小区恒压供水系统.docx
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小区恒压供水系统
摘要
本设计对环保、节能、自动补压型给水设备作了介绍。
从节能科技的实践出发，阐述了变频调速技术在高楼给水设备中的应用。
以PLC电路控制方式，介绍了智能水压控制系统的工作原理及PLC控制系统。
在分析水压控制的工作流程的基础上，给出了PLC控制系统的硬件和软件设计。
智能水压控制系统的基本控制策略是：
采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制,完成供水压力的恒定控制，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。
关键词:
PLC可编程序控制器、压力传感器、变频器PID、PLC控制、恒压供水。
目录
摘要a
绪论1
1供水方案论证2
1.1供水系统方案确定2
1.2变频供水系统构成确定2
1.3恒压供水系统的原理3
1.4变频恒压供水系统分析4
1.5变频恒压供水系统的优点4
1.6变频调速恒压供水设备的主要应用场合5
2设备选定7
2.1用水量计算及水泵的选型7
2.2可编程控制器的选取9
2.3PLC安装位置确定11
3程序设计机参数设定11
3.1程序设计方法选取11
3.2顺序功能图设计11
3.3PLCI/O分配表12
3.4程序设计13
3.5MicroMaster440变频器参数设置18
4总结20
5致谢21
6参考文献22
绪论
长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。
传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水池等设施来实现，由于小区高楼用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀的开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。
随着变压器调速技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高,于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对我们给供水设计带来了新的挑战。
变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统,。
变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、传感器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。
恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。
该技术已在供水行业普及。
我的设计采用一台变频器和PLC来控制四台水泵实现恒压供水的稳定。
当前住宅建筑的小区规划趋向于更具人性化的多层次住宅组合，不再仅仅追求立面和平面的美观和合理，而是追求空间上布局的流畅和设计中贯彻以人为本的理念，特别是在市场经济的浪潮中，力求土地使用效率的最大化。
变频调速技术在给水泵站上应用，成功地解决了能耗和污染的两大难题。
.
1供水方案论证
1.1供水系统方案确定
长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。
在小区供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计，然后泵组根据流量变化情况来选配，并确定水泵的运行方式。
由于小区用水有着季节和时段的明显变化，日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，而且存在着水池“二次污染”的问题。
随着人们对供水质量和饮用水水质要求的不断提高，变频恒压供水方式应运而生，它不仅很好地解决了老式屋顶水箱供水方式带来的水质二次污染问题，而且解决了水泵的运行方式调整加上出口阀开度调节供水的水量水压，大量能量因消耗在出口阀而浪费，并对水泵也起到了很好的保护作用和有效地节约了电能的消耗。
根据负载变化自动调节水泵转速或增加/减少投入运行的台数，从而避免了电机起动过程中对电网和机械设备造成的冲击以及人工操作的繁杂性。
变频恒压供水系统如今正被广泛地应用到城市自来水管网系统、住宅小区生活消防水系统、楼宇中央空调冷却循环水系统、工业设备冲洗系统等众多领域。
目前，国内外的供水广泛采用微机控制与变频调速技术，直接取代水塔、高位水箱，为小区住宅、高层建筑加压供水提供了新的途径，将现代科技引入供水领域。
经综合分析，为了解决大量能量因消耗在出口阀而浪费，和水池“二次污染”等问题，本设计采用变频恒压供水系统。
1.2变频供水系统构成确定
根据反馈原理：
要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。
我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。
在变频供水系统中，当用水量大时，为保持水压仍恒定，采用三台水泵供水；当用水量较小时，采用西方的在变频供水系统中加入气压罐，它能利用气压罐蓄水
