GQ-系列计算机监控系统在井群-水源热泵机组中的应用

参考答案：

齐金生¹马海梅²

（1.天津大学地热中心；2.天津甘泉集团公司研究设计院）

北京市人民警察学院坐落在环境优美的昌平区，依山而建，为了积极响应市政府保护环境的号召，学院采用了不用燃料、无污染的井群-水源热泵机组系统，用于冬季采暖、夏季制冷。考虑到多口水源井分布的位置不同，从使用功能角度将教学区划为前区，场馆区划为后区。前区有水源热泵机组22台，取水井4眼。后区有水源热泵机组19台，取水井3眼。根据水源热泵机组运行工况，对应井群控制提出要求如下：

（1）热泵运行台数在4台以下时，任开1台井泵即可满足空调热泵机组冷却水量要求。水泵变频运行，满足冷冻机房前流量、压力要求。

（2）热泵运行台数继续增加时，由于缺水，机房前压力表值将下降，这时自动增开1台井泵，不足的流量由该台泵变频运行补足。热泵机组运行台数继续增加，水泵依上面的方式自动加载。

（3）反之，当热泵机组逐台关闭时，冷冻机房入口的压力由于冷却水量超过要求而逐步升高，这时井泵运行台数应减少，变频应下降，水泵自动减载运行。

（4）设中央操作室的监测、监控系统，对各井泵房进行自动、手动控制。

采用GQ-2000系列井群-水源热泵机组监控系统实现上述功能。该系统通过对中央控制室内计算机的操作，直接控制现场的井用潜水电泵、排污器、电磁阀，监测供水管网的压力、流量等数据的变化，基本实现了各井泵房“无人值守”，中央控制室现“少人值班”的目标。该系统现已联动调试成功，是一种节水、节电和节约人力，减少运行费用的现代化管理控制系统。

GQ-2000系列井群-水源热泵机组监控系统，为一体化配套系统，包括：GQ-2000自动化监控系统、GBS-Ⅰ型变频调速恒压变量自动供水系统、QJ系列潜水电泵。

1 现场井群位置状况

共有7口水源井，井间距离平均为500m；设前区和后区两个中央操作室；前区操作室控制1～4号井，后区操作室控制5～7号井；其中1～6号井采用变频控制，7号井采用软启动柜控制。

2 控制和监测参数

控制对象：前区总管压力；后区总管压力；1～7 号井泵出口压力；变频器启停；除污器启停；后区水源热泵机组19台，前区水源热泵机组22台。

监测对象：1～7号井泵出口流量；变频器状态（电压、电流、赫兹、输出功率、上电时间等）；除污器状态；水源热泵机组状态。

3 控制过程的几个关键问题

控制过程的关键问题是，变频器对控制信号和通讯信号的干扰问题；空调系统PLC和井群控制系统PLC的集成；前区和后区控制系统的通讯问题；1～7号井和控制室PLC通讯问题。

根据现场井群位置状况、控制和监测参数、必须解决的几个关键问题，依据“实用、可靠、经济、先进”的原则，采用“集中管理、分散控制”的模式建立一套集现场监测、监控和中央计算机管理为一体的系统，利用网络通讯实现数据的传递、信息资源的共享。

4 设计思想

随着自动控制技术和设备的飞速发展，控制方面的选择是多种多样的，由于可编程序控制器（PLC）具有可靠、灵活、易学、易用、功能齐全等优点，故中控室部分采用了PC＋PLC＋先进的组态系列软件模式。由于水源地各井之间距离较远，平均间距500m，故单井控制部分运用Easy＿ IO远程模块，就近采集现场监控、监测数据。中控室与单井控制室之间通过RS-485总线方式，采用计算机专用双绞电缆将现场采集数据传输到中制室计算机中，达到现场井泵及其它设备的自动监控、及时 告设备的运行情况、显示设备的相关数据、故障并及时 警的目的。前区与后区中控室之间通过光纤转换成以太网连接，实现数据传递，前区数据传到后区中控室进行 表打印。做到集中管理、分散控制。整个网络构成如图1。

5 控制方式

5.1 压力控制

根据工艺流程和水源热泵机组控制要求，系统采用三级控制层：手动、自动控制和中央控制室远程监控（图1）。手动控制具有最高控制优先级，由井泵变频控制柜上的按钮控制；自动控制（级别高于中央控制室）根据系统设定值和压力传感器采集的管网实际压力信号，通过PID调节变频器的输出频率，对井泵进行调速控制即调节供水量，实现单井恒压变量供水。中央控制室的远程监控是指根据空调机组用水要求，由操作工在操作站上设定总管压力，通过中控室OPEN＿ PLC的PID调节，使现场打到遥控档的深井泵变频调节转速，使总管压力达到要求的恒定值。

