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超高层建筑恒压供水系统
成人高等教育毕业设计（论文）
题目：
超高层建筑恒压供水系统
学院（函授站）：
济南市海贝培训学校
年级专业：
电气工程及其自动化
层次：
本科
学号：
姓名：
指导教师：
摘要
摘要：
传统恒压控制系统的供水管网能耗大、控制精度差、设备损耗快、对电网要求高。
随着变频技术的发展与应用，各种大功率、耐高压器件的出现，变频恒压系统已成为供水管网恒压控制的主流，而PLC技术的发展使其在控制系统中得到了广泛应用。
用PLC和变频器协同工作，应用与高层建筑恒压供水智能系统已成为当下的主流。
关键词：
恒压供水；变频器；PLC
ABSTRACT
AccordingtotherequirementofChina'surbanwatersupply,thispaperdesignsasetofwatersupplysystemoffrequeceycontrolofconstantvoltagebasedonPLC,andhavedevelopedgoodoperationmanagementinterfaceusingSupervisionControlandDataAcquisition.ThesystemismadeupofPLC,transducer,unitsofpumps,pressuresensorandcontrolmachineandsoon.
Keywords:
variablefrequencyspeed-regulating,constant-pressurewatersupply,PLC,supervisioncontrolanddataacquisition.
1变频恒压供水系统的理论分析
1.1任务
随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。
一方面要求提高供水质量，不要因为压力的波动造成供水的障碍；另一方面要求保障供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能可靠供水。
针对这两方面的要求，新的供水方式和控制系统应运而生，这就是PLC控制的恒压无塔供水系统。
恒压无塔供水系统包括生活用水的恒压控制和消防用水的恒压控制——即双恒压系统。
通常，为了保证恒压供水我们用三泵供水，三泵恒压供水保证了供水的质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。
1.2工艺要求
对三泵生活/恒压供水系统的基本要求是：
（1）生活供水时，系统应底恒压值运行，消防供水时系统应高恒压值运行；
（2）三台泵根据恒压的需要，采用“先开先停”的原则介入和退出；
（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行的时间超过3H，则要切换到下一台泵，即系统具有“倒泵功能”，避免某一台泵工作时间过长；
（4）三台泵在启动时要又软启动功能；
（5）要有完整的报警功能；
（6）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。
1.3PLC概述
1.3.1可编程控制器的定义
可编程控制器，简称PLC（ProgrammablelogicController），是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。
在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义:
“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。
PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。
”
1.3.2PLC的发展和应用
世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。
限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立组件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。
20世纪70年代初出现了微处理器。
人们很快将其引入可编程控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。
为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用，可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言【1】，并将参加运算及处理的计算机存储组件都以继电器命名。
此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。
1.3.3PLC的特点
现代可编程控制器不仅能实现对开关量的逻辑控制，还具有数学运算、数学处理、运动控制、模拟量PID控制、通信网络等功能。
在发达的工业化国家，可编程控制器已经广泛的应用在所有的工业部门，其应用已扩展到楼宇自动化、家庭自动化、商业、公用事业、测试设备和农业等领域。
归纳可编程控制器主要有以下几方面的优点：
1）编程方法简单易学
2）功能强，性能价格比高
3）硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强
4）无触点免配线，可靠性高，抗干扰能力强
5）系统的设计、安装、调试工作量少
6）维修工作量小，维修方便
7）体积小，能耗低。
1.4恒压供水的原理
如图1-1所示在出水管道上安装的压力传感器，将出口水压力信号转换为电信号，送PLC进行推理运算后，输出信号到变频器，调节水泵电机的运转速度，直到消除实际水压与设定水压的偏差，实现恒压供水。
可编程控制器同时控制水泵的启、停。
当系统开始工作时，由变频器控制启动1号泵变频运行。
若用户用水量增加，变频器的输出率上升到50Hz，水压仍达不到设定值，则延时一段时间后，将1号泵切换为工频运行；变频器再启动2号泵运行，如水压达不到设定值，则将2号泵切换为工频运行；变频器再启动3号泵运行，直到输出水压达到设定值为止。
反之若用户用水量减少，则依照“先启先停”原则依次将水泵切除。
如此反复循环，实现系统的恒压供水【2】。
图1-1恒压供水原理图
1.5变频恒压供水系统的节能原理
供水系统的扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线【3】，如图1.5所示。
由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Qu间的关系H=f（Qu）。
而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下扬程H与流量Q之间的关系曲线，如图1-2所示。
管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。
由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。
因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Qc之间的关系H=f（Qc）。
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图1-2中A点。
在这一点，用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量Qc处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运。
图1-2恒压供水系统的基本特征
变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。
通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。
因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。
异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。
