高层民用供水系统.docx
《高层民用供水系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高层民用供水系统.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
高层民用供水系统
摘要
随着我国城乡建设的迅速发展,水、电供应不足的矛盾越来越成为人们关注的问题。
例如,人们日常生活中的用水量越来越大,一天中的用水量的波动也越来越大。
以往的供水系统中,水泵的选取往往是按最大供水量来确定,而实际的用水量在不断变化。
高峰用水时间较短,这样水泵在很长一段时间内有较大余量,不仅水泵效率低,供水压力不稳,而且造成大量电力、水资源的浪费;并且以往依靠手动操作控制泵的启动、停止,也已不能满足要求。
本文在分析和比较了国内外供水自动控制系统的发展现状和特点的基础上，结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套以变频调速技术为基础的高层恒压供水系统。
该系统综合运用PLC技术、变频调速技术等，实现了高层恒压供水的参数整定自动控制，保证了高层恒压供水系统维持在最佳运行状况。
根据高层恒压供水的要求，采用PLC与变频调速技术对供水泵组进行控制，并在控制系统中引进了软硬件双重滤波技术和数字PID在线控制技术。
介绍了系统的硬件构成、软件设计、工作原理、运行方式、参数整定等。
关键词：
高层恒压供水；PLC；变频调速；PID控制
ABSTRACT
Alongwiththerapiddevelopmentofurbanandruralconstruction,waterandelectricitysupplyshortageofcontradictionsbecomemoreandmoreattention.Forexample,thedailylifeofanincreasingamountofwateradayoffluctuationsintheamountofwaterisalsogrowing.Inthepastwatersupplysystems,waterpumpsareoftenselectedbythelargestamountofwatertodeterminetheactualamountofwaterintheever-changing.Waterforashortertimetopeak,whichpumpsalongperiodoftimethereisagreatermargin,isnotonlyinefficientwaterpumps,waterpressureunstable,andcausealotofelectricity,wasteofwaterresources;inthepastandrelyonmanualcontrolpumpStart,stop,itcannotmeettherequirements.
Ontheofanalysiscomparingthedevelopingsituationandcharacteristicsofthedomesticandinternationalfactories′automaticcontrolsystem,alongwithchina′smiddle-sizedandsmallurbanwaterfactoriessituation,thispaperdesignsasetofVVVFtechnology-based.Watersupplycomputercontrollingsystem.Thesystemintegratechusesthecomputertechnology,VVVFtechnologyandsoon,realizingtheparameters′automaticsettingoftheWaterSupplyandensuringtheWaterSupplysystemmaintainsthebestoperatingconditionatanytime.
AccordingtotherequirementsofWaterSupply,wehaveappliedPLCandVVVFtechnologytocontrolwaterpumpingsystem,andbroughtinsoftwareandhardwaretechnologyanddual-linedigitalPIDcontroltechnologyinthecontrollingsystem.Thispaperhasintroducedasystemofhardware,softwaredesign,principle,theoperationmodeandsettingparametersandsoon.
