1　校園供水存在的問題

高校校園的供水和一般城市供水相比較為特殊。主要是由于校園內(nèi)學(xué)生住宿區(qū)一般都較為集中，造成了學(xué)生宿舍、食堂的用水十分集中，且用水量較大。而其它建筑物如教室、實(shí)驗(yàn)室、教師住宿區(qū)等的用水量則相對較少。同時，用水的時間性強(qiáng)，一般在早上6∶00～8∶00，中午11∶00～2∶00，下午5∶00～7∶00，晚上9∶00～10∶00四個時間段用水量最大，而其它時間則用水量一般。某高校的某區(qū)供水方式為：把城市自來水管網(wǎng)的水源取到蓄水池后，用水泵抽到校園內(nèi)高位水池，再由高位水池向校園管網(wǎng)供水。隨著高校的擴(kuò)招，學(xué)生人數(shù)顯著增多，造成了經(jīng)常性的供水不足，特別是學(xué)生宿舍和食堂最為明顯，影響了學(xué)生和教師的正常生活秩序，同時該供水方式還存在如下問題：

(1)供水成本高。由于校園內(nèi)的用水全部采用水泵供水，造成電能的極大浪費(fèi)和機(jī)電設(shè)備的大量損耗。

(2)供水可靠性低。由于水泵采用人工操作方式，高位水池的水位只能靠人為估計，而且高位水池離水泵房較遠(yuǎn)，無法做到準(zhǔn)時開機(jī)和停機(jī)。會造成供水中斷或出現(xiàn)高位水池水位過高而溢流，電能和水資源造成浪費(fèi)。另外，如果蓄水池水位過低，還會造成水泵空轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電能浪費(fèi)和機(jī)電設(shè)備的加速損耗。

(3)水資源浪費(fèi)。除水泵不能準(zhǔn)時停機(jī)而造成的溢流浪費(fèi)外。學(xué)生因高峰期供水中斷，故經(jīng)常打開閥門未關(guān)，造成來水后的浪費(fèi)。很多學(xué)生在上課前或睡覺前打開閥門，用水桶或臉盆接水、貯水，造成來水后大量溢流，極大地浪費(fèi)了水資源，增大了供水成本。

(4)校園管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計有缺陷。對于一般建筑物，如教室、實(shí)驗(yàn)室、教師住宿區(qū)等，本來城市自來水的正常供水即可滿足其用水量要求，但采用水泵供水后反而會出現(xiàn)供水不足的現(xiàn)象。同時，用水量大的學(xué)生宿舍屋頂水池設(shè)計偏小，調(diào)節(jié)能力較差。

2　改造思路

（1）校園供水以自來水供水為主，水泵供水為輔。由于自來水采用多廠聯(lián)合供水的方式，并設(shè)有大量的多級調(diào)節(jié)水池和加壓泵站，對水壓和水量的調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)。且自來水對供電事故的應(yīng)急能力較強(qiáng)，機(jī)電設(shè)備的備用率較高，特別是經(jīng)過近幾年的管網(wǎng)改造，供水可靠性大大提高。因此，校園供水應(yīng)充分利用自來水管網(wǎng)所提供的水壓，滿足校園供水中的大部分需要。針對用水量較大、用水集中、時間性強(qiáng)的學(xué)生宿舍和食堂，在用水高峰期會出現(xiàn)供水不足的情況。應(yīng)在自來水正常供水的情況下，采用水泵供水作為輔助措施，發(fā)揮校園內(nèi)蓄水池、高位水池和屋頂水池的貯水作用。這種供水方式既節(jié)約了大量電能，降低機(jī)電設(shè)備的損耗，獲得良好經(jīng)濟(jì)效益，又提高了供水的可靠性，滿足校園的特殊供水需要。