在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。
阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。
其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。
由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。
转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量。
因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。
变频调速供水方式属于转速控制。
其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。
由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率P与管网的水压H及出水流量Q的乘积成正比；水泵的转速n与出水流量Q成正比；管网的水压H与出水流量Q的平方成正比。
由上述关系有，水泵的输出功率P与转速n三次方成正比，即：
（2.2）
（2.3）
（2.4）
（2.5）
式中k、k1、k2、k3为比例常数。
图1-3管网及水泵的运行特性曲线
如图1-3所示当用阀门控制时，若供水量高峰水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当供水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从b3移到b1，扬程特性曲线不变。
而扬程则从H0上升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵的输出功率正比于H1×Q2。
当用调速控制时，若采用恒压（H0），变速泵（n2）供水，管阻特性曲线为b2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。
此时水泵输出功率正比于H0×Q2，由于H1>H0，所以当用阀门控制流量时，有正比于（H1－H0）×Q2的功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。
所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。
2变频恒压供水系统
2.1变频恒压供水的特点
变频恒压供水系统能使用生活用水，工业用水以及消防用水等多种场合的
用水要求，该系统具有以下特点：
（1）供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量（如:
温度、流量、浓度等）一样，对控制作用的响应具有滞后性。
同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。
（2）用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个线性系统。
（3）变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。
（4）在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制（包括定量泉的停止和运行）是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时时变化的。
（5）当出现意外的情况（如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等）时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况点自动进行切换，保证管网内压力恒定。
在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。
（6）水泵的电气控制柜，其有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等功能。
（7）用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。
2.2恒压供水系统的控制方案的比较和确定
2.2.1用户需求
供水系统总体需求：
（1）由多台水泵机组实现供水，流量范围120m3/h，扬程80米左右；
（2）设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水；
（3）供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小；
（4）系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能；
（5）各主泵均能可靠地实现软启动；
（6）具有完善的保护和报警功能；
（7）系统要求较高的经济运行性能。
2.2.2恒压供水系统控制方案比较
恒压变频供水系统主要有压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。
系统主要的任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输和监控。
根据系统的设计任务要求，有以下几种方案可供选择【4】：
（1）有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器
这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。
它虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但在压力设定和压力反馈值的显示方面比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求，在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。
其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。
（2）通用变频器+单片机（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。
该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。
（3）通用变频器+PLC（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器
这种控制方式灵活方便。
具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。
在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。
该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
通过对以上这几种方案的比较和分析，可以看出第三种控制方案更适合于本系统。
这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
2.3变频恒压供水的组成
PLC控制变频恒压供水系统主要有变频器、可编程控制器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2-1所示【5】：
图2-1恒压供水组成图
从图中可以看出，系统可分为：
执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分组成，具体为：
（1）执行机构：
执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网，其中由一台变频泵和两台工频泵构成，变频泵是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵，用以根据用水量的变化改变电机的转速，以维持管网的水压恒定；工频泵只运行于启、停两种工作状态，用以在用水量很大的情况下投入工作。
