楼宇智能给水系统的设计三菱.docx

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楼宇智能给水系统的设计三菱

第1章变频调速原理

1.1变频调速的基本原理

通过离心泵原理，在相似情况下水泵的流量、扬程和功率分别与其转速的一次方、二次方和三次方成正比。

对于用水经常变化的场合，采用变频调速泵供水，可以显著降低节流损耗，具有明显的节能效果。

三相交流电动机的转速与频率、极数及转差率之间的关系如下：

n=60f（1—s）／p其中：

n——每分钟的转速；

f——交流电的频率；

s——转差率。

p——磁极对数；

在三相电动机中对转速的调节有多种方法，如通过调整交流电的频率、电动机的极数以及转差率来实现。

以往人们通过对电机的极数变化来调整电机的转速，很少采用频率调节，但随着电力电子技术、微电子技术的发展，变频控制技术的不断成熟，人们发现通过调整电源的频率调速要比通过调整电机的极数与转差率调速方便得多，效果也好得多。

所以现在，一般我们对三相交流电动机进行转速调整都通过调节三相交流电的频率来实现，其应用范围越来越广。

1.2变频恒压供水系统的工作原理

根据用户用水量变化自动调节运行水泵台数和一台水泵转速，使水泵出口压力保持恒定。

当用户用水量小于一台水泵出水量时，控制系统根据用水量的变化有一台水泵变频调整运行，当用水量增加时管道系统内压力下降，这时压力传感器把检测到的信号传送给微机控制单元，通过微机运行判断，发出指令到变频器，控制水泵电机，使转速加快以保证系统压力恒定，反之当用水量减少时，使水泵转速减慢，以保持恒压。

当用水量大于一台泵出水时，第一台泵切换到工频运行，第二台泵开始变频调整运行，当用水量大于两台泵出水量时，将自动停止一台或二台泵运行。

在整个运行过程中，变频恒压供水系统始终保持系统恒压不变，使水泵始终工作在高效区，既保证用户恒压供水，又节省电能。

1.3变频恒压供水系统的特点

1、高效节能。

变频恒压供水系统对泵组进行出口恒压变量控制，进一步扩展了水泵的调速范围，节电最高可达50%，供水压力恒定，其调节精度可达设定值的上下0.01MP，系统漏溢少，可节水10%。

