论文摘要：水泵的控制过程为简单的逻辑控制，开关量输入输出点数需求较少。如果采用继电器控制方式来实现，则接线较为复杂，可靠性较低;如果采用通用可编程序控制器(plc)来实现，则输入输出点数浪费较大，成本较高;如果采用西门子微型可编程序控制器logo!来实现，则既能满足控制要求，又使成本相对较低，而且具有较高的可靠性，即性价比高，比较适合本系统。
关键词：高校供水,改造,节能节水,可编程控制器
1 校园供水存在的问题
根据高校用水时间集中，用水量变化较大的特点，分析了某校园原供水系统存在成本高，可靠性低，水资源浪费，管网系统待完善的问题。提出以利用自来水水压供水为主，水泵提开为辅，水泵采用自动控制方式的改造思路。并据此进行了管网改造，及利用微型可编程控制器logo!实现水泵自控，取得了良好的节能节水效果。
高校校园的供水和一般城市供水相比较为特殊。主要是由于校园内学生住宿区一般都较为集中，造成了学生宿舍、食堂的用水十分集中，且用水量较大。而其它建筑物如教室、实验室、教师住宿区等的用水量则相对较少。同时，用水的时间性强，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∶00四个时间段用水量最大，而其它时间则用水量一般。某高校的某区供水方式为：把城市自来水管网的水源取到蓄水池后，用水泵抽到校园内高位水池，再由高位水池向校园管网供水。随着高校的扩招，学生人数显著增多，造成了经常性的供水不足，特别是学生宿舍和食堂最为明显，影响了学生和教师的正常生活秩序，同时该供水方式还存在如下问题：
(1)供水成本高。由于校园内的用水全部采用水泵供水，造成电能的极大浪费和机电设备的大量损耗。
(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为估计，而且高位水池离水泵房较远，无法做到准时开机和停机。会造成供水中断或出现高位水池水位过高而溢流，电能和水资源造成浪费。另外，如果蓄水池水位过低，还会造成水泵空转，导致电能浪费和机电设备的加速损耗。
(3)水资源浪费。除水泵不能准时停机而造成的溢流浪费外。学生因高峰期供水中断，故经常打开阀门未关，造成来水后的浪费。很多学生在上课前或睡觉前打开阀门，用水桶或脸盆接水、贮水，造成来水后大量溢流，极大地浪费了水资源，增大了供水成本。
(4)校园管网系统设计有缺陷。对于一般建筑物，如教室、实验室、教师住宿区等，本来城市自来水的正常供水即可满足其用水量要求，但采用水泵供水后反而会出现供水不足的现象。同时，用水量大的学生宿舍屋顶水池设计偏小，调节能力较差。
2 改造思路
(1)校园供水以自来水供水为主，水泵供水为辅。由于自来水采用多厂联合供水的方式，并设有大量的多级调节水池和加压泵站，对水压和水量的调节能力较强。且自来水对供电事故的应急能力较强，机电设备的备用率较高，特别是经过近几年的管网改造，供水可靠性大大提高。因此，校园供水应充分利用自来水管网所提供的水压，满足校园供水中的大部分需要。针对用水量较大、用水集中、时间性强的学生宿舍和食堂，在用水高峰期会出现供水不足的情况。应在自来水正常供水的情况下，采用水泵供水作为辅助措施，发挥校园内蓄水池、高位水池和屋顶水池的贮水作用。这种供水方式既节约了大量电能，降低机电设备的损耗，获得良好经济效益，又提高了供水的可靠性，满足校园的特殊供水需要。
(2)水泵供水采用自动控制方式。采用自动控制方式虽然会增加一些投资费用，但这部分费用与供水中的土建投资和机电设备投资相比是很小的。加上现在的自动控制装置技术成熟，可靠性高，既减少了人为因素的影响，提高了水泵供水的可靠性和准确性，又可减轻工作人员的工作量，降低能耗和机电设备的损耗，获得良好的经济效益，特别是长期运行，效益更加显著。对于自动控制装置的投资，也将因节水节能而很快回收。
