《樓宇自動(dòng)化技術(shù)實(shí)訓(xùn)》結(jié)業(yè)論文-智能建筑給排水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、樓宇自動(dòng)化技術(shù)實(shí)訓(xùn)樓宇自動(dòng)化技術(shù)實(shí)訓(xùn) 結(jié)業(yè)論文結(jié)業(yè)論文 專(zhuān)專(zhuān) 業(yè)：業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化電氣工程及其自動(dòng)化 班班 級(jí)：級(jí)： 電氣電氣 08-4 姓姓 名：名： 學(xué)學(xué) 號(hào)：號(hào)： 信息技術(shù)學(xué)院電氣工程系信息技術(shù)學(xué)院電氣工程系 2011 年年 11 月月 12 日日 智能建筑給排水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息通信技術(shù)等電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展、進(jìn)步， 建筑物中設(shè)備的自動(dòng)化程度越來(lái)越高。同時(shí)，隨著城市建設(shè)步伐的加快越來(lái) 越多的高層建筑為城市增添了現(xiàn)代化氣息。智能建筑技術(shù)正是在這樣的背景下 得到蓬勃發(fā)展的，本文在討論智能建筑的基礎(chǔ)上，對(duì)一幢二十六層綜合樓，樓 高 81m 的建筑的給排水

2、控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。針對(duì)該高層商住樓用水，結(jié)合智 能建筑的特點(diǎn)，對(duì)該建筑的給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)，進(jìn)行了初步探討。給排水系 統(tǒng)主要由水泵、水池、電機(jī)及閥門(mén)等組成。采用變頻器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，采用可 編程邏輯控制器進(jìn)行邏輯控制。變頻器、可編程邏輯控制器作為系統(tǒng)控制的核 心部件，時(shí)刻跟隨管網(wǎng)壓力與給定壓力的偏差變化，經(jīng)變頻器內(nèi)部 PID 運(yùn)算， 通過(guò)可編程控制器控制，變頻和工頻，自動(dòng)控制水泵投入的臺(tái)數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速， 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)恒壓變量供水，在保持恒壓下達(dá)到控制流量的目的。給排水 系統(tǒng)的監(jiān)控是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)中的各種水位、水泵工作狀態(tài)和管網(wǎng)壓力進(jìn)行 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，按照一定要求控制水泵的運(yùn)行方式、臺(tái)數(shù)和相應(yīng)閥

3、門(mén)的動(dòng)作，以達(dá) 到需水量和供水量之間的平衡、污水的及時(shí)排放，實(shí)現(xiàn)水泵高效、低耗的最優(yōu) 化控制，達(dá)到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的； 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：智能建筑；給水系統(tǒng)；排水系統(tǒng)；變頻調(diào)器；PLC。 目錄目錄 1 緒論.- 1 - 1.1 智能建筑.- 1 - 1.1.1 智能建筑的概念及特點(diǎn).- 1 - 1.2 變頻器.- 2 - 1.2.1 變頻器的原理.- 2 - 1.2.2 變頻器的應(yīng)用.- 2 - 1.3 PLC.- 3 - 1.3.1 PLC 的產(chǎn)生與發(fā)展.- 3 - 1.3.2 PLC 的特點(diǎn).- 3 - 2 給水系統(tǒng).- 4 - 2.1 組成.- 4 - 2.1.1 給水系統(tǒng)的組成.- 4 - 2

4、.1.2 控制系統(tǒng)的組成.- 5 - 2.1.3 水泵的選用.- 6 - 2.2 給水系統(tǒng)監(jiān)控原理.- 9 - 2.2.1 給水系統(tǒng)中監(jiān)控的物理量.- 9 - 2.2.2 恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能.- 9 - 2.2.3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)及報(bào)警.- 12 - 3 排水系統(tǒng).- 13 - 3.1 組成.- 13 - 3.2 排水系統(tǒng)的控制.- 13 - 4 硬件與軟件.- 14 - 4.1 硬件.- 14 - 4.1.1 P LC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).- 14 - 4.1.2 可編程控制器選擇.- 15 - 4.1.3 變頻器選擇.- 16 - 4.1.4 控制電路設(shè)計(jì).- 16 - 4.1.5 系統(tǒng)流程