（2）水泵供水采用自動控制方式。采用自動控制方式雖然會增加一些投資費(fèi)用，但這部分費(fèi)用與供水中的土建投資和機(jī)電設(shè)備投資相比是很小的。加上現(xiàn)在的自動控制裝置技術(shù)成熟，可靠性高，既減少了人為因素的影響，提高了水泵供水的可靠性和準(zhǔn)確性，又可減輕工作人員的工作量，降低能耗和機(jī)電設(shè)備的損耗，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，特別是長期運(yùn)行，效益更加顯著。對于自動控制裝置的投資，也將因節(jié)水節(jié)能而很快回收。

3　具體改造方案

3.1　對校園供水管網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)改造

該校園的高位水池地理位置較高，通過對該校園附近的自來水管網(wǎng)壓力進(jìn)行多次實(shí)測，發(fā)現(xiàn)在自來水管網(wǎng)壓力最高時，也不會造成高位水池溢流。因此，在改造時設(shè)置一條管路直接把城市供水管網(wǎng)和校園供水管網(wǎng)連接起來，并在管路上安裝質(zhì)量較好的倒流防止器，只允許水流從城市管網(wǎng)流向校園管網(wǎng)，利用自來水自身的壓力向校園管網(wǎng)供水，滿足校園供水的大部分需要。而且當(dāng)自來水管網(wǎng)壓力較高時（如深夜），還可實(shí)現(xiàn)各屋頂水池的貯水功能。對于高位水池，也能完成部分貯水任務(wù)，從而減少水泵的供水量，節(jié)約能耗，降低供水成本。如果在自來水管網(wǎng)壓力最高時，會造成高位水池溢流，則在上述管路改造的基礎(chǔ)上，還需在高位水池的出水干管上增加一個止回閥，只允許水從高位水池流出。并從城市管網(wǎng)上另引一路水管到高位水池，且用浮球閥控制其進(jìn)水，以防止高位水池溢流。

3.2　水泵改為自動控制方式

在原有的水泵手動控制系統(tǒng)中，設(shè)有2臺水泵，1用1備，但水泵出水干管的口徑是按一臺水泵運(yùn)行設(shè)計的。故在改造時不考慮兩臺水泵同時運(yùn)行的情況，否則需對水泵出水干管進(jìn)行增徑改造。又由于水泵功率較大，故原系統(tǒng)配有自耦減壓啟動器，以減小啟停時的沖擊。

根據(jù)原系統(tǒng)的實(shí)際情況，為實(shí)現(xiàn)水泵的自動控制，設(shè)置一套自動控制裝置，設(shè)置3個液位開關(guān)，其中2個安裝于高位水池，1個安裝于蓄水池。同時，為了加強(qiáng)水泵的故障判斷，以便及時修理，在水泵出水干管上設(shè)置一只電接點(diǎn)壓力表，根據(jù)水泵運(yùn)行時其壓力是否達(dá)到預(yù)定值來判斷水泵是否出現(xiàn)故障。當(dāng)然，更可靠的判斷方法是設(shè)置示流信號器，即根據(jù)水泵出水管路上的示流信號器是否動作來進(jìn)行判斷，但示流信號器只能用于較小口徑的管路上，且安裝比較麻煩，而采用電接點(diǎn)壓力表的判斷方法既方便又可靠。另外，設(shè)置報警功能，并將報警信號遠(yuǎn)送值班室，以便值班人員對報警情況及時掌握。這樣，根據(jù)水池水位、電接點(diǎn)壓力表的情況來實(shí)現(xiàn)水泵的自動控制。正常情況下，利用工作泵進(jìn)行供水，當(dāng)工作泵出現(xiàn)故障時，則利用備用泵進(jìn)行供水，并由自動裝置對工作泵和備用泵進(jìn)行自動切換，使設(shè)備得到均衡利用，這對延長設(shè)備使用壽命是很有好處的。其供水原理示意見圖1，圖1中的虛線部分為增加內(nèi)容。

圖1　供水原理

4　水泵自動控制系統(tǒng)