3 具体改造方案
3.1 对校园供水管网进行适当改造
该校园的高位水池地理位置较高，通过对该校园附近的自来水管网压力进行多次实测，发现在自来水管网压力最高时，也不会造成高位水池溢流。因此，在改造时设置一条管路直接把城市供水管网和校园供水管网连接起来，并在管路上安装质量较好的倒流防止器，只允许水流从城市管网流向校园管网，利用自来水自身的压力向校园管网供水，满足校园供水的大部分需要。而且当自来水管网压力较高时(如深夜)，还可实现各屋顶水池的贮水功能。对于高位水池，也能完成部分贮水任务，从而减少水泵的供水量，节约能耗，降低供水成本。如果在自来水管网压力最高时，会造成高位水池溢流，则在上述管路改造的基础上，还需在高位水池的出水干管上增加一个止回阀，只允许水从高位水池流出。并从城市管网上另引一路水管到高位水池，且用浮球阀控制其进水，以防止高位水池溢流。
3.2 水泵改为自动控制方式
在原有的水泵手动控制系统中，设有2台水泵，1用1备，但水泵出水干管的口径是按一台水泵运行设计的。故在改造时不考虑两台水泵同时运行的情况，否则需对水泵出水干管进行增径改造。又由于水泵功率较大，故原系统配有自耦减压启动器，以减小启停时的冲击。
根据原系统的实际情况，为实现水泵的自动控制，设置一套自动控制装置，设置3个液位开关，其中2个安装于高位水池，1个安装于蓄水池。同时，为了加强水泵的故障判断，以便及时修理，在水泵出水干管上设置一只电接点压力表，根据水泵运行时其压力是否达到预定值来判断水泵是否出现故障。当然，更可靠的判断方法是设置示流信号器，即根据水泵出水管路上的示流信号器是否动作来进行判断，但示流信号器只能用于较小口径的管路上，且安装比较麻烦，而采用电接点压力表的判断方法既方便又可靠。另外，设置报警功能，并将报警信号远送值班室，以便值班人员对报警情况及时掌握。这样，根据水池水位、电接点压力表的情况来实现水泵的自动控制。正常情况下，利用工作泵进行供水，当工作泵出现故障时，则利用备用泵进行供水，并由自动装置对工作泵和备用泵进行自动切换，使设备得到均衡利用，这对延长设备使用寿命是很有好处的。其供水原理示意见图1，图1中的虚线部分为增加内容。
4 水泵自动控制系统
4.1 设备选择与设计
水泵的控制过程为简单的逻辑控制，开关量输入输出点数需求较少。如果采用继电器控制方式来实现，则接线较为复杂，可靠性较低;如果采用通用可编程序控制器(plc)来实现，则输入输出点数浪费较大，成本较高;如果采用西门子微型可编程序控制器logo!来实现，则既能满足控制要求，又使成本相对较低，而且具有较高的可靠性，即性价比高，比较适合本系统。
logo!是西门子通用逻辑控制模块，是一种微型plc。它集编程、显示、控制为一体，具有编程方便、抗干扰强、体积小巧、价位较低的突出优点。它具有多种功能，如与、或、非、与非、或非、异或、延时继电器、脉冲触发器、时钟、rs触发器、计时器、计数器、日历触发开关等。并有多种型号，以满足输入输出点数、电压等级、通讯等不同功能的需要。而且软件编程十分简便，可利用操作面板的lcd显示屏和6个操作键对功能块进行连接构成功能块图即可。同时，运行时可显示输入、输出状态、星期、时间等信息，也可随时修改有关控制参数。可见，logo!和通用plc相比，具有编程操作简单、编程语言易学、成本较低、参数显示和设置方便等优点，可应用于点数较少的逻辑控制场合，特别适合用在单机或小系统中。
根据水泵的控制要求及报警要求，控制器具体选为logo!230rcl，它具有12路开关量输入(230vac)，8路继电器输出(230vac，阻性10a，感性3a)，采用230vac供电。如果不设置报警功能，控制装置选择logo!230rc更适合，它具有6路开关量输入，4 路继电器输出，其输入输出点数满足要求。
