不能正常停止，以致出现危险。因此，北方平原农村基本上采用定时供水，农户用水缸或自打水坑储水来满足生活用水的需要，严重影响供水质量。还有一个问题就是地势高的农户因水压不够，水管不能出水，就用管道泵接到自来水管网上来抽水，这样又使其他农户水压不够，形成恶性循环。

      所以吃水问题仍是困扰农民生活的一大难题。现在城市普遍采用的变频无塔供水机组，适用于高层集中供水，没有被广大农村所接受，是因为农村供水的特点是扬程低、面积大、管网薄弱、电压不稳定，农村电工限于技术等条件，难于查找系统的常见故障原因等而仃机。基于上述情况，针对目前农村无塔供水机组的现状，我们开发了适于农村应用的自动无塔供水机组。已经成功应用在河北省的一些农村，受到了广泛的好评。

2 无塔供水机组系统简介

      本无塔供水机组是由人机界面交互系统、恒压供水系统、水处理系统和水压闭环控制系统四部分构成。人机界面交互系统主要由型号为富士ug220h-lc4 5.7寸单色屏组成。ug220h-lc4功能强、价格便宜，具有三个通讯口及一个打印机口，可同时连接plc并内置万年历，可随时调整时钟，便于调整循环启动时间;可根据图中的各电气元件做相应的动画图形，反映变频器的启/停、接触器的吸合/断开及电机的运行/停止等; 还可显示变频器的工作频率、电压、电流等参数，反映管网的设定压力及实际压力。使用中，编制相应的说明书，对系统各部件的注意事项及维护等做相应的介绍;可通过动画及文字等显示系统的故障报警以及相应的处理方式，便于农村电工的学习和简单维护。同时，可以通过在系统上留言作为交接班记录;自动绘制日水压变化曲线进行需水量日周期分析。由hmi时钟自动描绘管网24h内压力变化曲线，既方便调试又方便设置，便于及时调整和监控水压变化，为系统的改进收集资料。

      无塔供水机组主要由泵组、阀门、仪表、供水管网等组成，作为整个供水系统的基础设施系统。变频器恒压供水系统如附图所示。

      水处理系统由静电离子和臭氧水处理器组成，安装在供水管网中，可以减少农村饮用水中的重金属离子，并具有杀菌、除藻和缓蚀的功能，保障饮用水的卫生。

      整个无塔供水机组的核心是水压闭环控制系统，主要是由变频调速器(vvvf)、人机界面(hmi)、数字pid调节器及主电路组成。其动作原理是根据管网用水量的变化，调节水泵电机的电源频率和电压，控制水泵的转速,从而实现调节供水量及节能的目的。其动作过程是在水泵出口干管上设压力传感器(yb)，实时采集管网压力信号，变频器内部将其转换成模拟信号，经过放大与转换，转换成数字信号，进入处理器。通过运算与设定水压值比较，得出偏差量，经过pid运算、d/a转换把这一参数送给变频器,控制电机电源频率变化，调节水泵的转速，从而达到恒压变量供水的目的。 

3 无塔供水机组系统设计

      现以某村的实际状态来说明(该村有3126口人，618户)。因农村除满足生活用水外，还须浇菜园(农户庭院菜园)，但只在春、夏两季浇园。故农村用水季节性较强，夏季用水达到高峰，冬季仅满足生活用水，洗澡较少，所以冬季是用水低谷，年用水负荷变化较大。在工程设计时，采用了有二台水泵，冬季一台潜水泵可满足需要;夏季则需要两台潜水泵同时工作(一台工频、一台变频工作)。选用200qj50-65型潜水泵，流量50m3/h,扬程65m，电机功率13kw。由于潜水泵电机的额定电流比普通电机偏大，而且潜水泵电机运行一段时间后通常启动较困难，所以选用配套18.5kw变频器。为此选用富士电机frn18.5g11s-4cx变频器，它具有pid功能，可实现闭环恒压控制，适宜应用于供水系统。另外还具有串行通讯功能，自带rs-485通讯功能，可以与上位机及hmi进行直接通讯;它的端子具有自由设定功能，可将x1-x8中8个输入端子和y1-y4中4个输出端子设定为自由定义口,在硬件上解决了hmi无i/o端子问题。hmi选用富士的ug220h-lc4 5.7寸单色，本系统充分利用人机界面hmi与变频器通讯的特点，无须plc及专用设备。通过对hmi的设置可实现定时自动供水以减少水的浪费。传感器选用xtz-150型0~1.0mpa的远传压力表。此种压力表既有显示压力功能，同时也可将压力变化变成相应的电阻变化，作为压力反馈，且价格低廉、可靠耐用。

      该无塔供水机组共有两种工作方式:手动方式、自动方式。系统工作在手动方式时，水泵的定时切除由时间继电器执行。此种工作方式主要用于检修，亦可用于系统故障时，保证供水系统的连续性和可靠性。

      无塔供水机组工作在自动工作方式时，根据农村地况的要求来设定压力。在恒定压力的基础上，随着供水量的变化自动调节水泵电机转速，实现恒压变流量的节能供水，两台水泵递次循环软起动，从而无水压波动和频繁启动对电网的冲击，也防止了对管网的冲击和某台水泵长期不用而导致的锈死，延长了设备的寿命。

      该无塔供水机组具有过载保护、短路保护、过电压保护、缺相保护、欠压保护、过热保护、过电流保护以及过电压、过载、欠电压瞬间断电再启动功能，并具有完备的故障记录供查阅。当变频器发生故障时能立即发出声光报警并输出信号给控制器，实现保护，防止故障扩大，并在hmi界面上通过动画和文字显示故障报警和相应的处理方法。特别适合于农村电工及时、正确的排除故障。

3 结束语

      本无塔供水机组适用于平原地区的广大农村，它具有以下优点:避免了高位水箱储水环节和高压罐给水的弊端，避免了水质的二次污染，采用了静电、臭氧处理，使水质稳定，保证了居民用水安全。采用变频调速供水方式，水泵的转速随着管网流量的变化而变化，因为轴功率与转速的三次方成正比，所以与气压罐给水方式的恒速泵运行方式相比，明显地节省电能，根据计算和实测，由于采用变频器而增加的投资在运行后一年至一年半即可收回。该无塔供水机组系统的泵组及控制系统集中设在泵房，占地面积小、安装快、投资省，适应了农村资金不足的情况;全自动运行、无人值守、可靠性高;由于实现了人机界面交互方式，适于农村人员维护和检修;变频调速水泵的启动为软启动，减少了对水泵及管网的冲击，适应农村管网的特点;多台泵组采用先投入，先退出的运行方式，确保每台泵的运行时间相同，能够有效延长泵组的使用寿命。

      该无塔供水机组工程造价为4万元，以河北省为例，河北省有120个县，以每个县平均有150个自然村计算，则仅河北省农村供水就有7亿2千万元的潜在市场。实践证明本无塔供水机组系统运行稳定可靠，实现了真正意义上无人值守，使农民能像城里人一样使用上真正的自来水，节能也达到了预期的设计目的。希望随着新技术在广大农村的应用，能确实提高农民的生活水平，为老百姓多做一些实事。