5.2 除污器控制

除污器本身自带自动除污程序，当除污器前后压差高 警时，除污器自动启动内部冲洗程序。我们将除污器信号采集到控制系统中，通过操作站即可手动输出启动信号，使除污器工作一个程序周期，并能实时监测到除污器各阀门的开停状态。

5.3 空调机组控制

空调机组的监控采用232转TCP/IP网关，将其控制系统与GQ-2000自动控制系统通过HUB集成到一起，通过操作站直接控制空调机组PLC，从而达到控制空调机组的目的。

图1 远程控制单元（1号井～7号井）

6 现场数据采集和干扰解决

6.1 数据采集

现场数据通过Easy＿ IO模块，采集井泵变频器状态、除污器状态、井泵出口压力和流量等信号，并通过RS-485总线，将现场数据传到中控室。

Easy＿IO采用类比输入及隔离技术设计而成。可以直接将非隔离泛用型类比信号抽换成隔离处理的信号，因此可以解决现场无法事先预知的接地、干扰等问题。

6.2 干扰解决

变频器高次谐波的传播途径是传导和辐射，解决传导干扰主要是在电路中把传导的高频电流滤掉或者隔离；解决辐射干扰就是对辐射源或被干扰的线路进行屏蔽。

为了解决变频器高次谐波的对控制系统的干扰，采用以下几种方式：现场控制箱总电源后加滤波器，将高次谐波过滤掉；现场信号线采用屏蔽线；Easy＿IO模块增加485 通讯隔离和现场IO隔离；流量计和压力信号采用信号隔离器，隔离后的4～20mA信号输入到采集模块中；控制箱保证接地良好。

7 系统主要功能特点

（1）保证用户管网供水压力恒定。每台潜水井泵均配备一套GBS-Ⅰ型变频调速恒压变量自动供水系统。采用变频装置控制井泵，1～4井供前区使用，6～7井供后区使用，5井为两区公用，形成两套独立的供水系统，水源热泵机组运行台数的变化引起管网压力的变化。系统根据设定值和压力传感器采取的管网实际压力信号，通过中控室OPEN＿PLC自动启动（或切除）井泵的台数和调整泵的转速。在较高的精度范围保证管网的压力恒定。无论用水高、低峰均可在保证供水压力的前提下，最大限度地节省电能。

（2）自动倒泵功能。为防止某台水泵长期不运转发生锈蚀，由中央控制室OPEN＿PLC控制井泵定期轮换运转，即实现自动倒泵功能。

（3）直观的图形显示及寻检功能。上位机采用17寸彩色显示器，以动画图形及中文方式显示管网压力、流量、出水量及出水总量；井泵、除污器运转状态、设备运行状况等。

（4）生产管理功能。上位机随时检测并记录各台井泵的出水量及运转状态，以班次为单位生成生产 表，自动统计出数量，并存入历史数据库，操作人员可以随时打印历史 表和实时 表。

（5） 警及保护功能。当总管压力、流量、井泵变频控制柜故障等达到 警状态时，操作站发出声光 警，及时通知操作人员处理。上位机故障时，PLC及变频器可以组成独立控制系统进行工作；若整个上下位自动系统均发生故障，现场控制柜具有手动功能，以保证向用户供水的不间断。

8 实际运用

实际运行证明GQ-2000系列井群-水源热泵机组监控系统构成了多台深井泵的自动控制的最经济结构。达到水源热泵机组运行时对应井群控制的要求，实现了：①采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动，保证了供水质量，而且节能效果明显，并延长了主管网及其阀门的使用寿命。②电机选用变频控制柜具有软启动功能，克服了启动时的大电流冲击，相对延长了电机制使用寿命。③由于采用PLC控制的压力自动控制，可以实现无人远程操作。④通过采用变频器控制，可在不同季节、节假日、日夜及上下班等全面调控水量，满足水源热泵机组运行的要求。

9 结束语

井群自动化管理有着广泛的前景，依靠现代化技术手段对井群进行控制和管理，提高设备效率和可靠性，节约宝贵的水电资源，是技术发展的必然趋势。GQ-2000控制系统，将上位机、PLC、变频器、相应传感器有机地结合起来，发挥各自优势，软件设计合理，系统调试方便，且系统各级之间可独立运行，保证不间断供水。利用本系统将提高用户的整体管理水平，节省水电资源，节约人力资源。