智能化技術在給水與消防工程中的應用研究

王程程

（中鐵九局集團第四工程有限公司，遼寧 沈陽 110013）

1 建筑給水系統和消防系統現狀

1.1 給水系統

傳統水池或水箱的進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。電子式水位開關搭配水位控制器組成的控制結構可以通過電子探頭對水位進行檢測，對檢測信號進行處理，當箱體內水位浮動時，芯片輸出高或低電平信號，配合水位控制器實現對液位的控制，并實時監控。電子探測方式安全穩定，使用壽命長，不受污染物影響，適用于雨水、污水等有雜質的水池。

1.2 消防系統

關于消防水泵的啟動，在《消防給水及消火栓系統技術規范》（GB 50974—2014）中規定，消防水泵出水管設置的壓力開關、高位消防水箱出水管流量開關或報警閥壓力開關等開關信號應能夠自動啟動消防水泵。我國居住小區、工廠、企業等消防水泵需要實現多建筑給水功能，設置消火栓報警按鈕啟動水泵投資較大，弱電信號損耗，影響報警系統的可靠性。

2 項目背景

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。地下室為設備用房，包括泵房和修建水池，設置給水泵3臺，2臺自動切換使用，1臺備用，排水泵3臺，2用1備。

3 智能化技術在給水系統中的應用

3.1 智能給水系統監控要求

系統采取實地控制和監控相互配合的方式，能夠合理掌控給水調度，精準調控用水需求，優化水泵運行效率。給水監控設備實時監測給水系統運行情況，能夠實現自動存水。系統運行時如需檢修，應立刻上報管理層。監測系統由水泵智能控制開關、水泵異常示警、水泵運行體系監控、水箱水面控制等組成，依據水池水位高度開啟或關閉水泵，并在水溢、水竭的時候示警。

3.2 智能變頻恒壓供水系統

（1）智能供水系統結構。

給水系統監測原理圖如圖1所示。

圖1 給水系統監控原理圖

系統采用2套電機、1臺水泵對水網進行恒壓供水，電機通過變頻方式或共頻方式工作，變頻調速器每次僅驅動1臺電機。變頻調速器根據水壓變化調整水泵轉速，控制水流量大小，保證壓力值穩定。提前設置控制程序，根據給水變化情況更換水泵運行模式，使水泵處于最佳的運行狀態。PLC變頻調速恒壓供水系統具有手動和自動兩種模式，水泵運行時，可隨意切換。

（2）智能壓力調節

基于PLC控制技術和變頻調速技術研發的全智能恒壓供水系統，可以保證管道內水壓穩定，滿足給水需求，防止出現突發性事故，降低電耗量。系統控制設備一般采用壓力閉環方式，能夠校正發生改變的被控變量，校正改變的參數以及因外界因素影響產生的誤差，設備精度較高。

閉環恒壓供水的PID調節，當水泵出口處監測的壓力值出現變化，若壓力值與預設值不符合，系統及時示警，并自動調整轉速，保證相對壓力下的給水量滿足要求。閉環恒壓給水系統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定，需要及時校驗管道壓力并反饋到給水控制設備，形成壓力閉環控制體系。以PID調整為主的控制設備可以保證供水管道壓力處于穩定狀態。在水泵中引入變頻調速系統，控制出口水壓穩定壓力值。壓力傳感器設置在水泵周邊的主輸水管道內，檢測結果以壓力變化為主。PID調整設備對壓力傳感器反饋的壓力值與出口壓力預設值進行計算和比較，采用頻率指令的方式將計算結果傳達到變頻器，實現水泵轉速調整，保持出口處壓力穩定。參照給水管道壓力變化情況，以變頻器智能調節的方式調整水泵電機的轉速，使管道壓力相同，優化供水和節能效果。

（3）壓力負反饋控制。

供水系統采用壓力負反饋控制方式，壓力傳感器將給水管道內的水壓轉換為電信號，經放大器放大后與預設壓力進行比較，對差值進行PID運算，控制變頻器輸出頻次，以PLC控制并聯的水泵，使變頻調速水泵與工頻之間同步轉換，調整壓力。在系統內并行啟動2臺水泵，通過出水管道口的壓力傳感器將壓力信號轉換為4～20 mA的常規信號，植入PID調節設備，計算后，將壓力值與預設壓力參數對比，得到調節參數，將參數輸入變頻器，控制水泵轉速。當1臺水泵的供水量小于耗水量時，使用PLC控制器進行加泵。PLC設備根據耗水量變化調整泵數，使用變頻器調整水泵轉速，實現穩定給水。當供水負載變換時，電機的電壓和頻率隨之改變，形成定額壓力的閉環調節系統。所有水泵電機均可以通過變頻器實現開啟和關閉，達到軟啟動的效果，有效避免了設備開啟時電流過大導致的電機損壞，延長電機的運行壽命。以變頻泵循環的方法驅動給水系統，按照“先開先關”的原則開啟和關閉水泵，避免備用泵與工作泵完全閉合，在兩泵有效運行的同時，保證備用泵不會出現長時間閑置產生銹蝕，提升使用效率，減少運營成本和維護成本。

