高层建筑供水控制系统设计Word文件下载.docx
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所以保障生活供水系统运行的稳定性和安全性是当今供水系统的首要任务。
基于我国能源紧缺的现状，节水节能势在必行。
供水系统是建筑中不可缺少重要的组成部分，本论文设计的目的是通过结合现代化的自动控制技术，进行合理的选择供水方式——变频恒压供水，实现高层建筑供水系统的节水节能各项性能的优化，使我们建筑的能耗降低到最低水平。
本文基于PLC的变频恒压供水系统是采用压力传感器、变频器及水泵机组和其它测量仪表组成闭环控制系统，系统能根据水管压力对供水量进行自动调节，从而实现恒压供水。
关键词：
PLC；
恒压；
变频器；
高层建筑；
节能；
供水系统
ThefrequencyconstantpressurewatersupplysystembasedonPLCisaclosedloopcontrolsystemthatconsistofpressuresensor,transducerandthepumpunitandtheotherinstrument,itcanadjustthewatersupplyautomaticallyaccordingtothepipepressuresoastorealizetheconstantpressurewatersupply.
Keywords:
PLC；
constantpressuretransducer；
high-risebuilding；
energy-saving
目次
摘要·
·
Ⅰ
Abstract·
Ⅱ
1引言·
1
1.1课题的提出·
2
1.2课题研究的背景与现状·
1.2.1建筑供水系统的研究背景·
1.2.2建筑供水系统的研究现状·
3
1.2.3变频恒压供水系统的国内外研究现状·
1.3课题设计的任务以及要求·
5
2恒压供水系统解析·
6
2.1恒压供水系统概念·
2.2恒压供水系统的特性·
2.3系统控制方案的比较及确定·
7
3系统硬件设计·
9
3.1控制系统的组成·
3.2系统控制过程分析·
10
3.2.1控制系统流程框图·
3.2.2系统控制流程解析·
11
3.3控制系统电路设计·
12
3.3.1主电路设计·
3.3.2PLC的选型·
13
3.3.3控制回路设计·
14
3.4变频器的特点·
17
4系统软件设计·
18
4.1软件设计的目的·
4.2编程软件介绍·
4.3程序设计方法·
4.3.1各部分的控制流程图·
19
4.3.2系统各部分子程序设计·
20
4.3.3子程序梯形图·
21
4.4PID控制算法·
23
4.4.1PID算法流程图·
4.4.2PID控制算法的含义·
24
4.4.3PID控制算法的特点·
25
5系统节能原理分析·
26
5.1变频调速原理·
5.2变频调速供水系统的节能原理·
6总结·
28
致谢·
29
参考文献·
30
附录1·
32
1引言
1.1课题的提出
水是人们日常生活中不可缺乏的物质之一，生命的循环、社会经济的发展都离不开它，可见水资源的重要性。
电力也是极其重要的能源,使用起来清洁、便利,既是工业生产的重要能源,也是人们日常生活中必不可少的一种生活能源。
一旦出现电力供应不足或是电力中断的现象,不仅经济的发展会受到很大影响,同时也会给我们的正常生活带来许多不便。
既然水电在我们生活中占这么重要的位置，它们却是不可再生资源，然而现在国内外的水电资源又是怎样的一个状况呢？
据相关文献[1]得知，全球有139万亿立方米水，其中有97.3％是咸水,只有2.7％是淡水，而在这之中又有69％的淡水是以冰雪形式存在，所以难以开发利用，这样一来只有很少部分的水可供人们使用，具有直接经济效益。
水的数量虽在一定时期内是保持平衡的，但这个时间和空间范围却又是非常有限的，现在世界上约2／3的国家都不同程度地出现水危机现象。
我国是水资源十分短缺的国家之一，尽管水资源总量达到28000亿立方米左右，但人均水资源量仅占世界平均水平的1／4。
再者由于我国地区分布十分不均，有80%的水资源分布在耕地只占全国耕地面积的1／3左右的南方，所以水土资源分配严重不平衡。
因此，总的水资源可利用量并不是很大，缺水将成为严重制约我国经济社会发展的重要因素之一。
更糟的是，随着工业的飞速发展现在的水质极其不容乐观。
据国家有关部分统计，我国每年的工业废水和城镇生活污水排放总量已达到631亿吨，按我国16亿的人口算平均每人每年向河流排放40吨的废水。
以长江流域为例，在废污水排放中，工业废水和生活污水分别占75%和25%。
我国的电力资源又是如何的呢？
随着工业和经济的高速发展，我国电力需求量日益增多，供需矛盾日趋突出。
我们来看以下的这些资料：
2004年一季度，全国用电量4805亿千瓦时，与2003年同期相比增长16.4%。
从区域用电量增长情况看，经济发达的长江、珠江三角洲地区用电量依然保持高速增长。