（2）信号检测机构：
在系统控制过程中，需要检测管网水压信号、水池水位信号和报警信号。
管网水压信号反应的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。
此信号时模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。
另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，将检测值送给PLC，作为数字量输入；水池水位信号反应水泵的进水水量是否够。
信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽以损坏电机和水泵。
此信号来自安装于水池中的液位传感器；报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载，变频器是否异常，该信号为开关信号。
（3）控制机构：
供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器，变频器和点控设备三个部分。
供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。
供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，进行数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频器和接触器对机构进行控制；变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。
下面以一个三泵生活/消防双恒压无塔供水系统为例来说明其工艺过程，如图2-2所示，市网来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀TV1，它们自动把水注满储水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。
水池的高/低水位信号也直接送给PLC，作为底水位报警用。
为了保障供水的持续性，水位上下限传感器高低距离不是相差很大。
生活用水和消防用水共用三台泵，平时电磁阀YV2处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活用水的恒压状态（生活用水底恒压值）下进行；当有火灾发生时，电磁阀YV2得电，关闭生活用水管网，三台泵共消防用水使用，并根据用水量的大小，使消防供水也在恒压状态（消防用水高恒压值）下进行。
火灾结束后三台泵再改为生活供水使用
图2-2三泵生活/消防双恒压无塔供水系统图
2.4超高层建筑恒压供水的方案
随着经济的快速发展和城市规模的不断扩大，出现了大量的超高层建筑。
目前超高层建筑的二次供水方式是按高度将楼宇分为多个区。
选择在不同的楼层修建水箱，通过水泵将自来水打到水箱后，再向下进行二次加压供水。
这种方式由于采用了水箱，不仅导致自来水的二次污染，而且占用了大量的空间，给设备的日常维护带来不便。
另外，自来水进入水箱后，压力自然释放，需要水泵进行二次加压，造成了能源的浪费。
因此，对于超过25层的超高层建筑，采用多级接力恒压供水系统来实现二次供水。
这种供水方式，在节能和卫生等方面大大提高了供水质量。
超高层建筑恒压供水采用多级接力供水系统，首先是要将整个楼宇分为低区（1～17层）、中区（18～35层）和高区（36～50层）三个区，并在每个区的底部（1层、18层和36层）分别安装单级变频恒压供水设备，然后将三套设备级联构成的。
整个供水系统控制的关键是各区供水设备之间的联动和连锁保护。
为了防止各区水泵发生干转，系统启动时要从低区到高区的顺序依次启动，而绝不能同时启动；正常运行时，当某区进水压力不足时，必须先将该区以上的各区设备按照由高到低的顺序依次停机，然后再使该区设备停止运行；整个系统因检修需要停机时也必须按照从高到低的顺序将各区设备依次停机。
2.5超高层建筑多级接力恒压供水控制系统的结构
多级接力恒压供水控制系统采用了分散控制、集中管理的基本结构，如图2-3所示。
其中包括远程监控计算机（下面简称为上位机）、主控CPU（下面简称为主站）和三套单级变频恒压供水设备（下面简称为从站）。
上位机、主站和从站之间的双向通讯通过PROFIBUS现场总线实现的【6】。
图2-3控制系统基本结构
2.6超高层多级接力恒压供水系统介绍
系统的高、中、低区从站各有一套变频恒压供水设备，由西门子分布式I/O模块ET-200、变频器、压力变送器、泵组（两用一备）、电动阀、稳压罐、稳流罐、交流接触器、中间继电器等构成。
从站硬件结构示意图如下图2-4【7】。
电动阀只在中、高区进水口处配备；系统选用的SAMCO变频器内，带有供水专用基板，通过设置相应的参数可实现PID控制。
泵组有三台水泵构成，两台工作泵、一台备用泵，根据整个楼宇的用水量来选择。
正常工作状态下，两台水泵即可满足供水需要；当泵组中水泵出现故障进行检修时，备用泵的配备仍能保证正
常供水。
各区泵组的选择，按照由低区到高区的顺序，扬程流量依次减小。
也就是，高区泵组的扬程流量只需要满足高区用户的用水量；中区泵组的扬程流量不仅要满足中区用户的用水量，还要向高区供水；低区泵组的扬程流量要满足
整个楼宇的用户用水量。
系统中的稳流罐在来水流量不足时起补充流量的作用；稳压罐在出水口压力骤降时起补压的作用。
图2-4硬件结构图
从站的工作原理看，各区从站的工作原理基本相似，有手动和自动两种工作模式。
在对各区设备分别进行调试时，采用手动模式，则可以通过各区控制柜上的按钮对该区水泵进行启停控制。
在自动模式下，主站通过从站的分布式I/O实时采集各区出水口和入水口压力，然后接收主站发出的控制指令，根据用户用水情况对出水口压力进行快速调节，从而实现恒压供水。
各从站的单级变频恒压供水设备中，按照“先启先停，先停先启”的原则，对泵组中的水泵进行切换，以稳定各区出水口压力。
从站的供水设备进入休眠状态后，用水量的小幅波动可以通过各区出水口处的稳压罐补压来稳定出水压力，而无需启动泵组。
休眠功能可以避免各区供水设备的频繁启停，具有保护设备和节能的作用。
以低区从站两台工作泵的切换方式为例，控制流程图如图2-5所示【8】。
其他各区的控制流程基本相似。
这种泵组的切换方式中备用泵不固定，既可以有效减少水泵的频繁起停，又能使泵组中各水泵的运行时间基本相同，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。
另外，各区还都具有过载、停泵、停电或缺相、超压以及变频器故障等报警和保护功能，并可将信息上传至上位机监控系统。
图2-5控制流程图
3系统的硬件设计
3.1系统主要设备的选择
根据基于PLC的变频恒压供水系统的原理，系统的电气控制总框图如图3-1所示：
图3-1系统的电气控制总框图
由以上系统电气总框图可以看出,该系统的主要硬件设备应包括以下几部分：
（1）PLC及其扩展模块、
（2）变频器、（3）水泵机组、（4）压力变送器、（5）液位变送器。
主要设备清单如下表：
设备清单表：
设备
性能
用水量：
36
扬程：
100m
水泵型号：
65LG50-20×5
电动机功率：
22kw
配用变频器：
22kw
西门子PLCS7-300CN（国产）系列CPU226DC/DC/DC扩724输入/16输出
模拟量扩展模块
EM235标准信号4输入/1（4AI/1AO
西门子变频器6SE6440-2UD32-2DB1MM44022KW
额定容量：
30KVA
额定电压：
380V
额定电流:
45A
额定过载电流：
额定电流的120％1分钟
配用制动电阻：
30欧姆
JYB-KO-CAG-0.035型大屏显示智能压力变送器（压力传感器）
量程：
0—1MP
精度1.5
数显仪输出电流：
4—20mA
JYB-KO-PAG-G-0.035防护型压力液位变送器（压力液位传感器）
供电电压：
DC24v（12v-32v）
测量精度：
±0.5％FS（扩散硅压力传感器）；±1％FS（陶瓷压力传感器）
负载能力：
电流型:
≤500Ω（不带显示）；电压型:
输出阻抗≤250Ω（DC24V供电时）
过载压力：
2倍量程
防护等级：
IP65
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