功能维持低需求量时的续流供水，能达到大功率水泵和变频器休息。
组成小区变频恒压供水系统由PLC、变频器、气压罐、离心泵、压力变送器等组成（如图1）。
工作流程是利用设置在管网上的压力传感器将管网系统内因用水量的变化引起的水压变化，及时将信号（4-20mA或0-10V）反馈PLC调节器，PID调节器对比设定控制压力进行运算后给出相应的变频指令，改变水泵的运行或转速，使得管网的水压与控制压力一致。
图1-1系统组成图
1.3恒压供水系统的原理
图1-1中变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化。
压力传感器的任务是检测管网水压，压力设定单元为系统提供满足用户需要的水压期望值。
采用一台内变频器与PLC来控制水泵实现恒压供水的稳定。
压力传感器将主水管网的压力变为4-20mA的电信号，经模拟量输入模块输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟输出模块至变频器，调节水泵电机的供电电压和频率。
水泵采用并联运行方式，水压大于设定值时通过闭合交流接触器停止一台水泵；水压小于设定值时，通过断开交流接触器启动一台水泵。
1.4变频恒压供水系统分析
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时有发生。
而用水和供水之间的不平衡集中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。
保持供水压力的恒定，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。
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，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。
又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。
所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。
1.5变频恒压供水系统的优点
相对与传统的加压供水方式，变频恒压供水系统的优点突出的体现在以下几个方面：
1.高效节能
变频恒压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在15-40%。
从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。
2.恒压供水
变频恒压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。
3.安全卫生
系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、露天水
池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。
4.自动运行、管理简便
新型的小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。
5.延长设备寿命、保护电网稳定
使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。
变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流冲击，消除了水泵的水锤效应。
6.占地少、投资回收期短
新型的小区变频恒压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。
另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频恒压供水系统的投资回收期短，一般约2年。
1.6变频调速恒压供水设备的主要应用场合
1.高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。
2.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。
3.中央空调系统。
4.自来水厂增压系统。
5.农田灌溉，污水处理，人造喷泉。
6.各种流体恒压控制系统。
图（6）系统原理图
当用水量较小时，Q0.7得电闭合，小功率水泵M4运行，Q0.0得电，阀门打开，利用气压罐供水；
当用水量增大到气压罐不能保证管网的压力稳定时，Q0.0和Q0.7断电PLC自动将其停止，同时Q0.1得电闭合，启动变频器，Q0.2得电闭合，把大功率水泵M1投入到变频运行；
若还不能保证管网的压力稳定时，Q0.3得电闭合，Q0.2断电断开，把原来变频状态下的水泵M1投入到工频，同时Q0.4得电闭合将下一台水泵M2变频运行，以保证管网的供水量稳定。
两台水泵还不能满足管网的压力稳定，Q0.6得电闭合，备用泵M3投入变频工作，同时Q0.3、Q0.5得电闭合，M1、M2工频运行。
当水量减小时，变频器的频率下限信号和管网的压力上限信号时，停止现在的变频泵，同时将上一台变为变频运行。
若上述两个信号仍然存在时，PLC再重复以
上工作
当到达变频器的频率下限信号和管网上限信号时，停止正在运行的变频器和大功率水泵，把小功率的水泵M4投入运行，利用气压罐供水，以节约用电和休息变频器。
