智能化技術(shù)在給水與消防工程中的應(yīng)用研究

王程程

（中鐵九局集團(tuán)第四工程有限公司，遼寧 沈陽 110013）

1 建筑給水系統(tǒng)和消防系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 給水系統(tǒng)

傳統(tǒng)水池或水箱的進(jìn)水主要通過浮球閥控制。采用浮球閥控制的水箱啟用靈敏度高，水頭損失小，無水錘現(xiàn)象，但使用壽命短、易損壞、易受到污染物的影響。電子式水位開關(guān)搭配水位控制器組成的控制結(jié)構(gòu)可以通過電子探頭對(duì)水位進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，當(dāng)箱體內(nèi)水位浮動(dòng)時(shí)，芯片輸出高或低電平信號(hào)，配合水位控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的控制，并實(shí)時(shí)監(jiān)控。電子探測(cè)方式安全穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，不受污染物影響，適用于雨水、污水等有雜質(zhì)的水池。

1.2 消防系統(tǒng)

關(guān)于消防水泵的啟動(dòng)，在《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（GB 50974—2014）中規(guī)定，消防水泵出水管設(shè)置的壓力開關(guān)、高位消防水箱出水管流量開關(guān)或報(bào)警閥壓力開關(guān)等開關(guān)信號(hào)應(yīng)能夠自動(dòng)啟動(dòng)消防水泵。我國居住小區(qū)、工廠、企業(yè)等消防水泵需要實(shí)現(xiàn)多建筑給水功能，設(shè)置消火栓報(bào)警按鈕啟動(dòng)水泵投資較大，弱電信號(hào)損耗，影響報(bào)警系統(tǒng)的可靠性。

2 項(xiàng)目背景

某智能建筑總高度為81 m，共27層，地上、地下分別為26層和1層。地下室為設(shè)備用房，包括泵房和修建水池，設(shè)置給水泵3臺(tái)，2臺(tái)自動(dòng)切換使用，1臺(tái)備用，排水泵3臺(tái)，2用1備。

3 智能化技術(shù)在給水系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 智能給水系統(tǒng)監(jiān)控要求

系統(tǒng)采取實(shí)地控制和監(jiān)控相互配合的方式，能夠合理掌控給水調(diào)度，精準(zhǔn)調(diào)控用水需求，優(yōu)化水泵運(yùn)行效率。給水監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)給水系統(tǒng)運(yùn)行情況，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)存水。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)如需檢修，應(yīng)立刻上報(bào)管理層。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由水泵智能控制開關(guān)、水泵異常示警、水泵運(yùn)行體系監(jiān)控、水箱水面控制等組成，依據(jù)水池水位高度開啟或關(guān)閉水泵，并在水溢、水竭的時(shí)候示警。

3.2 智能變頻恒壓供水系統(tǒng)

（1）智能供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

給水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理圖如圖1所示。

圖1 給水系統(tǒng)監(jiān)控原理圖

系統(tǒng)采用2套電機(jī)、1臺(tái)水泵對(duì)水網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水，電機(jī)通過變頻方式或共頻方式工作，變頻調(diào)速器每次僅驅(qū)動(dòng)1臺(tái)電機(jī)。變頻調(diào)速器根據(jù)水壓變化調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，控制水流量大小，保證壓力值穩(wěn)定。提前設(shè)置控制程序，根據(jù)給水變化情況更換水泵運(yùn)行模式，使水泵處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)。PLC變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，水泵運(yùn)行時(shí)，可隨意切換。

（2）智能壓力調(diào)節(jié)

基于PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)研發(fā)的全智能恒壓供水系統(tǒng)，可以保證管道內(nèi)水壓穩(wěn)定，滿足給水需求，防止出現(xiàn)突發(fā)性事故，降低電耗量。系統(tǒng)控制設(shè)備一般采用壓力閉環(huán)方式，能夠校正發(fā)生改變的被控變量，校正改變的參數(shù)以及因外界因素影響產(chǎn)生的誤差，設(shè)備精度較高。

閉環(huán)恒壓供水的PID調(diào)節(jié)，當(dāng)水泵出口處監(jiān)測(cè)的壓力值出現(xiàn)變化，若壓力值與預(yù)設(shè)值不符合，系統(tǒng)及時(shí)示警，并自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速，保證相對(duì)壓力下的給水量滿足要求。閉環(huán)恒壓給水系統(tǒng)的組成部分包括變頻器、可編控制程序以及傳感器等。