4.1　設(shè)備選擇與設(shè)計

水泵的控制過程為簡單的邏輯控制，開關(guān)量輸入輸出點(diǎn)數(shù)需求較少。如果采用繼電器控制方式來實(shí)現(xiàn)，則接線較為復(fù)雜，可靠性較低；如果采用通用可編程序控制器（PLC）來實(shí)現(xiàn)，則輸入輸出點(diǎn)數(shù)浪費(fèi)較大，成本較高；如果采用西門子微型可編程序控制器LOGO!來實(shí)現(xiàn)，則既能滿足控制要求，又使成本相對較低，而且具有較高的可靠性，即性價比高，比較適合本系統(tǒng)。

LOGO!是西門子通用邏輯控制模塊，是一種微型PLC。它集編程、顯示、控制為一體，具有編程方便、抗干擾強(qiáng)、體積小巧、價位較低的突出優(yōu)點(diǎn)。它具有多種功能，如與、或、非、與非、或非、異或、延時繼電器、脈沖觸發(fā)器、時鐘、RS觸發(fā)器、計時器、計數(shù)器、日歷觸發(fā)開關(guān)等。并有多種型號，以滿足輸入輸出點(diǎn)數(shù)、電壓等級、通訊等不同功能的需要。而且軟件編程十分簡便，可利用操作面板的LCD顯示屏和6個操作鍵對功能塊進(jìn)行連接構(gòu)成功能塊圖即可。同時，運(yùn)行時可顯示輸入、輸出狀態(tài)、星期、時間等信息，也可隨時修改有關(guān)控制參數(shù)。可見，LOGO!和通用PLC相比，具有編程操作簡單、編程語言易學(xué)、成本較低、參數(shù)顯示和設(shè)置方便等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于點(diǎn)數(shù)較少的邏輯控制場合，特別適合用在單機(jī)或小系統(tǒng)中。

根據(jù)水泵的控制要求及報警要求，控制器具體選為LOGO!230RCL，它具有12路開關(guān)量輸入（230VAC），8路繼電器輸出（230VAC，阻性10A，感性3A），采用230VAC供電。如果不設(shè)置報警功能，控制裝置選擇LOGO!230RC更適合，它具有6路開關(guān)量輸入，4 路繼電器輸出，其輸入輸出點(diǎn)數(shù)滿足要求。

由于自耦減壓啟動器使用380VAC的交流接觸器，而LOGO !230RCL輸出繼電器的電壓要求小于240 V,為此增設(shè)4只質(zhì)量較好的中間繼電器，用于對電壓等級進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并取消原系統(tǒng)的中間繼電器和時間繼電器，由LOGO!直接完成整個減壓啟動的邏輯過程，以簡化接線，減少故障點(diǎn)，提高運(yùn)行可靠性。液位開關(guān)和電接點(diǎn)壓力表要選擇質(zhì)量較好的產(chǎn)品。另外，增設(shè)一只空氣開關(guān)，用于對LOGO!供電的保護(hù)，增設(shè)4顆紅色信號燈，用于報警顯示，增設(shè)1只點(diǎn)動復(fù)位按鈕，用于對水泵故障報警狀態(tài)進(jìn)行復(fù)位。

圖2　硬件接線原理

圖2為硬件接線原理圖，其中1SW為蓄水池低限水位，2SW為開泵水位，這兩個水位均采用常閉觸點(diǎn)。3SW為停泵水位，DYL為電接點(diǎn)壓力表輸出觸點(diǎn)，F(xiàn)W為水泵報警復(fù)位點(diǎn)動按鈕觸點(diǎn)，這三個觸點(diǎn)均采用常開觸點(diǎn)。這樣設(shè)置常開和常閉觸點(diǎn)，可使LOGO!的輸入在大部分工作時間內(nèi)為無電壓狀態(tài)，只有短時間內(nèi)會出現(xiàn)帶電狀態(tài)。中間繼電器1ZJ，2ZJ用于1＃水泵，3ZJ，4ZJ用于2＃水泵。報警指示燈1HD用于 1＃水泵故障報警，2HD 用于2＃水泵故障報警，3HD用于蓄水池水位過低報警，4HD 用于高位水池液位開關(guān)故障報警。1JLC為水泵正常運(yùn)行接觸器，2JLC為減壓啟動接觸器，3JLC為星點(diǎn)接觸器。RJ為熱繼電器觸點(diǎn)，RD為熔斷器，K1為LOGO!電源的保護(hù)空氣開關(guān)。