3.3 自動監測及報警

自動檢測及報警示意如圖2所示。

圖2 自動檢測及報警示意

低位蓄水池處，設置1個液位傳感器或壓力傳感器檢測水池液面位置。當水池水位上升至上限（停泵水位），傳感器向現場控制器發出信號，現場控制器向水泵機組輸送信號，使水泵自動停機。當水位低于預設低位報警水位，系統報警。壓力傳感器可以通過壓力變化連續檢測水池液位，將信號發送至現場控制器，停泵和報警液位的設定可隨時調整。

4 智能化技術在消防系統中的應用

4.1 智能消防聯動

給水工程消防系統的智能化設計重點是消防聯動。當樓內有火情時，由控制器確認火情信息，FA系統輸出信息傳輸命令與智能系統控制命令。信息傳輸命令指報警音響啟動，將火情信息通過有線或無線傳輸至顯示器端，實現報警并確認現場情況。智能控制系統命令指打開水路閥門，啟動消防設施，包括水泵、滅火器噴射裝置和排煙裝置等。為了確保火災現場能夠及時得到處理，預防智能系統因意外故障無法啟動，設置報警和開啟水泵的手動開關。FA消防聯動自動化系統具備的控制功能和顯示功能包括：實現消防設備的開、關工作，清晰展示設備運行狀態；消防泵和排煙風機采用人工操作和自動操作相結合的方式，實現對設備的有效控制；提示火情發生的具體地點和故障發生位置；展示重點部位如疏散通道、滅火器材位置、樓層平面圖以及仿真圖表等；實時顯示電源是否滿足供電要求相位；確定火情時，關閉非滅火配電，打開緊急照明和緊急逃生指示燈；發生火情時，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

文章研究的對象配備的消防控制系統包括建筑內消防栓應急系統；棚頂自動噴灑滅火裝置；備用自動發電機及滅火系統。FA中的消防系統以實現系統的有效銜接和配合為目標，完成對火情的及時反饋和處理。

建筑內部消防栓由水路系統和電控系統組成，水路系統包括進排水管、水泵、閥門等構件，主要作用是提供消防用水；電控系統控制進水水泵運行，噴淋裝置啟動和信息反饋裝置的信息輸出。水路系統和電控系統相互配合，缺一不可。出現火情時，受災人員或附近人員可以通過按下消防啟動按鈕或由消防系統自動識別火情，將火情信息傳遞給消防站機房，消防站機房通過電控系統控制消防水路系統啟動，及時提供滅火用水，同時將信息傳遞給消防隊，達到最佳的處理效果。由于建筑頂部的儲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，所以消防系統需要設置獨立的室內抽水泵。消防聯動系統應具備的控制和顯示功能包括：控制室內消火栓的開啟、關閉；顯現室內消火栓運行狀況；顯示啟泵按鈕所在地點。

自動噴灑滅火裝置能夠在短時間內撲滅火災，包括噴頭、報警閥、水流顯示機、安全信號閥、水泵、管網等部件，通常情況下必須保持裝置內部處于充水狀態，噴淋出口使用遇熱易熔的特殊材質堵塞，發生火災時，噴口處填塞物遇熱熔解，達到滅火效果。根據水流傳感器傳遞給報警閥和顯示器，工作人員通過顯示信息確定火災發生確切位置及火情嚴重程度，迅速提供足夠的水量實現滅火。

樓頂的重力式滅火水箱容量有限，儲水量最大值為18 m3。在城市供水管網和消防水池中，需要配置高壓水泵，在系統內安裝噴水增壓泵。噴水控制系統具備的控制和顯示功能包括控制噴水；壓力泵的啟動和停止；噴射；壓力泵運行狀況；水流指示器；報警閥；安全信號閥等。

5 結語

隨著科學技術的進步，建筑智能化系統日益更新，對建筑行業的發展具有重要意義。給水系統作為建筑設備管理自動化系統的重要組成部分，應能夠提供安全可靠運行狀態，滿足城市居民用水需求。建筑行業應不斷提高技術人員業務水平，配套設施規范方面應加強監督管理，要求建設單位和設計單位能夠與時俱進、求實創新。實現城市居民生產生活智能化的有序推進，使居民能夠享受到更加安全、舒適、便利的新型智能建筑。