為了維持給水管道壓力穩(wěn)定，需要及時(shí)校驗(yàn)管道壓力并反饋到給水控制設(shè)備，形成壓力閉環(huán)控制體系。以PID調(diào)整為主的控制設(shè)備可以保證供水管道壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)。在水泵中引入變頻調(diào)速系統(tǒng)，控制出口水壓穩(wěn)定壓力值。壓力傳感器設(shè)置在水泵周邊的主輸水管道內(nèi)，檢測(cè)結(jié)果以壓力變化為主。PID調(diào)整設(shè)備對(duì)壓力傳感器反饋的壓力值與出口壓力預(yù)設(shè)值進(jìn)行計(jì)算和比較，采用頻率指令的方式將計(jì)算結(jié)果傳達(dá)到變頻器，實(shí)現(xiàn)水泵轉(zhuǎn)速調(diào)整，保持出口處壓力穩(wěn)定。參照給水管道壓力變化情況，以變頻器智能調(diào)節(jié)的方式調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管道壓力相同，優(yōu)化供水和節(jié)能效果。

（3）壓力負(fù)反饋控制。

供水系統(tǒng)采用壓力負(fù)反饋控制方式，壓力傳感器將給水管道內(nèi)的水壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大器放大后與預(yù)設(shè)壓力進(jìn)行比較，對(duì)差值進(jìn)行PID運(yùn)算，控制變頻器輸出頻次，以PLC控制并聯(lián)的水泵，使變頻調(diào)速水泵與工頻之間同步轉(zhuǎn)換，調(diào)整壓力。在系統(tǒng)內(nèi)并行啟動(dòng)2臺(tái)水泵，通過出水管道口的壓力傳感器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的常規(guī)信號(hào)，植入PID調(diào)節(jié)設(shè)備，計(jì)算后，將壓力值與預(yù)設(shè)壓力參數(shù)對(duì)比，得到調(diào)節(jié)參數(shù)，將參數(shù)輸入變頻器，控制水泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)1臺(tái)水泵的供水量小于耗水量時(shí)，使用PLC控制器進(jìn)行加泵。PLC設(shè)備根據(jù)耗水量變化調(diào)整泵數(shù)，使用變頻器調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定給水。當(dāng)供水負(fù)載變換時(shí)，電機(jī)的電壓和頻率隨之改變，形成定額壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。所有水泵電機(jī)均可以通過變頻器實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉，達(dá)到軟啟動(dòng)的效果，有效避免了設(shè)備開啟時(shí)電流過大導(dǎo)致的電機(jī)損壞，延長(zhǎng)電機(jī)的運(yùn)行壽命。以變頻泵循環(huán)的方法驅(qū)動(dòng)給水系統(tǒng)，按照“先開先關(guān)”的原則開啟和關(guān)閉水泵，避免備用泵與工作泵完全閉合，在兩泵有效運(yùn)行的同時(shí)，保證備用泵不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間閑置產(chǎn)生銹蝕，提升使用效率，減少運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)成本。

3.3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)及報(bào)警

自動(dòng)檢測(cè)及報(bào)警示意如圖2所示。

圖2 自動(dòng)檢測(cè)及報(bào)警示意

低位蓄水池處，設(shè)置1個(gè)液位傳感器或壓力傳感器檢測(cè)水池液面位置。當(dāng)水池水位上升至上限（停泵水位），傳感器向現(xiàn)場(chǎng)控制器發(fā)出信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)控制器向水泵機(jī)組輸送信號(hào)，使水泵自動(dòng)停機(jī)。當(dāng)水位低于預(yù)設(shè)低位報(bào)警水位，系統(tǒng)報(bào)警。壓力傳感器可以通過壓力變化連續(xù)檢測(cè)水池液位，將信號(hào)發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)控制器，停泵和報(bào)警液位的設(shè)定可隨時(shí)調(diào)整。

4 智能化技術(shù)在消防系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1 智能消防聯(lián)動(dòng)