4.2　軟件設(shè)計

根據(jù)水泵的自動控制改造方案及硬件配置情況，利用LOGO!的顯示屏和操作鍵，對功能塊進(jìn)行連接，就可完成軟件編程，得到圖3所示的邏輯控制功能塊圖。

圖3　邏輯控制功能塊示意

當(dāng)高位水池的水位降到開泵水位后，工作泵啟動，如果工作泵故障，則備用泵啟動，當(dāng)水位升到停泵水位后，水泵停止工作；當(dāng)蓄水池水位降到低限水位以下時，報警指示燈3HD 點(diǎn)亮，同時禁止啟動水泵，對于此前已啟動的水泵，則立即停止，以防水泵因無水而空轉(zhuǎn)。當(dāng)高位水池的液位開關(guān)出現(xiàn)邏輯錯誤時，即停泵水位顯示有水，而開泵水位顯示無水，則報警指示燈4HD點(diǎn)亮，同時禁止啟動水泵，對于此前已啟動的水泵，則立即停止，以防水泵因液位開關(guān)故障而誤動作。當(dāng)水泵運(yùn)行15 s（根據(jù)試驗(yàn)確定）后，如果電接點(diǎn)壓力表觸點(diǎn)DYL 未閉合，即水泵壓力未達(dá)到預(yù)定值，則說明水泵抽水失敗，判斷為水泵故障。此時，把故障水泵退出運(yùn)行，點(diǎn)亮報警指示 燈，并進(jìn)行鎖定，直到修復(fù)后，由人工用復(fù)位按鈕FW進(jìn)行復(fù)位，才能再次開啟水泵。水泵的減壓啟動邏輯過程為：LOGO!的輸出Q1（或Q3）閉合后，中間繼電器1ZJ（或3ZJ）閉合，使交流接觸器3JLC和2JLC閉合，并啟動軟件延時，延時10 s（根據(jù)自耦減壓啟動器要求設(shè)定）后，1ZJ（3ZJ）跳開，使 3JLC，2JLC退出運(yùn)行，最后通過Q2（或Q4）使中間繼電器2ZJ（或4ZJ）閉合，啟動交流接觸器1JLC。工作泵和備用泵的自動切換功能是利用LOGO!230RCL的時鐘功能來實(shí)現(xiàn)的，即在周一凌晨零點(diǎn)至周四中午12點(diǎn)時間內(nèi)，1#水泵為工作泵，2#水泵為備用泵，而在其它時間則反過來；當(dāng)然，也可用運(yùn)行時間計時器或日歷觸發(fā)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。另外，LOGO!的I1～I(xiàn)4輸入信號均采用軟件延時方式，延時時間為5 s，即要求信號要能保持5 s以上，才認(rèn)為該輸入存在，以防液面波動、壓力脈動或其他原因引起的開關(guān)抖動而導(dǎo)致誤操作。

5　結(jié)語

在完成以上管路及水泵操作方式改造后，經(jīng)過一年多的運(yùn)行實(shí)踐效果明顯，在滿足供水要求的同時，供水可靠性得到了很大提高，而且節(jié)能、節(jié)水效果十分顯著。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，運(yùn)行一年來，水泵電耗降低了56%，供水量減少了23%。供水成本大大降低，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，工作人員的工作量也得到了減輕。
 

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