楼宇自动化恒压供水控制系统毕业设计论文.docx
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楼宇自动化恒压供水控制系统毕业设计论文
题目：
楼宇自动化恒压供水控制系统
一、设计（论文）的原始依据：
1、根据本校自动化教学实验设备的设计方案
2、根据教师提供的设计任务书
3、根据三菱FX0n操作手册、三垦变频器操作手册
4、依据国家《民用建筑电气标准》《电气安装标准》
5、依据《变频器技术》、《可编程序控制器原理及应用》
6、依据相关手册样本
二、设计内容和要求：
1、完成系统概述部分的编写
2、绘制安装布局图、安装布线图、电气控制原理图
3、PLC的编程与说明
4、按期完成毕业论文的撰写
5、充分准备，顺利完成毕业答辩
目录
摘要4
一、恒压供水系统概述5
1.1恒压供水的控制目的5
1.2系统介绍6
二、楼宇自动化恒压供水控制系统方案8
2.1恒压供水系统的基本构成8
2.2控制分析11
2.3控制系统保证12
2.4系统功能13
2.5其他14
三、变频调速恒压供水系统设计标准14
四、设计实例18
4.1:
控制对象:
18
4.2:
设备选用:
18
4.3控制原理:
20
4.4、电气元件表21
4.5:
系统线路：
22
4.6、变频控制柜技术参数及性能特点：
26
4.7变频器的主要调试参数：
27
4.8．优势和效益29
五结束语32
六、毕业设计心得33
参考文献………………………………………………………34
摘要
随着我国改革开放的不断深入,我国的经济、文化、教育等各方面都在日新月异地向前发展。
科学技术更是突飞猛进。
在高压供水技术上，从80年代以来，我国变频调速恒压供水设备开发成功后，经过多年的应用，技术上已经成熟，目前在消防用水、生活用水、工业用水、园林景观用水等，以及各行生产企业运用相当广泛！
70、80年代建设的水塔-水泵联合供水或气压罐供水方式，在节能、环保和维护方面存在一些比较突出的问题，尤其是生活用水二次污染的控制难度很大。
进入90年代电力电子器件向着大容量、高频率、响应快、低损耗的方向发展。
作为应用现代电力电子器件与微计算机技术有机结合的交流变频调速装置，随着产品的开发创新和推广应用，使得交流异步电动机调速领域发生一场巨大的技术革命。
目前自动恒压供水系统应用的电动机调速装置均采用交流变频技术，而系统的控制装置采用PLC控制器，因PLC不仅可实现泵组、阀门的逻辑控制，并可完成系统的数字PID调节功能，可对系统中的各种运行参数、控制点的实时监控，并完成系统运行工况的CRT画面显示、故障报警及打印报表等功能。
自动恒压供水系统具有标准的通讯接口，可与城市供水系统的上位机联网，实现城区供水系统的优化控制，为城市供水系统提供了现代化的调度、管理、监控及经济运行的手段。
改造原有供水设备，充分发挥其社会效益的同时，最大限度的提高供水设备的经济效益。
不但管理单位或部门比较重视，作为现代化企业更应该为此努力！
关键字:
楼宇自控系统,生活给水,楼宇自动化,恒压供水,可编程序控制器
楼宇自动化恒压供水控制系统
一、恒压供水系统概述
变频恒压供水设备是一套智能调节水泵水流量的自动给水系统，可实现无级调速，根据用水负荷的不同，来改变电动机的转速，能把设计上的富余和用量上的峰谷差异全部不剩的节约下来，可以取代阀门、挡板，不仅可以满足生产过程的需要，改进技术条件，改善技术性能，提高产品质量和工作效率，减少或去掉机械变速装置，明显地节约能源，该系统能够完全取代传统的水塔、高位水箱，节省占地面积，节省原材料，减少系统投资；不仅降低了建筑成本，且消除了水质的二次污染，便于实施技术改造和扩建的一种提高供水品质的理想产品。
1.1恒压供水的控制目的
对供水系统的控制归根结底是为了满足用户对流量的需求。
所以，流量是供水系统的基本控制对象。
而流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。
考虑到在动态情况下管道中水压的大小（用压力p表示）与供水能力（用流量Qg表示）和用水需求（用水量Qu表示）之间的平衡有关。
当供水能力Qg大于用水需求Qu，则压力上升（p↑）；
当供水能力Qg小于用水需求Qu，则压力上升（p↓）；
当供水能力Qg等于用水需求Qu，则压力不变为P（p为常数）；
可见供水能力与用水之间的矛盾具体反映在流体压力的变化上。
因此，压力就成为流量大小的参变量。