由于采用水泵出口压力控制，系统用水量任意变化，故能使供水管网的服务压力恒定，保证供水质量。

2、自动化程序高。

变频恒压供水系统运行寿命长，全机工作采用全自动智能数控变频控制，操作方便，工作程序由微机控制。

对机组均能进行软起动，对电器和机械无冲击，大大延长设备的电器和机械的寿命。

3、功能齐全，可追加各种附加功能，如小流量停机，小流量切换，水池无水停机，水池有水时，自动开机。

市网压力升高能够满足用水量时自动停机进入休眠状态。

但管网有一定的压力但又低，而不能到达最高层时，自动再起动水泵运行。

定时起、停，定时切换。

恒压供水设备另具有变频自动、手动多种操作运行方式。

在任何状况下，变频恒压供水系统均能可靠地投入运行，确保供水系统不断水。

4、有完善的保护、自检、故障判断的功能及故障排除的对策，保护功能齐全，有缺相、欠压、过压、过载、短路、过热、失速等保护功能。

5、抗干扰能力强，长沙中崛变频恒压供水系统有抗干扰及自动复位电路，可在各种场合下可靠运行。

6、无高塔、无屋顶水箱，节省占地面积。

体积小，重量轻，土建费用少；安装方便，工期短，工期短，噪音小，有二次污染。

停电时可维护自然供水高度。

1.4变频恒压供水系统应用范围

a）新建的住宅小区、别墅、写字楼、综合楼生活供水。

b）高层建筑、高级宾馆饭店等的生活供水。

c）气压给水,地面水池加压等传统供水系统改造。

d）各种锅炉冷水供水系统

e）自来水厂的中间加压泵站。

f）各工矿企业的生产、生活用水。

g）各种类型的循环水、冷却水供应系统。

h）自来水压力不能满足要求的生活、消防加压供水等。

第2章可编程控制器（PLC）的概述

2.1PLC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。

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。

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。

2.2PLC的基本结构

PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图3-1所示。

图3-1 PLC的基本结构

1．中央处理单元（CPU）

2．存储器

3．电池

用于长时间数据后备。

用户数据（如标志位状态，数据块，定时器，计数器）可通过内部的超级电容存贮大约5天。

选用电池模块能延长存贮时间到200天（10年寿命）。

电池模块插在存储器模块的卡槽中。

2.3PLC的工作原理

PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。

1、扫描技术

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。

完成上述三个阶段称作一个扫描周期。

在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

如图3-3所示。

图3-3 PLC的扫描工作过程

（1）输入采样阶段

（2）用户程序执行阶段

（3）输出刷新阶段

2、PLC的I/O响应时间

I/O响应时间指从PLC的某一输入信号变化开始到系统有关输出端信号的改变所需的时间。

2.4PLC的特点

1、配套齐全，功能完善，实用性强

PLC发展到今天，可以用于各种规模的工业控制场合。

加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。

2、高可靠性，抗干扰能力强

高可靠性是电气控制设备的关键性能。

从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。

此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护，使得整个系统具有极高的可靠性。

还特别设立了警戒时钟WDT，PLC系统对警戒时钟进行定时刷新，一旦出现死循环，PLC能自动重新启动，对软件程序和硬件进行检查，给出错误报警，避免了个人电脑和单片机经常出现的死机现象。

3、丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，直接连接另外为了提高操作性能，它还有多种人-机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。

4、采用模块化结构

为了适应各种工业控制需要除了单元式的小型PLC以外绝大多数PLC均采用模块化结构PLC的各个部件包括CPU电源I/O等均采用模块化设计由机架及电缆将各模块连接起来系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

5、编程简单易学，深受工程技术人员欢迎

PLC作为通用工业控制计算机，为面向工矿企业的工业控制设备。

接口简单容易，编程语言易于为工程技术开发人员接受。

梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。

6、体积小，重量轻，能耗低

以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。

由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

2.5PLC的用途

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、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：

1、开关量的逻辑控制

这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。

如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。

2、模拟量控制

在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。

为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。

PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。

3、运动控制

PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。

从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。

如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。

世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。

4、过程控制

过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。

作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。

PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。

过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。

5、数据处理

现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。

这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。

数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。

6、通信及联网

PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。

随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。

新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

2.5.1FX2N系列PLC的特点

FX2N系列PLC是三菱公司20世纪90年代推出的一种整体式小型PLC，有如下特点：

（1）它结构紧凑

（2）扩展性良好

（3）指令功能强大

（4）价格低廉，具有很高的性价比

因此，FX2N系列PLC成为当代各种小型控制工程的理想控制器，在中小规模控制系统中得到了广泛的应用。

在本设计中即采用此系列的PLC。

第3章系统设计思想

3.1设计思想

以某一工厂生活楼生活给水系统为例，水箱补水为自来水，由电磁阀控制，当水箱液位为低液位时，电磁阀开启进行补水，当水箱液位为高液位时，电磁阀关闭停止补水。

给水系统管网为恒压供水，水泵采用变频控制，保证现场使用点供水压力稳定。

据此建立系统模型图，如图4-1所示。

图4-1 某一工厂生活楼生活给水系统模型图

3.2本工程设计分析

水箱补水为自来水，自来水补水控制为浮球控制电磁阀的启闭来实现，当液位到达L时，电磁阀开启补水，当补水液位上升至H点时，电磁阀关闭停止补水，如液位继续上升至HH点时，系统高液位报警，溢流口溢流至排水沟，如液位下降至LL点时，系统低液位报警并停泵保护。

恒压供水采用3台水泵，其中1#泵为主泵，2#、3#泵为备用泵，首先，1#泵由变频器供电工作，在使用点的最高处安装一压力传感器，水泵电机转速随着压力传感器调节器输出给变频器控制信号的变化而改变，以保持管网压力的稳定，当现场用水量大时，管网压力低于设定压力，变频器输出频率升高；用水量小时，管网压力高于设定压力，变频器输出频率降低。

如当1#泵频率上升到50HZ（即水泵全速运转时），仍不能满足供水要求时，2#泵自动投入运行，如2#泵电机也达到满频运转时仍不能满足，则3#泵投入运行，如果此时用水量减少，水压上升，变频器输出频率下降，当频率到达一定下限时，供水量仍大于用水量，则系统自动将3#泵停止运行