在2005年一季度全国就有24个电网出现拉闸限电现象，比2004年同期新增加了8个电网。
但值得注意的是，现阶段我国人均能源消费量只有世界人均能源消费水平的一半。
2000年中国人均发电量为1081千瓦时，日本的人均发电量为8529千瓦时，是中国的8倍左右；
美国为14199千瓦时，是中国的13倍多。
虽然说现在我国的装机水平有了很大的提升，即使到2020年，我国的人均装机水平也只有0.6千瓦，这个水平只相当于2000年美国人均装机水平的20%、日本人均装机水平的29%。
在我国目前人均能源和电力消费水平还已经很低的情况下，能源和电力供需矛盾已经非常明显，如果我们在未来发展中向发达国家看齐，“能源和电力可持续发展的任务将更为艰巨”[2]。
本课题为高层建筑供水系统设计，近年来我国城市生活用水量呈逐年递增趋势，主要体现在居民用水和公共建筑用水方面。
基于我国水电能源紧缺的现状，高层建筑供水必须达到节水节能的要求。
1.2课题研究的背景与现状
1.2.1建筑供水系统的研究背景
在过去高层建筑使用得最多的供水方式是高位水箱供水，但当建筑高度超过一定限度时,低区部分则会由于供水压力过大带来以下几个问题:
1）当水龙头开启时很容易喷射溅水；
2）“管道及配件长时间耐压过高极易损坏检修频繁”；
3）下层水龙头实际流量比设计流量大致使管道内流速增加产生振动、噪声和水量浪费以及容易使顶层水龙头产生负压抽吸现象。
1.2.2建筑供水系统的研究现状
对于高层建筑，市政管网的水压基本不能满足高区部分生活用水的要求，因此绝大多数建筑都采用分区给水方式，即低区部分直接由市政管网供水，而高区部分则由水泵加压供水，这种方式在现在还很普遍。
中国是个能源需求大国，而建筑能耗却占了总能耗的1/3，其中99%的建筑存在能耗浪费现象。
因此，国家有关部门已经把建筑节能作为新时期建设的一项重要任务。
选择合理的给水方式是高层建筑生活给水系统设计的关键，它直接关系到生活给水系统的使用效果和工程造价。
1.2.3变频恒压供水系统的国内外研究现状
变频恒压供水技术是在变频调速技术发展之后逐渐发展起来的。
早期国外生产的变频器功能主要限定在压频比控制、频率控制、正反转控制、升降速控制、起制动控制、起制动控制及各种保护功能。
在变频恒压供水系统中,变频器仅作为执行机构,为了保证供水量需求大小不同时管网压力的恒定,则要在变频器外部提供压力控制器和压力传感器,对压力进行闭环控制。
据网上相关资料,国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器带一台水泵机组的方式,因而增加了投资成本。
随着变频技术的发展和变频恒压供水系统技术的成熟，系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点和显著的节能效果逐渐被大家发现和认可,国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器。
将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上,通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。
只要搭载配套的恒压供水单元,便可直接控制多个内置的电磁接触器工作,可构成最多7台水泵的供水系统，完全可以满足现代化的高层建筑供水需求。
这类设备虽微化了电路结构,降低了设备成本,但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性,系统的动态性能和稳定性不高,与别的监控系统和组态软件难以实现数据通信,并且限制了带负载的容量,因此在实际使用时其范围将会受到限制。
目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程时,大多采用国外的变频器控制水泵的转速、管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制；
有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件来实现；
有的却采用单片机及相应的软件来实现。
但从系统的动态性能指标、稳定性能指标、抗扰性的程度以及开放性综合技术指标来说,还远远未能达到所有用户的要求。
例如原深圳华为电气公司和成都希望集团（森兰变频器）推出了功率为5.5kw一22kw的恒压供水专用变频器,它无需外接PLC和PID调节器,最多可完成4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环，该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现,但其输出接口限制了带负载容量,同时操作不方便且不具有数据通信功能,因此只适用于小容量及控制要求不高的供水场所[3]。