就是说保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡，恰到好处的满足了用户所需要的用水流量，这就是恒压供水所需要达到的目的。
1.2系统介绍
1.2.1恒压供水控制系统的实现
采用变频器与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入变频器运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。
即将压力控制点测的压力信号（4－20ｍＡ）直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。
供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度，水泵流量总和应大于实际最大供水量。
1.2.2变频节能理论
交流电机变频调速原理：
交流电机转速特性：
n=60f（1-s）/p，其中n为电机转速，f为交流电频率，s为转差率，p为极对数。
电机选定之后s、p则为定值，电机转速n和交流电频率f成正比，使用变频器来改变交流电频率，即可实现对电机变频无级调速。
在各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等中。
流量与转速成正比：
Ｑ∝Ｎ
转矩与转速的平方成正比：
Ｔ∝Ｎ２
功率与转速的三次方成正比：
Ｐ∝Ｎ３
而且变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，由此可知在使用变频调速技术供水时，系统中流量变化与功率的关系：
Ｐ变＝Ｎ３Ｐ额＝Ｑ３Ｐ额采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：
Ｐ阀＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ额其中，Ｐ为功率Ｎ为转速Ｑ为流量
例如设定当前流量为水泵额定流量的６０％，则采用变频调速时Ｐ变＝Ｑ３Ｐ额＝０.２１６Ｐ额，而采用阀门控制时Ｐ阀＝（０.４+０.６Ｑ）Ｐ额＝０.７６Ｐ额，节电＝（Ｐ阀-Ｐ变）／Ｐ阀*１００％＝７１.６％。
流量%
100
90
80
70
60
50
节电率%
0
22.5
41.8
61.5
71.6
82.1
由此可见从理论计算结果可以看到节能效果非常显著，而且在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。
而且新型的小区变频恒压供水系统能自动地控制一至多台主泵和一台休眠泵的运行。
在管网用水量减少到单台主泵流量的约1/6-1/8时，系统自动停止主泵，启动小功率的休眠泵工作，保证系统小流量供水，解决小流量甚至零流量供水时大量电能的浪费问题，从运行控制上进一步节能。
二、楼宇自动化恒压供水控制系统方案
2.1恒压供水系统的基本构成
恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。
配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。
而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。
而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。
在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。
另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。
如图1-1为恒压供水泵的水的构成。
。
图1—1变频调速恒压供水系统结构图
1—水源2—阀门3—水泵4—单向阀5—控制箱6—控制器（PLC）
7—变频器8—压力传感器9—水位传感器9—电磁流量计11—用户
其中，与虚线关联的部分为变频调速控制系统，如图2-2所示。
图中，水泵电机是输出环节，转速由变频器控制，实现变流量恒压控制。
压力传感器检测管网出水压力，并将其转变为变频器可接受的模拟量信号。
变频器接受反馈信号后，根据给定信号和反馈信号的比值，进行PID调节来控制自身的输出频率，从而对水泵进行速度控制。
控制系统的工作原理：
变频调速恒压供水控制最终是通过调节水泵转速来实现的，水泵是供水的执行单元。
通过调速能实现水压恒定是由水泵特性决定的。
压力变送器
