多功能農(nóng)村供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1 農(nóng)村供水系統(tǒng)引言
隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和社會的進(jìn)步,農(nóng)民的生活日漸富裕,對生活質(zhì)量的要求也日漸提高,而其生活用水質(zhì)量問題遠(yuǎn)沒有得到解決。在我國北方平原地區(qū)的廣大農(nóng)村,由水井向自來水過渡曾經(jīng)經(jīng)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(nóng)戶供水。這種方式存在供水二次污染、水塔損毀難于修,復(fù)等缺點(diǎn)。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?yàn)檗r(nóng)村自來水管網(wǎng)大多年久失修,比較脆弱,如果全 天候給水,水壓不能自動調(diào)節(jié)使其穩(wěn)定,經(jīng)常出現(xiàn)水壓過高管網(wǎng)迸裂的問題。另外,氣壓罐給水方式,水泵在開啟時對電網(wǎng)沖擊大、運(yùn)行過程中電能的浪費(fèi)嚴(yán)重。氣壓罐給水還經(jīng)常出現(xiàn)壓力開關(guān)失靈,造成氣壓罐壓力驟增,水泵不能正常停止,以致出現(xiàn)危險。因此,北方平原農(nóng)村基本上采用定時供水,農(nóng)戶用水缸或自打水坑儲 水來滿足生活用水的需要,嚴(yán)重影響供水質(zhì)量。還有一個問題就是地勢高的農(nóng)戶因水壓不夠,水管不能出水,就用管道泵接到自來水管網(wǎng)上來抽水,這樣又使其他農(nóng)戶水壓不夠,形成惡性循環(huán)。所以吃水問題仍是困擾農(nóng)民生活的一大難題?,F(xiàn)在城市普遍采用的變頻供水系統(tǒng),適用于高層集中供水,沒有被廣大農(nóng)村所接受,是因 為農(nóng)村供水的特點(diǎn)是揚(yáng)程低、面積大、管網(wǎng)薄弱、電壓不穩(wěn)定,農(nóng)村電工限于技術(shù)等條件,難于查找系統(tǒng)的常見故障原因等而仃機(jī)?;谏鲜銮闆r,針對目前農(nóng)村供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀,我們開發(fā)了適于農(nóng)村應(yīng)用的自動供水系統(tǒng)。已經(jīng)成功應(yīng)用在河北省的一些農(nóng)村,受到了廣泛的好評。
2 農(nóng)村供水系統(tǒng)簡介
農(nóng)村供水系統(tǒng)是由人機(jī)界面交互系統(tǒng)、恒壓供水系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)和水壓閉環(huán)控制系統(tǒng)四部分構(gòu)成。人機(jī)界面交互系統(tǒng)主要由型號為富士ug220h-lc4 5.7寸單色屏組成。ug220h-lc4功能強(qiáng)、價格便宜,具有三個通訊口及一個打印機(jī)口,可同時連接PLC并內(nèi)置萬年歷,可隨時調(diào)整時鐘,便于調(diào)整循 環(huán)啟動時間;可根據(jù)圖中的各電氣元件做相應(yīng)的動畫圖形,反映變頻器的啟/停、接觸器的吸合/斷開及電機(jī)的運(yùn)行/停止等; 還可顯示變頻器的工作頻率、電壓、電流等參數(shù),反映管網(wǎng)的設(shè)定壓力及實(shí)際壓力。使用中,編制相應(yīng)的說明書,對系統(tǒng)各部件的注意事項(xiàng)及維護(hù)等做相應(yīng)的介紹; 可通過動畫及文字等顯示系統(tǒng)的故障報警以及相應(yīng)的處理方式,便于農(nóng)村電工的學(xué)習(xí)和簡單維護(hù)。同時,可以通過在系統(tǒng)上留言作為交接班記錄;自動繪制日水壓變 化曲線進(jìn)行需水量日周期分析。由hmi時鐘自動描繪管網(wǎng)24h內(nèi)壓力變化曲線,既方便調(diào)試又方便設(shè)置,便于及時調(diào)整和監(jiān)控水壓變化,為系統(tǒng)的改進(jìn)收集資料。
變頻器農(nóng)村供水系統(tǒng)圖
供水系統(tǒng)主要由泵組、閥門、儀表、供水管網(wǎng)等組成,作為整個供水系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。變頻器恒壓供水系統(tǒng)如附圖所示。
水處理系統(tǒng)由靜電離子和臭氧 水處理器組成,安裝在供水管網(wǎng)中,可以減少農(nóng)村飲用水中的重金屬離子,并具有 除藻和緩蝕的功能,保障飲用水的衛(wèi)生。
整個農(nóng)村供水系統(tǒng)的核心是水壓閉環(huán)控制系統(tǒng),主要是由變頻調(diào)速器(vvvf)、人機(jī)界面(hmi)、數(shù)字pid調(diào)節(jié)器及主電路組成。其動作原理是根據(jù)管網(wǎng)用水 量的變化,調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的電源頻率和電壓,控制水泵的轉(zhuǎn)速,從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)供水量及節(jié)能的目的。其動作過程是在水泵出口干管上設(shè)壓力傳感器(yb),實(shí)時采集管網(wǎng)壓力信號,變頻器內(nèi)部將其轉(zhuǎn)換成模擬信號,經(jīng)過放大與轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,進(jìn)入處理器。通過運(yùn)算與設(shè)定水壓值比較,得出偏差量,經(jīng)過pid運(yùn)算、 d/a轉(zhuǎn)換把這一參數(shù)送給變頻器,控制電機(jī)電源頻率變化,調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速,從而達(dá)到恒壓變量供水的目的。