由于自耦减压启动器使用380vac的交流接触器，而logo !230rcl输出继电器的电压要求小于240 v,为此增设4只质量较好的中间继电器，用于对电压等级进行转换，并取消原系统的中间继电器和时间继电器，由logo!直接完成整个减压启动的逻辑过程，以简化接线，减少故障点，提高运行可靠性。液位开关和电接点压力表要选择质量较好的产品。另外，增设一只空气开关，用于对logo!供电的保护，增设4颗红色信号灯，用于报警显示，增设1只点动复位按钮，用于对水泵故障报警状态进行复位。
图2 硬件接线原理
图2为硬件接线原理图，其中1sw为蓄水池低限水位，2sw为开泵水位，这两个水位均采用常闭触点。3sw为停泵水位，dyl为电接点压力表输出触点，fw为水泵报警复位点动按钮触点，这三个触点均采用常开触点。这样设置常开和常闭触点，可使logo!的输入在大部分工作时间内为无电压状态，只有短时间内会出现带电状态。中间继电器1zj，2zj用于1#水泵，3zj，4zj用于2#水泵。报警指示灯1hd用于 1#水泵故障报警，2hd 用于2#水泵故障报警，3hd用于蓄水池水位过低报警，4hd 用于高位水池液位开关故障报警。1jlc为水泵正常运行接触器，2jlc为减压启动接触器，3jlc为星点接触器。rj为热继电器触点，rd为熔断器，k1为logo!电源的保护空气开关。
4.2 软件设计
根据水泵的自动控制改造方案及硬件配置情况，利用logo!的显示屏和操作键，对功能块进行连接，就可完成软件编程，得到图3所示的逻辑控制功能块图。
图3 逻辑控制功能块示意
当高位水池的水位降到开泵水位后，工作泵启动，如果工作泵故障，则备用泵启动，当水位升到停泵水位后，水泵停止工作;当蓄水池水位降到低限水位以下时，报警指示灯3hd 点亮，同时禁止启动水泵，对于此前已启动的水泵，则立即停止，以防水泵因无水而空转。当高位水池的液位开关出现逻辑错误时，即停泵水位显示有水，而开泵水位显示无水，则报警指示灯4hd点亮，同时禁止启动水泵，对于此前已启动的水泵，则立即停止，以防水泵因液位开关故障而误动作。当水泵运行15 s(根据试验确定)后，如果电接点压力表触点dyl 未闭合，即水泵压力未达到预定值，则说明水泵抽水失败，判断为水泵故障。此时，把故障水泵退出运行，点亮报警指示 灯，并进行锁定，直到修复后，由人工用复位按钮fw进行复位，才能再次开启水泵。水泵的减压启动逻辑过程为：logo!的输出q1(或q3)闭合后，中间继电器1zj(或3zj)闭合，使交流接触器3jlc和2jlc闭合，并启动软件延时，延时10 s(根据自耦减压启动器要求设定)后，1zj(3zj)跳开，使 3jlc，2jlc退出运行，最后通过q2(或q4)使中间继电器2zj(或4zj)闭合，启动交流接触器1jlc。工作泵和备用泵的自动切换功能是利用logo!230rcl的时钟功能来实现的，即在周一凌晨零点至周四中午12点时间内，1#水泵为工作泵，2#水泵为备用泵，而在其它时间则反过来;当然，也可用运行时间计时器或日历触发开关来实现。另外，logo!的i1～i4输入信号均采用软件延时方式，延时时间为5 s，即要求信号要能保持5 s以上，才认为该输入存在，以防液面波动、压力脉动或其他原因引起的开关抖动而导致误操作。
5 结语
在完成以上管路及水泵操作方式改造后，经过一年多的运行实践效果明显，在满足供水要求的同时，供水可靠性得到了很大提高，而且节能、节水效果十分显著。根据统计数据，运行一年来，水泵电耗降低了56%，供水量减少了23%。供水成本大大降低，获得了良好的经济效益，工作人员的工作量也得到了减轻。