图中在管道中装压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。
当用水量大时，水压降低;用水量小时，水压升高。
水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给变频器，压力变送器输出信号是随着压力而变的电压或电流信号。
当距离较远时，应取电流信号以消除因线路压降而引起的误差。
通常取4～20mA，以利于区别零信号（信号系统工作正常，信号值为零）和无信号（信号系统因断路或未工作而没有信号）。
压力变送器一般选取在离出水口较远的地方，否则容易引起系统振荡。
远传压力表
远传压力表的基本结构是在压力表的指针轴上附加了一个能够带动电位器滑动触点的装置。
因此，从电路器件的角度看，实际上是一个电阻值随压力而变的电位器。
使用时可将远传压力表与变频器直接连接。
图1中P为远传压力表。
电机功率较大时，系统可为每台电机配备电机保护器，在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，变频器通过控制基板自动将原工作在变频状态下泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。
若两台泵运转仍不能满足水压要求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。
当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。
当上述两个信号仍存在时，PLC再停掉一台工频运行的电机，直到最后一台泵用主频器恒压供水。
2.2控制分析
1）水泵出口压力恒定控制，它适用于管网系统阻力损失占总扬程比例较小的情况。
2）管网末端压力恒定控制，适用于小区管网线路长，流量变化产生的阻力损失占总扬程比例较大时，以管网末端不利点，所需压力进行恒压控制，达到最节能的要求。
控制方式的选择，要结合供水规模，供水对象，设备费用，长期运转费及我国现有电器产品性能等进行综合考虑比较后确定。
水泵出口恒压控制，由于电控系统比较简单，便于查出故障和维护，故在我国建筑小区供水系统采用广泛。
水泵转速变化幅度一般调在（80%~100%）n，n为水泵每分钟转数，单位r/min，因为这个范围内机组和电控设备的总效率比较高。
3）当启信号输入时变频器启动第一台泵当该泵达到最高频率时，变频器将该泵切换到工频运行，变频器启动下一台泵变频运行，相反当泵停止条件成立时，先停止最先启动的泵。
2.3控制系统保证
工频/变频控制方式的转换操作
为保证系统的可靠性，必须提供工频/变频两种操作方式，以减少因变频器故障或设备检修维护等原因而造成无法供水的现象，要求控制系统必须设立手动工频操作方式，一般采用转换开关或组合开关作为选择操作设备。
◆自动运行
即每一台泵具有变频自动恒压控制功能，当用水量不够时，可自动投入另外一台或几台工频泵运行。
◆手动
当压力传感器故障或变频器故障时，为确保用水，每台泵可分别以手动工频方式运行。
将转换开关打到“工频”档位，操作人员可以根据需要自己决定起动或停止任意一台泵的运行。
由于在该操作方式下，PID、变频器等均不参加控制，因此，从技术角度上来说，该方式无法保障出水管网压力值的恒定，所以必须有人监守。
该方式主要供设备故障检修时使用。
2.4系统功能
1）PID的调节功能
由压力传感器反馈的水压信号（4-20MA或-5V）直接送入变频器，设定给定压力值，PID参数值，并通过计算比较以切换泵的操作完成系统控制，系统参数在实际运行中调整，使系统控制响应趋于完整。
2）“休眠”功能
系统运行时经常会遇到用户用水量较小或不用水（如夜晚）情况，为了节能，该系统专用设置了可以使水泵暂停工作的“休眠”功能，当变频器频率输出低于其下限时，变频器停止工作，2＃、3＃泵不工作，水泵停止（处于休眠状态）。
当水压继续升高时将停止1泵，当水压下降到一定值时将先启动变频器运转2＃泵或3＃泵，当频率到达一定值后将启动1＃泵调节2＃或3＃泵的转速。
“休眠值”变频器输出的下限频率参数设置。
“休眠确认时间”用参数设置，当变频器的输出频率低于休眠值的时间如小于休眠时间td时，即td＜tn时变频器继续工作，当td＞tn时变频器将进入休眠状态。
“唤醒值”由供水压力下限启动，当供水压力低于下限值时由变频器向PLC发出唤醒指令。
经测试“休眠值”为10HZ。
“休眠确认时间”td:
20s
“唤醒值”70%
3）通讯功能