2设备选定
2.1用水量计算及水泵的选型
1.用水量计算
设计流量的大小直接关系到水泵的选型、管网的口径及给水的安全保证性。
目前，一般住宅小区的设计流量主要包括以：
居民生活用水、公共建筑用水、消防用水、绿化用水、浇洒道路用水、未预见水量及管网漏失水量。
其中，公共建筑用水、消防用水、绿化用水、浇洒道路用水量为8（m3/h），未预见水量及管网漏失水量为2（m3/h）。
小区居民生活用水,以小区600户居民，按每户3人计算，则总用水人数1800，按照城市住宅标准规定“住宅每人最高日生活用水定额不应小于230L”，可取300L/（人·d）。
又根据《建筑给水排水设计规范》（GBJ15-88）第1.6.1中的方法，有以下的公式：
Qh=KhQd/T
式中Qh-最大小时生活用水量（m3/h）；
Qd-最高日用水量（m3/d）；
T-每日（或最大班）使用时间（h/d）；
Kh-小时变化系数，可取2。
则：
Qh=KhQd/T=KhmQd/100T=2*1800*300/（1000*24）=45（m3/h）
最后总用水量为：
45+8+2=55（m3/h）
2.水泵选取
考虑节约电能方面和系统运行，选取3台流量为18（m3/h）的水泵，总流量为64（m3/h），多余的流量可满足其他未预见流量。
此外还有有台小流量水泵用于气压罐供水。
经过调查有以下三种水泵
表
（1）
品牌
型号
流量
适用范围
吸入口径
排出口径
价格
FUKSI
PM16A
10（m3/h）
清水
25（mm）
25（mm）
1980
表
（2）
产品别名
型号
流量
适用范围
吸入口径
排出口径
价格
耐酸污水泵
100WGF
25-1.8（m3/h）
输送含有酸性
150（mm）
100（mm）
6950
表（3）
品牌
型号
流量
适用范围
吸入口径
排出口径
价格
山楠牌
50LG18-20
（LG-B）
18（m3/h）
高楼给水
50（mm）
60（mm）
1800
表（4）水泵型号表
（1）中的水泵吸入口径、排出口径流量太小，不能达到供水系统的要求；表
（2）中适用于输送含有酸性价格也太贵，用在供水中太浪费，造成成本增加；表（3）中的水泵各个型号都能够满足系统需求，而且是专用于供水的水泵。
它的具体型号如表（4）。
个数
型号
级数
流量
扬程
（m）
效率
（%）
功率
（kw）
转速
（r/min）
价格（元/台）
（m3/h）
（L/S）
3
50LG18-20*5
（LG-B）
5
18
5
100
69
11
2950
1800
1
50LG18-20*3
（LG-B）
3
18
5
60
69
5.5
2950
1500
2.2可编程控制器的选取
可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。
它采用可编程程序的储存器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。
并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各类型的机械或生产过程。
可编程控制器及其设备，都应易于使工业控制系统形成统一整体，易于扩充其功能的原则设计。
目前有西门子、三菱、欧姆龙、实施奈德等系列的PLC，由于我学的是以西门子编程为主的教材，所以我比较会使用是西门子的编程软件进行编程，所以选用西门子。
本设计选取西门子的S7-200PLC，它可提供4个不同的基本型号的8种CPU。
1.CPU单元选择：
CPU221具有6个输入点和4个输出点，CPU222具有8个输入点和6个输出点，CPU224具有14个输入点和10个输出点，CPU224XP具有14个输入点和10个输出点，CPU226具有24个输入点和16个输出点。
集成的24V负载电源：
可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU221，222具有180mA输出，CPU224，CPU224XP，CPU226分别输出280，400mA。
可用作负载电源。
在本系统中有2个输入点和8个输出点，所以选择CPU224最好，其输出为280mA。
2.I/O选择：
由于本系统中水压的输入是模拟量，所以选择模拟量输入输出模块。
3.编程器选择：
选取STEP7-Micro/WIN32V3.1编程软件，通过CP5611卡对PLC编程。
综上所述，本系统选择品牌为SIEMENS/西门子、型号S7-200、模拟量输入输出的PLC，总价格为3312元。
本设计中选取主要硬件和预计金额如表（7）
表（7）硬件选型总表
名称
型号
数量
单价
PLC
S7-200
1台
3312（元/台）
变频器
MicroMaster440
1台
3668（元/台）
压力变送器
WP系列
1个
620（元/个）
水泵
50LG18-20*5
3台
1800（元/台）
50LG18-20*3
1台
1500（元/台）
气压罐
HS
1个
1300（元/个）
止回阀
H42Y
4个
300（元/个）
水管
外径130mm壁厚5mm
200
68（元/m）
截止阀
J61W-800
1
120（元/个）
总价
18580元
2.3PLC安装位置确定