Keywords:
Water-supply；PLC；VVVF；PIDControl
目录
1引言1
1.1高层恒压供水问题的提出1
1.2国内高层恒压供水系统的现状1
1.3各类供水系统的比较3
1.4可编程序控制器及变频调速在供水行业中的应用3
1.5恒压供水的意义5
1.6恒压供水的目的5
1.7本课题的恒压供水思路6
1.8小结6
2高层恒压供水自动控制系统的硬件设计7
2.1高层恒压供水系统的基本硬件构成7
2.2PLC组成8
2.2.1PLC的输入8
2.2.2PLC的输出9
2.2.3PLC的控制机制9
2.2.4PLC的定义11
2.2.5PLC的特点11
2.2.6PLC的性能指标13
2.2.7PLC的分类13
2.3PLC工作原理14
2.3.1循环扫描14
2.3.2I/O响应时间15
2.3.3PLC中的存储器16
2.4PLC的I/O编址16
2.5PLC控制系统的结构17
2.5.1单机控制系统17
2.5.2集中控制系统17
2.5.3分散控制系统18
2.6PLC的选型设计19
2.7PLC的输入/输出点分配19
2.8PLC的输入/输出电路设计20
2.9小结21
3高层恒压供水自动控制系统的软件设计22
3.1高层恒压供水系统的软件平台22
3.1.1编程语言的选择22
3.1.2梯形图的基本绘制规则22
3.2高层恒压供水系统的流程图设计23
3.3高层恒压供水自动控制系统的梯形图设计24
3.3.1主程序24
3.3.2回路表子程序25
3.3.3初始化子程序25
3.3.4中断子程序26
3.4小结27
4高层恒压供水自动控制系统的模拟仿真29
4.1硬件设置29
4.2生成ASCII文本文件29
4.3下载程序29
4.4调试部分29
4.5小结32
5结束语33
参考文献34
致谢35
1引言
1.1高层恒压供水问题的提出
水已经成为中国21世纪的热点问题，水有其自然属性，它既是一种特殊的、不可替换的资源，又是一种可重复使用、可再生的资源；水又有其经济和社会属性，不仅工业、农业的发展要靠水，水更是城市发展、人民生活的生命线。
变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。
恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求是当今先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等有着重要意义。
供水可靠性低。
由于水泵采用人工操作方式，高位水池的水位只能靠人为估计，而且高位水池离水泵房较远，无法做到准时开机和停机。
会造成供水中断或出现高位水池水位过高而溢流，电能和水资源造成浪费。
另外，如果蓄水池水位过低，还会造成水泵空转，导致电能浪费和机电设备的加速损耗。
水资源浪费。
除水泵不能准时停机而造成的溢流浪费外。
居民因高峰期供水中断，故经常打开阀门未关，造成来水后的浪费。
很多居民在工作前或睡觉前打开阀门，用水桶或脸盆接水、贮水，造成来水后大量溢流，极大地浪费了水资源，增大了供水成本。
1.2国内恒压供水系统的现状
水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点：
这种方式是集中供水。
对于一、二层是商业群房，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。
一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。
主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵为一般为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本不变。
恒压变频供水是较为理想和先进的。
首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。
各台水泵自动轮换使用，即最先投入使用的水泵最早退出运行，这样各台水泵寿命均等，而且一旦水泵出现故障，该系统能自动跳过故障泵运行。
传统恒压供水方式如图1-1所示。
水池－水泵－高位水箱－用水点：
此方式也是集中供水。
单幢次高层和高层建筑的高压供水区较多采用该种方案。
一般也需要设计有一座地下水池，通过两台水泵（一用一备）抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用水点。
该方式是较成熟的水泵、水箱供水方式。
单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点：
次方式已简化为单元总水表进水。
单元水箱和单元增压泵实际上是一个整体，我们称之为单元增压器。
由于有屋顶水箱，高水位时停泵，低水位时起泵，这样，水泵也有了停息时间，既省电又不至于一停电就停泵无水供应，用水有了保障，社会效益较好。
图1-1传统恒压供水方式
Fig1-1traditionalwayofconstantpressurewatersupply
1.3各类供水系统的比较
水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点是目前国内外普遍采用的方法。
该系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死。
[1]这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。
水池－水泵－高位水箱－用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用户。
但是这第种二次供水方式不可避免造成二次污染，影响居民的身体健康。
所以这种方案并不可取，终将淘汰。
单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点的确也达到了楼房高层的用户不因城市供水管网水压减小而用不到水的目标，[2]但是它的投资较大，总费用比上两种方式增加一、二十万元。
这些费用要在用户的水电费上来扣除，这对于居民和学校来说是巨大的压力，所以也不可取。
结合民用高层建筑用水的特点和经济效益的考虑,决定采用恒压变频供水系统。
但上述的高层恒压供水系统有一个很大的弊病，就是在一个变频泵已经工作但压力仍然达不到设定压力，需要启动另外一个泵时把主线路从变频器切换到工频线路上，从理论上讲是不错的，变频器输出电压是380V，工频线路输出的也是380V。
但是实际应用中工频线路的电压是不定的。
一般在水厂的配电室里对外输出有两到三个档，一个是春秋季节时用的380V的供电电压，另一个是夏天时用的420V或420V以上（因为用空调冰箱较多），设所需水压0.2mpa，单泵只能达到0.195mpa，则需要加泵，当线路由变频切换到工频时，电压突然增大，多出来的电压会使水泵向上抽更多的水，很有可能使水压超过设定值，PLC根据压力传感器的信号令A泵退出运行，但实际水压并未达到0.2mpa稳定后仍然需要加泵，B泵频率上升至50Hz，切换线路并启动C泵，切换时又遇到刚才的状况，导致水泵频繁切换，但水压始终上不去。