该系统具有计算机的通讯功能，PLC变频器均提供有RS232或485接口，PLC可选用三菱的FX0n，计算机可以与一套或多套系统进行通讯.利用计算机同时可以监测：
电流、电压、频率、转速、压力等也可以控制变频器的各类参数。
2.5其他
此外在抽水泵房设置连续液位显示，并将信号传与PLC，防止泵缺水烧坏电机，设定的取水位置，确保水的质量。
过载、欠压、过压、过流、相序不平衡、缺相、电机空转等情况下为确保电机的良好使用条件，达到延长电机的使用寿命的目的。
系统配备水位显示仪表，可进行高低位报警，同时通过PLC可确保取水在合理水位的水质监控，同时也保护电机制正常运转工况。
系统配备ABB电磁流量计，既能显示一段时间的累积流量，又能显示瞬时流量，可进行出水量的统计和每台泵的出水流量监控。
2.6工作过程
以三台水泵的恒压供水系统为例，系统在自动运行方式下，变频器控制可编程控制器软启动1#泵，此时1#泵进入变频运行状态，其转速逐渐升高，当供水量Q<1/3Qmax时（Qmax为三台水泵全部工频运行时的最大流量），可编程控制器CPU根据根据供水量的变化自动调节1#泵的运行转速，以保证所需的供水压力。
当用水量Q在1/3Qmax三、变频调速恒压供水系统设计标准
设备选择原则
在恒压供水设计时应先选择水泵和电动机，选择的依据是供水规模（供水流量）。
而供水规模和住宅类型以及用户数有关。
选择依据原则使用表格示例如下：
住宅类型
给水卫生器具
用水标准/（m3/人日）
小时变化系数
1
仅有给水龙头
0.04～0.08
2.5～2.0
2
有给水卫生器具，但无淋浴设备
0.085～0.13
2.5～2.0
3
有给水卫生器具，并有淋浴设备
0.13～0.19
2.5～1.8
4
有给水卫生器具，并有淋浴设备和集中热水供应
0.17～0.25
2.0～1.6
表1.不同住宅类型用水标准
户数
用水标准/（m3/人日）
0.10
0.15
0.20
0.25
20
1.80
2.60
3.50
4.40
30
2.60
3.90
5.30
6.60
40
3.50
5.30
7.00
8.80
55
4.80
7.20
9.60
12.00
75
6.60
9.80
13.10
16.40
100
8.80
13.10
17.50
21.90
150
13.10
19.70
26.30
32.80
200
17.60
26.30
35.00
43.80
250
21.90
32.80
43.80
54.70
350
26.30
39.40
52.50
65.60
400
35.00
52.50
70.00
87.50
450
39.40
59.00
78.70
98.40
500
43.80
65.60
87.50
109.40
600
52.50
78.80
105.00
131.30
700
61.30
91.90
122.50
153.10
800
70.00
105.00
140.00
175.00
1000
87.50
131.30
175.00
218.80
表2.供水规模换算表
用水量/（m/h）
扬程/m
水泵型号
电动机功率/kW
配用变频器/kW
12XN
24
50DL12-12x2
3
3.7
30
40DL12-12x2
2.2
2.2
36
50DL12-12x2
3
3
45
40DL12-12x2
3
3
60
40DL12-12x2
4
4
24XN
40
50DL12-12x2
5.5
5.5
60
50DL12-12x2
7.5
7.5
80
50DL12-12x2
11
11
100
50DL12-12x2
11
11
32XN
30
65DL12-12x2
5.5
5.5
45
65DL12-12x2
7.5
7.5
60
65DL12-12x2
11
11
75
65DL12-12x2
15
15
90
65DL12-12x2
15
15
105
65DL12-12x2
18.5
18.5
36XN
40
65DL12-12x2
7.5
7.5
60
65DL12-12x2
11
11
80
65DL12-12x2
15
15
100
65DL12-12x2
18.5
18.5
120
65DL12-12x2
22
22
50XN
40
80DL12-12x2
11
11
60
80DL12-12x2
15
15
80
80DL12-12x2
18.5
18.5
100
80DL12-12x2
22
22
120
80DL12-12x2
30
30
100XN
40