3 農(nóng)村供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
現(xiàn)以某村的實(shí)際狀態(tài)來說明(該村有3126口人,618戶)。因農(nóng)村除滿足生活用水外,還須澆菜園(農(nóng)戶庭院菜園),但只在春、夏兩季澆園。故農(nóng)村用水季 節(jié)性較強(qiáng),夏季用水達(dá)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(fù)荷變化較大。在工程設(shè)計(jì)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(yáng)程65m,電機(jī)功率 13kw。由于潛水泵電機(jī)的額定電流比普通電機(jī)偏大,而且潛水泵電機(jī)運(yùn)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(jī) frn18.5g11s-4cx變頻器,它具有pid功能,可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制,適宜應(yīng)用于供水系統(tǒng)。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(jī)及hmi進(jìn)行直接通訊;它的端子具有自由設(shè)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(shè)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(tǒng)充分利用人機(jī)界面hmi與變頻器通訊的特點(diǎn),無須plc及專用設(shè)備。通過對hmi的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)定時自動供水以減少水的浪費(fèi)。傳感器選 用xtz-150型0~1.0mpa的遠(yuǎn)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(yīng)的電阻變化,作為壓力反饋,且價格低廉、可靠耐用。
農(nóng)村供水系統(tǒng)共有兩種工作方式:手動方式、自動方式。系統(tǒng)工作在手動方式時,水泵的定時切除由時間繼電器執(zhí)行。此種工作方式主要用于檢修,亦可用于系統(tǒng)故障時,保證供水系統(tǒng)的連續(xù)性和可靠性。
系統(tǒng)工作在自動工作方式時,根據(jù)農(nóng)村地況的要求來設(shè)定壓力。在恒定壓力的基礎(chǔ)上,隨著供水量的變化自動調(diào)節(jié)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)恒壓變流量的節(jié)能供水,兩臺水泵遞次循環(huán)軟起動,從而無水壓波動和頻繁啟動對電網(wǎng)的沖擊,也防止了對管網(wǎng)的沖擊和某臺水泵長期不用而導(dǎo)致的銹死,延長了設(shè)備的壽命。
農(nóng)村供水系統(tǒng)具有過載保護(hù)、短路保護(hù)、過電壓保護(hù)、缺相保護(hù)、欠壓保護(hù)、過熱保護(hù)、過電流保護(hù)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(dāng)變頻器發(fā)生故障時能立即發(fā)出聲光報警并輸出信號給控制器,實(shí)現(xiàn)保護(hù),防止故障擴(kuò)大,并在hmi界面上通過動畫和文字顯示故障報警和相應(yīng)的處理方法。特別適合于農(nóng)村電工及時、正確的排除故障。
4農(nóng)村供水系統(tǒng)結(jié)束語
農(nóng)村供水系統(tǒng)適用于平原地區(qū)的廣大農(nóng)村,它具有以下優(yōu)點(diǎn):避免了高位水箱儲水環(huán)節(jié)和高壓罐給水的弊端,避免了水質(zhì)的二次污染,采用了靜電、臭氧處理,使水質(zhì)穩(wěn)定,保證了居民用水安全。采用變頻調(diào)速供水方式,水泵的轉(zhuǎn)速隨著管網(wǎng)流量的變化而變化,因?yàn)檩S功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比,所以與氣壓罐給水方式的恒速泵運(yùn) 行方式相比,明顯地節(jié)省電能,根據(jù)計(jì)算和實(shí)測,由于采用變頻器而增加的投資在運(yùn)行后一年至一年半即可收回。該系統(tǒng)的泵組及控制系統(tǒng)集中設(shè)在泵房,占地面積小、安裝快、投資省,適應(yīng)了農(nóng)村資金不足的情況;全自動運(yùn)行、無人值守、可靠性高;由于實(shí)現(xiàn)了人機(jī)界面交互方式,適于農(nóng)村人員維護(hù)和檢修;變頻調(diào)速水泵的 啟動為軟啟動,減少了對水泵及管網(wǎng)的沖擊,適應(yīng)農(nóng)村管網(wǎng)的特點(diǎn);多臺泵組采用先投入,先退出的運(yùn)行方式,確保每臺泵的運(yùn)行時間相同,能夠有效延長泵組的使用壽命。
多功能農(nóng)村供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)