1.4可编程序控制器及变频调速在供水行业中的应用
作为高性能的调速传动,直流发电机－电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。
但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦,价格也相当昂贵。
使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。
异步电机的调速方法很多,例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。
但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。
由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展,促使晶体管变频器的诞生。
晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点,而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。
三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点,其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。
到80年代末,交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术,它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流,再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源,以此电源拖动电机在变速状态下运行,并自动适应变负荷的条件。
它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式,从而达到节能目的。
现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中,较为传统的运行方式是可节电40％～60％,节水15％～30％[7]。
由于变频调速具有调速的机械特性好,效率高,调速范围宽,精度高,调整特性曲线平滑,可以实现连续的、平稳的调速,体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。
尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时,可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。
变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器,变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类,目前国内大都使用交－直－交变频器[7]。
自从通用变频器问世以来,变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。
变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点,使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。
恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速,依据用水量的变化自动调节系统的运行参数,在用水量的变化自动调节系统的运行参数,在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求,是当今最先术的飞速发展,变频器的功能也进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中得到了很大的发展。
随着电力电子技越来越强。
充分利用变频器内置的各种功能,对合理设计变频调速恒压供水设备,降低成本,保证产品质量等方面有着非常重要的意义。
新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比,不论是设备的投资,运行的经济性,还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势,而且具有显著的节能效果。
恒压供水调速系统的这些优越性,引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视,并不断投入开发、生产这一高新技术产品。
目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。
追求高度智能化,系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势[5]。
1.5恒压供水的意义
用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况经常发生。
而用水和供水之间的不平衡集中地反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。
保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。
高层恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。
例如在某些生产过程中，若自来水供水因压力不足或短时缺水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。
又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大的经济损失和人员伤亡。
所以某些用水区采用高层恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
恒压供水的优点：
高效节能,占地面积小，投入少，效率高；配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠；运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上的平均扭矩和磨损减小，水泵的寿命将大为提高；由于能对水泵实现软停和软起，并可消除水锤效应（水锤效应：
直接启动和停机时，液体动能的急剧变化，导致对管网的极大冲击，有很大的败坏力）；具有较高的恒压精度；能长时间稳定可靠运行；操作简单，省时省力[4]。
1.6恒压供水的目的
对供水系统进行的控制，归根结底，是为了满足用户对流量的需求，所以流量是供水的基本控制对象。
而如上所述，供水流量的大小取决于用户用水的度多少，而用户用水的多少是无法进行具体的测量和控制的。
考虑到在动态情况下，管道中水压的大小于供水能力（用Qg表示）和用水需求（用Qu表示）之间的平衡情况有关：