100DL2
18.5
18.5
60
100DL3
30
30
80
100DL4
37
37
100
100DL5
45
45
120
100DL6
55
55
表三.水泵、电动机和变频器选型表
设定供水压力经验数据：
平房供水压力p=0.12Pa；楼房供水压力p=（0.08+0.04x楼层数）MPa
系统设计还应遵循以下原则：
1）蓄水池容量应大于每小时最大供水量
2）水泵扬程应大于供水高度
3）水泵流量总和应大于实际最大供水量
四、设计实例
一居民小区4幢7层楼，居住224户，住宅类型为3型，保证日夜供水。
要求：
系统采用变频恒压供水方案；
变频器及水泵选择；
控制电路设计；
安装调试说明。
三恳变频器在一控三恒压供水方式中的应用
摘要:
使用三垦系列变频器控制一台变量泵两台工频泵实现恒压供水控制。
两台工频泵的运行/停止由变频器输出端子实现控制。
关键词：
变量泵工频泵无扰动切换循环运行。
4.1:
控制对象:
三台45KW清水泵电机。
4.2:
设备选用:
1）根据表1确定用水量标准为0.19m3/人日。
2）根据表2确定没小时最大用水量为43.8m3/h。
3）根据7层楼高度可确定设置供水压力值为0.36MPa。
4）根据表3确定水泵型号为50LG24-20x2共3台，水泵自带电动机功率为5.5KW
4.2.1PLC的设计选用
当输入信号电路采用继电器等感性负载时，继电器开闭产生的浪涌电流带来的噪音有可能引起变频器的误动作，因此该系统采用的是三菱可编程序控制器FX0n系列，I/O点数为40点，FX0n系列PLC是一种卡片大小的PLC，适合在小型环境中进行控制。
它具有卓越的性能、串行通讯功能以及紧凑的尺寸，这使得它们能用在以前常规PLC无法安装的地方。
三菱PLC编程采用FXGPWIN软件,提供三种编程语言，分别为梯形图、指令表、SFC状态流程图，提供完整的编程环境，PLC程序上载,可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的相互转换。
为了提高整个系统的性价比，系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由变频器来控制。
其硬件配置如下
型号
I/0点数
基本指令执行时间
功能指令
模拟模块量
通信
FX0N
24～128
1.6～3.6μs
55
有
较强
FX0n系列扩展模块
型号
总I/O数目
输入
输出
数目
电压
类型
数目
类型
FX0n-40ET
40
24
24V直流
漏型
16
继电器
4.2.2变频器硬件设计
变频器选用三垦SAMCO-vm05系列变频器。
通过变频器面板设定一个给定频率作为压力给定值（14端），压力传感器反馈来的压力信号（4～20mA）接至变频器端子的IRF端，作为压力反馈，变频器根据压力给定和实测压力，调节输出频率，改变水泵转速。
SWS控制基板，该信号进PLC，作为工频切换的控制信息，由PLC控制水泵的工频或变频运行。
变频控制系统主回路如图二所示。
变频器有2个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的启动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。
4.3控制原理:
变频器控制1#变量泵与管道压力变送器构成闭环控制系统，当变频器运行到全速而反馈压力仍达不到设定值时，变频器首先降速到频率设定值，同时内部1#继电器动作触发2#泵软启动器开始运行工频泵，投入2#工频泵运行。
这时变频提速，寻找恒压点完成第一级无扰动切换。
又当变频器运行到全速时反馈压力仍达不到设定值时，先降速后内部2#继电器动作触发3#软启动投入3#工频泵。
当变频器运行到低速而监测达到压力设定时，在切除工频泵之前，变频首先提速后，再将先投入的工频泵切除。
工频泵的投切分级循环方式可定义。
1）、手动工频控制方式
当转换开关打到手动位置时，此时为工频运行，按下启动按钮1SB（绿），接触器KM1闭合，水泵电机将工频运行，工频运行信号灯HL0将亮，按下停止按钮4SB（红），水泵电机将停止运行。
该控制方式一般用于当变频器出现问题时使用。
2）、自动变频控制方式
当转换开关打到自动位置时，此时将投入自动变频控制方式，变频器根据远传压力表的反馈信号，自动调节输出频率，从而改变水泵的转速，达到
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