給水工程消防系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)重點(diǎn)是消防聯(lián)動(dòng)。當(dāng)樓內(nèi)有火情時(shí)，由控制器確認(rèn)火情信息，F(xiàn)A系統(tǒng)輸出信息傳輸命令與智能系統(tǒng)控制命令。信息傳輸命令指報(bào)警音響啟動(dòng)，將火情信息通過有線或無線傳輸至顯示器端，實(shí)現(xiàn)報(bào)警并確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)情況。智能控制系統(tǒng)命令指打開水路閥門，啟動(dòng)消防設(shè)施，包括水泵、滅火器噴射裝置和排煙裝置等。為了確?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)能夠及時(shí)得到處理，預(yù)防智能系統(tǒng)因意外故障無法啟動(dòng)，設(shè)置報(bào)警和開啟水泵的手動(dòng)開關(guān)。FA消防聯(lián)動(dòng)自動(dòng)化系統(tǒng)具備的控制功能和顯示功能包括：實(shí)現(xiàn)消防設(shè)備的開、關(guān)工作，清晰展示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；消防泵和排煙風(fēng)機(jī)采用人工操作和自動(dòng)操作相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的有效控制；提示火情發(fā)生的具體地點(diǎn)和故障發(fā)生位置；展示重點(diǎn)部位如疏散通道、滅火器材位置、樓層平面圖以及仿真圖表等；實(shí)時(shí)顯示電源是否滿足供電要求相位；確定火情時(shí)，關(guān)閉非滅火配電，打開緊急照明和緊急逃生指示燈；發(fā)生火情時(shí)，控制所有的電梯停止在一樓，接收反饋信息；連接到無線廣播。

4.2 智能消防控制

文章研究的對(duì)象配備的消防控制系統(tǒng)包括建筑內(nèi)消防栓應(yīng)急系統(tǒng)；棚頂自動(dòng)噴灑滅火裝置；備用自動(dòng)發(fā)電機(jī)及滅火系統(tǒng)。FA中的消防系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效銜接和配合為目標(biāo)，完成對(duì)火情的及時(shí)反饋和處理。

建筑內(nèi)部消防栓由水路系統(tǒng)和電控系統(tǒng)組成，水路系統(tǒng)包括進(jìn)排水管、水泵、閥門等構(gòu)件，主要作用是提供消防用水；電控系統(tǒng)控制進(jìn)水水泵運(yùn)行，噴淋裝置啟動(dòng)和信息反饋裝置的信息輸出。水路系統(tǒng)和電控系統(tǒng)相互配合，缺一不可。出現(xiàn)火情時(shí)，受災(zāi)人員或附近人員可以通過按下消防啟動(dòng)按鈕或由消防系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別火情，將火情信息傳遞給消防站機(jī)房，消防站機(jī)房通過電控系統(tǒng)控制消防水路系統(tǒng)啟動(dòng)，及時(shí)提供滅火用水，同時(shí)將信息傳遞給消防隊(duì)，達(dá)到最佳的處理效果。由于建筑頂部的儲(chǔ)水池只能保證滅火初期用水，大部分滅火用水量主要來自市政管網(wǎng)，所以消防系統(tǒng)需要設(shè)置獨(dú)立的室內(nèi)抽水泵。消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具備的控制和顯示功能包括：控制室內(nèi)消火栓的開啟、關(guān)閉；顯現(xiàn)室內(nèi)消火栓運(yùn)行狀況；顯示啟泵按鈕所在地點(diǎn)。

自動(dòng)噴灑滅火裝置能夠在短時(shí)間內(nèi)撲滅火災(zāi)，包括噴頭、報(bào)警閥、水流顯示機(jī)、安全信號(hào)閥、水泵、管網(wǎng)等部件，通常情況下必須保持裝置內(nèi)部處于充水狀態(tài)，噴淋出口使用遇熱易熔的特殊材質(zhì)堵塞，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，噴口處填塞物遇熱熔解，達(dá)到滅火效果。根據(jù)水流傳感器傳遞給報(bào)警閥和顯示器，工作人員通過顯示信息確定火災(zāi)發(fā)生確切位置及火情嚴(yán)重程度，迅速提供足夠的水量實(shí)現(xiàn)滅火。

樓頂?shù)闹亓κ綔缁鹚淙萘坑邢?，?chǔ)水量最大值為18 m3。在城市供水管網(wǎng)和消防水池中，需要配置高壓水泵，在系統(tǒng)內(nèi)安裝噴水增壓泵。噴水控制系統(tǒng)具備的控制和顯示功能包括控制噴水；壓力泵的啟動(dòng)和停止；噴射；壓力泵運(yùn)行狀況；水流指示器；報(bào)警閥；安全信號(hào)閥等。

5 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，建筑智能化系統(tǒng)日益更新，對(duì)建筑行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。給水系統(tǒng)作為建筑設(shè)備管理自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)能夠提供安全可靠運(yùn)行狀態(tài)，滿足城市居民用水需求。建筑行業(yè)應(yīng)不斷提高技術(shù)人員業(yè)務(wù)水平，配套設(shè)施規(guī)范方面應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)督管理，要求建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位能夠與時(shí)俱進(jìn)、求實(shí)創(chuàng)新。實(shí)現(xiàn)城市居民生產(chǎn)生活智能化的有序推進(jìn)，使居民能夠享受到更加安全、舒適、便利的新型智能建筑。