如供水能力Qg>用水需求Qu，则压力上升（P↑）；
如供水能力Qg<用水需求Qu,则压力下降（P↓）；
如供水能力Qg=用水需求Qu,则压力不变（P=const）;
可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。
从而，压力就成为用来作为控制流量大小的参变处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足用户所需的用水流量，这就是恒压供水的所要达到的目的[4]。
1.7本课题的恒压供水思路
高层恒压供水系统分自动和手动控制，在自动状态下执行自动程序，在手动状态下能够手动启动所有负载。
具体思路如图1-2所示。
1.8小结
本文所做的工作分为两个方面，一是电气图的设计；二是PLC程序的编制满足工艺要求。
全文主体思路共分为5章，第1章概述恒压供水问题的提出和意义，国内高层恒压供水系统的现状，明确论文要解决的问题并提出总体方案；第2章详细介绍全自动供水系统的硬件设计。
第3章详细阐述供水系统的软件设计。
第4章详细阐述恒压供水自动控制系统的模拟仿真。
第5章是结论，总结该系统的设计思路及优点。
图1-2恒压供水思路图
Fig.1-2thinkingpressurewatersupplyplans
2恒压供水自动控制系统的硬件设计
2.1高层恒压供水系统的基本硬件构成
高层恒压供水系统结构框图如图2-1所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及2台水泵等组成。
用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。
在设计PLC控制时应考虑其现实情况，来选择PLC的型号，在选择型号时应遵循以下基本原则：
图2-1高层恒压供水系统结构框图
Fig.2-1Thestructurediagramofconstantpressureandwatersupplysystem
最大限度地满足被控对象的控制要求。
充分发挥PLC的功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计PLC控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。
这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。
同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。
保证PLC控制系统安全可靠。
保证PLC控制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。
这就要求设计者在系统设计、元器件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。
例如：
应该保证PLC程序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。
量和数量，带来巨大的经济力求简单、经济、使用及维修方便。
一个新的控制工程固然能提高产品的质效益和社会效益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。
因此，在满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。
这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。
适应发展的需要。
由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。
这就要求在选择PLC、输入/输出模块、I/O点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。
硬件电路设计所需元件如表2-1所示。
表2-1硬件电路设计元器件清单
名称
型号
单位
数量
交流继电器
MY2NJ220/240VAC
只
2
按钮
LAY39-11D/R
只
3
变频器
CVF-P2-4T0185
台
1
压力传感器
CS-PT100
只
1
泵电机
Y160M2-2
台
2
拨码开关
WT11-DS
只
1
可编程控制器
CPU222
台
1
Table2-1liststhehardwarecircuitdesigncomponents
2.2PLC组成
2.2.1PLC的输入
通过对继电器控制特点的介绍和最初通用汽车公司提出的要求分析。
PLC要想取代继电器控制，首先要解决外部设备的直接输入问题。
由于当时主要集中在开关量控制，也就是开关量（触点的开闭状态）如何直接接入PLC并被PLC所识别，对此就需要解决以下几个问题：
有源接入，无源接入，绝缘问题，隔离问题和互相干扰问题。
PLC就是一个计算机控制系统，在其发展过程，人们曾将计算机直接用于工业控制，但是由于以下两大问题没有解决好而难以发展：
一是I/O（输入/输出）问题，计算机不能直接和工业现场设备连接现在了应用；二是计算机的I/O功能，开关逻辑处理不够丰富和强大。
现在的PLC成功的解决了这两个方面的问题，可以让PLC和外部设备直接进行物理的连接。
计算机的内部提供了丰富的从位逻辑到双字运算的强大的运算功能，使其能够完成复杂的控制功能，这也是PLC能够迅速发展的原因。
2.2.2PLC的输出
输出问题主要是接点的驱动能力问题，或者说是带负载能力和输出方式的问题。
输出动作次数的限制，是保证PLC的输出接点能否驱动接触器、电磁阀这样的控制执行元器件的问题至少要能直接驱动中间继电器。
现在的PLC产品已经完全有能力驱动这些元器件,并提供了多种输出方式且动作次数可保证万次无故障的产品。
2.2.3PLC的控制机制
PLC已经完全取代继电器控制系统。
只要对其控制机制有了准确的理解，才能对其持续的开发并创造性的使用它。
I/O电路已经保证了PLC与现场设备的直接连接，并在内部寄存器存储了这些状态。
但是，为了取代继电器的控制，更重要的是如何组织和使用这些开关量，从而达到软件程序代替硬件连线的目的。
在这里通过对继电器的控制的电路的特点的介绍，已经知道继电器控制电路的特点在于各个控制单元是否动作是由其接点条件控制的，并不受其前后位置的影响。
同一时刻，可有多个不同的控制单元继电器的动作（翻转），控制的结果、逻辑动作顺序也是由接点条件来控制的。
这于计算机顺序执行的工作的特点是矛盾的。
主要体现在：
一是乱序，只要条件满足就执行；而另一个是顺序执行。
PLC充分利用了计算机存储程序的思想和高速的特点，采用了控制系统中的离散控制方式，使它的控制能够完全代替继电器的控制。
具体的说就是将连续的控制用离散的控制代替，如下式：
Y（n）=f（x（n-1）,y（n-1））
式中，Y（n）为某一时间段的输出值；
Y（n-1）为上一时间段的输出值；
X（n-1）为上一时间段某一时刻的输入值；
F为他们应满足的控制关系。
即某一时间段的输出完全取决于上一时间某一时刻的输入和上一时间段的输出。
至于上一时间段的输
升级会员 