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乡村型多功能变频供水系统的设计与实现
乡村型多功能变频供水系统的设计与实现

时间:2013/12/22 21:58:01

  核心提示: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:...

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供水系统,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,针对目前农村供水系统的现状,我们开发了适于农村应用的自动供水系统。已经成功应用在河北省的一些农村,受到了广泛的好评。

2 系统简介
本供水系统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。

乡村型多功能变频供水系统的设计与实现


附图 变频器恒压供水系统图
供水系统主要由泵组、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。
整个供水系统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 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。
该系统共有两种工作方式: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。
系统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。
该系统具有过载保护、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
本系统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。
该系统工程造价为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。

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