PLC具有编程方法简单易学；功能强，性能价格比高；配套齐全，功能完善，适用性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造；维修工作量小，维修方便；体积小，能耗底的特点。
PLC是一种用于工业生产自动化控制的设备，一般不需要采取什么措施，就可以直接在工业环境中使用。
然而，尽管有如上所述的可靠性较高，抗干扰能力较强，但当生产环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或安装使用不当，就可能造成程序错误或运算错误，从而产生误输入并引起误输出，这将会造成设备的失控和误动作，从而不能保证PLC的正常运行，要求设计、安装和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。
PLC应安装在：
1.温度PLC要求环境温度在0~55oC，安装时不能放在发热量大的元件下面，四周通风散热的空间应足够大。
2.湿度为了保证PLC的绝缘性能，空气的相对湿度应小于85%（无凝露）。
3.震动应使PLC远离强烈的震动源，防止振动频率为10~55Hz的频繁或连续振动。
当使用环境不可避免震动时，必须采取减震措施，如采用减震胶等。
4.空气避免有腐蚀和易燃的气体，例如氯化氢、硫化氢等。
对于空气中有较多粉尘或腐蚀性气体的环境，可将PLC安装在封闭性较好的控制室或控制柜中。
3程序设计机参数设定
3.1程序设计方法选取
采用顺序功能图的方法
3.2顺序功能图设计
顺序功能图编写程序的重要的工具，也是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形。
它由步、有向连线、转换条件和动作组成。
根据生产工艺预定先规定的顺序，可画出顺序功能图（如图（7））
3.3PLCI/O分配表
为了编写和理解程序的方便，写出I/O分配表，如表（8）
表（8）I/O分配表
I0.0
启动气压罐供水
I0.2
手动控制水泵M1变频工作
I0.3
手动控制水泵M1工频工作
I0.4
手动控制水泵M2变频工作
I0.5
手动控制水泵M2工频工作
I0.6
手动控制水泵M3变频工作
Q0.0
打开阀门利用气压罐供水
Q0.1
启动变频器
Q0.2
水泵M1变频工作
Q0.3
水泵M1工频工作
Q0.4
水泵M2变频工作
Q0.5
水泵M2工频工作
Q0.6
水泵M3变频工作
Q0.7
启动小水泵M4，利用气压罐供水
MD10
管网压力
MD14
变频器输出频率
3.4程序设计
根据顺序功能图和I/O分配表，可轻松编写本系统的程序，程序如下。
1.主程序编写
3.5MicroMaster440变频器参数设置
1.复位为出厂缺省设置值
P0010=30P0970=1过程约3分钟
2.设置电机参数
P0003=3 用户访问级=3（专家级）
P0010=1 调试参数过滤器=1（快速调试）
P0304=380V电机额定电压（以电机铭牌为准）
P0305=3A电机额定电流（以电机铭牌为准）
P0307=11KW电机额定功率（以电机铭牌为准）
P0308=0.74电机额定功率因数（以电机铭牌为准）
P0310=50HZ电机额定频率（以电机铭牌为准）
P0311=2950电机额定速度（以电机铭牌为准）
3.设置其他参数
P0010=0调试参数过滤器=0准备
P0700=5选择数字命令信号源=5
P0705=99数字输入5的功能=99
P0849=722.4第二个OFF3停车命令=722.4
P1000=5频率设定值的选择=5
P1120=2S斜坡上升时间2S
P1121=1S斜坡下降时间1S
P1135=0.68—0.58SOFF3的斜坡下降时间0.68—0.58S（根据停车效果调整）
P2010=7USS波特率=7（115200波特）
P2011=0or1USS地址，两台变频器分别设为0和1
4总结
首先小区供水这个课题与我的专业相关，里面的知识几乎涵盖了我们所学的所有知识
在做供水的时候务必是恒压供水，这以点要通过水压信号反馈给PLC，这一点以闭环系统
PID来实现。
以保证居民用水，用水多的时候保证水压，如消防用水，另外水泵的选取和变频器的选取实现最优化，编程的时候选取的时候也是我最熟悉的也是才学的PLC课程，有些转移指令也是现学现卖。
通过一次的投入达到长时间的收益。
这才是使用变频器和PLC的目的。
完全是将所学的课程进行以们综合处理。
5致谢
首先感谢我敬爱的老师们，带我的老师彭老师，在他们的帮助下能顺利完成结业考试，回顾着次毕业设计，其中所用的知识离不开我们所学的课程，如PLC编程，单片机应用啊，还有交流调速系统所学的变频器等内容，还有一些电工基础，也不是很容易做。
没有这些老师我是做不出来的，因为我所学的知识全部是来自他们啊。
也希望老师在看了我的设计之后也能对我的毕业设计提出宝贵的意见。
我将不胜感激。
6参考文献
[1]宋书中.《交流调速系统》.机械工业出版社.2009.1[2]王燕.《过程检测与仪表控制》.清华大学出版社.2006.7
[3]黄坚《自动控制原理》.高等教育出版社.2001.7
[4]陈伯时.《电力拖动自动控制系统》.机械工业出版社.1992.5
[5]宋伯生.《PLC编程实用指南》.机械工业出版社.1996
[6]中华人民共和国建设部.《建筑给水排水设计规范》.2003
[7]廖常初.《PLC编程及应用》.机械工业出版社.2005.5
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