可以看出,目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中,对于能适应各种用水场合,结合现代控制技术、网络和通讯技术的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得还不够透彻，所以有待进一步研究改善系统的性能,使其能更好地应用于生活以及生产实践。
1.3课题设计的任务以及要求
本论文设计研究以一栋高层建筑的生活供水系统为控制对象、基于PLC的供水控制系统，使系统达到比较理想的性能指标，实现用户对供水质量的要求，总体效果要优于目前普遍的供水系统，设计的内容包括系统硬件和软件两个大方面。
系统设计要达到的要求是：
1）首先能提高供水的质量和稳定性，不能够因为水压的波动造成不同程度的供水故障；
2）其次系统能自动根据管网的压力控制水泵的启停进而调节水管内的水压，最终实现任何时段的恒压供水；
3）第三个要求是在系统恒压的基础是实现节水节能。
2恒压供水系统解析
2.1恒压供水系统概念
从字面上我们就可以知道系统的关键词是“恒压”，也就是指无论供水管网中用水量发生什么样的变化，出口压力总能保持不变的供水方式，供水管网的出口压力值是根据用户需求确定的。
像这种供水方式的系统就称为恒压供水系统。
2.2恒压供水系统的特性
恒压供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统中管道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f（Q）,如图2-1所示。
由图2-1我们可以看出,流量（Q）越大,反之扬程（H）就越小。
因为在阀门开度和水泵转速均不变的情况下,流量（Q）的大小主要取决于用户的实际用水情况,因此,扬程特性所反映的是扬程（H）与用水流量（Q）之间的关系；
而管道阻力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：
H=fQ（u），管道阻力特性反映的是水泵能量用来克服系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。
由图可以得知,在同一阀门开度下,扬程（H）越大,流量Q也越大。
表面上看是阀门开度的改变,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,管道阻力特性所反映的是扬程与供水流量QG之间的关系:
H=f（QG）.扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点被称为供水系统的稳定工作点,在这一点,用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量QG处于平衡状态[4]。
扬程特性
Ｈ（m）
ＨＡ Ａ
管阻特性
图2-1ＱＡＱ（m3/s）
2.3系统控制方案的比较及确定
通过比较以下几种方案的优缺点：
1）带供水基板的变频器+压力传感器+水泵机组：
这种控制方案的系统结构简单。
它是将可编程控制器（PLC）以及PID调节器等硬件全部集成在变频器供水基板上，通过对指令代码的设置来实现PID和PLC系统的功能。
这种系统虽然将硬件电路结构微化了，可以说在一定程度上降低了设备的投入成本；
但在数据显示方面例如压力设定和压力反馈值的显示就变得相对比较麻烦了，所以无法自动实现不同时段的不同恒压要求；
同时PID调节参数寻找困难、调节范围小，系统的稳态、动态性能不容易得到保证；
系统的输出接口扩展功能缺乏必要的灵活性导致数据通信困难，因此不适用于本文设计系统。
2）单片机+通用变频器+压力传感器+水泵组+人机界面：
这种控制方案特点是参数调整相对方便、控制算法灵活以及控制精度高，但缺点是开发周期相对较长，同时程序的修改比较困难，所以不具备灵活的现场调试功能；
其次我们都知道变频器在正常运行时都会产生不同程度的干扰，功率越大产生的干扰就越大，所以这种系统还必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性，这无疑是使系统复杂化了，所以该系统仅适用于小容量的变频恒压供水中。
3）变频器+水泵组+压力传感器+PLC+人机界面：
这种控制方案的特点是具有良好的通信接口以及加上PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和不同要求的控制系统；
当控制要求发生改变时，用户还可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序而且系统的硬件设计只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，所以这样的系统通用性强、现场调试相当方便；
同时因为PLC还具备很强的抗干扰能力和高可靠性因此提高了系统总体的性能。
这种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。
综合上述三种方案的比较和分析，只有第三种控制方案更适合于本文设计的系统。
3系统硬件设计
3.1控制系统的组成
从第二章节确定的系统控制方案看，系统由ACS510系列变频器、可编程控制器、压力变送器以及现场水泵组构成一个闭环的控制系统，另外还加上一个操作的人机界面。
系统框图如图3-1所示:
图3-1控制系统框图
此恒压供水系统的工作原理是通过安装在用户入户供水管道上的压力变送器实时地检测水压，并将其传送到变频器中，由变频器的内置PID功能将压力值进行PID运算与设定值相比较，最后输出控制频率来控制接触器工作，从而控制水泵电动机的转速去控制水泵的供水流量，最终实现变频恒压供水的目的。
3.2系统控制过程分析
图3-2系统控制流程框图
3.2.1控制系统流程框图
从上图我们可以看出，整个系统由四个部分组成：
1）信号检测机构部分。
本论文设计的系统要检测的信号包括管网水压信号和报警信号。
管网水压信号是整个系统控制的主要信号，它是用户管网的实时水压值，由压力变送器完成。
此外，为了实时掌握系统是否处于正常工作状态，本系统还设计了开关量的报警信号。
对于一个控制系统来说，报警部分必不可少，主要任务是反映系统中水泵电机是否过载、变频器是否有异常，从而保证整个系统可靠、安全、稳定地运行。
2）控制机构部分。
该机构包含供水控制器PLC系统、变频器和电控设备三个部分。
整个供水控制系统核心部分是供水控制柜中的供水控制器，它的作用是直接采集系统中的压力和报警信号，同时分析来自人机接口和通讯接口的数据信息并实施控制算法，最后得出控制执行机构的相应方案进而通过变频调速器和接触器对执行机构进行控制；
变频器的作用是根据供水控制器送来的控制信号去改变调速泵的运行频率，最终实现控制调速泵的转速，它是系统中对水泵进行转速控制的单元。
3）执行机构部分。
此部分机构由水泵组构成，它们的作用是将水供入用户管网。
本文设计的系统包含一台变频泵和两台工频泵，变频泵直接由变频调速器控制，目的是根据用水量的变化改变电机的转速来维持用户管网的水压恒定；
而两台工频泵分别运行于启、停两种工作状态，当变频泵达到工频运行状态时仍然无法满足用水需求的情况下这两台工频泵才开始投入工作。
4）人机界面部分。
人机界面是人与系统进行信息交流的平台。
通过人机界面，管理者不仅可以更改设定压力值，修改一些系统设定以满足不同工艺的需求，而且还可以从该界面上获得系统的一些运行情况及设备的工作状态以及对系统的运行过程进行监视。
3.2.2系统控制流程解析
整个系统的流程我们可以分成以下几个步骤：
1）系统上电首先根据接收的自动控制系统启动信号启动1#变频泵，然后再根据现场压力变送器传送的管网实际压力和设定压力的偏差值来调节变频器的输出频率去控制l#变频泵的转速。
一旦管道的输出压力达到设定值时就会有供水量与用水量相平衡，此时水泵电机转速才会保持稳定。
2）当出现实际用水量开始增加时，管道的水压必然会降低。
在这种情况下压力变送器反馈回来的水压信号相应地减小，偏差值变大，此时PLC的输出信号值和变频器的输出频率随之变大，变频器的输出频率是控制水泵转速的，所以水泵的转速自然增大，结果是为了使系统处于恒压状态水泵的转速会达到另外一个新的稳定值。
3）当用水量继续增加，即使工频泵达到上限频率的工作状态仍然无法满足供水需求时，系统会自动地启动2#变频水泵，同时控制1#工频泵在工频状态下运行，使系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。
如果用水量还继续增加，系统将会以同样的方式启动3#变频水泵，直到水压达到稳定值。
4）当系统处于用水低峰时段水压会升高，此时根据压力信号值系统变频器的输出频率会相应下降，满足减少水泵的条件时，系统会先后将2#、3#工频泵关掉，以恢复对水压的闭环调节。
5）当系统出现故障，系统会自动根据故障信号类别使控制器作出相应动作，以保证系统的稳定性、可靠性和安全性，并同时将故障信号反馈在人机界面上，让值班工作人员能及时做出相应的操作，这样能避免出现损坏设备的现象。
3.3控制系统电路设计
3.3.1主电路设计
本文设计的系统采用三台电动机1#、2#、3#,如图3-3所示[6]：
图3-3系统主电路图
图中的六个接触器KM1-KM6分别控制1号电机变频运行、1号电机工频运行、2号电机变频运行、2号电机工频运行、3号电机变频运行、3号电机工频运行；
热继电器FR1、FR2、FR3分别为三个电动机M1、M2、M3的过载保护电器；
QF1-QF5分别是主电路、变频器以及三台泵的工频运行空气开关。
3.3.2PLC的选型
根据主电路设计要求的实际需要输入输出点数分析见表1，本系统的可编程控制器选用西门子S7-200系列CPU224型（14输入/10输出）的主机,变频器选择美国ABB公司的ACS510-01-01A4-4，此变频器自带PID运算功能。
表1输入/输出功能表
I0.0
变频器故障
Q0.
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