5、.- 16 - 4.1.6 系統(tǒng)操作.- 17 - 4.2 軟件.- 18 - 4.2.1 軟件配置.- 18 - 4.2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).- 20 - 5 結(jié)束語(yǔ).- 23 - 參考文獻(xiàn).- 24 - 1 緒論緒論 1.1 智能建筑智能建筑 1.1.1 智能建筑的概念及特點(diǎn)智能建筑的概念及特點(diǎn) 1、智能建筑的概念 “智能建筑”一詞，誕生于 20 世紀(jì) 80 年代初，它是信息時(shí)代 的必然產(chǎn)物。美國(guó)智能建筑學(xué)會(huì)定義“智能建筑”是將結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、 服務(wù)及運(yùn)營(yíng)相互聯(lián)系全面綜合，并達(dá)到最佳組合，所獲得的高效率、 高功能與高舒適性的大樓。從發(fā)展的角度來(lái)看，應(yīng)強(qiáng)調(diào)智能大廈是 多學(xué)科、多技術(shù)系統(tǒng)集成的特

6、點(diǎn)，即智能建筑是指利用系統(tǒng)集成的 方法，將智能計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)與建筑藝術(shù)有機(jī)結(jié) 合，通過(guò)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控，對(duì)信息資源的管理和對(duì)使用者的信息 服務(wù)及其與建筑物的優(yōu)化組合，獲得投資合理、適合信息社會(huì)需要 并且具有安全、高效、舒適、便利和靈活特點(diǎn)的建筑物。 2、智能建筑的特點(diǎn) (1)智能建筑創(chuàng)造了安全、健康、舒適宜人和能提高工作效率的 辦公和居住環(huán)境； (2)節(jié)能：利用最新技術(shù)節(jié)約能源； (3)能滿(mǎn)足多種用戶(hù)對(duì)不同環(huán)境功能的要求； (4)現(xiàn)代技術(shù)化的通信手段與辦公條件。 1.2 變頻器變頻器 1.2.1 變頻器的原理變頻器的原理 變頻調(diào)速的基本原理 異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)

7、速為： n0=60f1p 改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速， 實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行。 式中 n0同步轉(zhuǎn)速(r/min)； f1定子頻率(Hz)； p磁極對(duì)數(shù)。 而異步電動(dòng)機(jī)的軸上輸出的轉(zhuǎn)速為 n=n0(1-s)= 60f1/p(1-s) 式中 s異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，s= (n0-n)/n0 1.2.2 變頻器的應(yīng)用變頻器的應(yīng)用 這里主要介紹變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用。恒壓供水是指 不管用戶(hù)端用水量大小，總保持管網(wǎng)中水壓基本恒定，這樣既可滿(mǎn) 足用戶(hù)對(duì)水的需求，又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)而造成電能浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)上 述目標(biāo)，需要變頻器根據(jù)給定壓力信號(hào)和反饋壓力信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)水泵 轉(zhuǎn)速，從而控制管網(wǎng)中水壓恒定。

8、 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)均為閉環(huán)系統(tǒng)，用 PLC 方式控制。有的 系統(tǒng)供水管網(wǎng)比較大，所控制的水泵臺(tái)數(shù)也比較多，則可采取總線 控制方式，在系統(tǒng)內(nèi)形成局域網(wǎng)，以提高自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。 1.3 PLC 1.3.1 PLC 的產(chǎn)生與發(fā)展的產(chǎn)生與發(fā)展 1969 年美國(guó)成功研制了第一臺(tái)可編程序控制器 PDP14，20 世 紀(jì) 80 年代中期到 20 世紀(jì) 90 年代中期，超大規(guī)模集成電路使 PLC 完全計(jì)算機(jī)化。CPU 開(kāi)始采用 32 位微處理器，數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處 理能力大大提高，增加了運(yùn)算控制，PID 控制。聯(lián)網(wǎng)能力加強(qiáng) PLC 向標(biāo)準(zhǔn)化，系列化發(fā)展。20 世紀(jì) 90 年代中期至今。主要特點(diǎn)： CP

9、U 使用 16 位和 32 位微處理器，運(yùn)算速度更快，具有大批量數(shù)據(jù) 處理能力，出現(xiàn)了智能化模塊，可以對(duì)各種復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行控制。編 程語(yǔ)言除了梯形圖和語(yǔ)句表語(yǔ)言之外，還增加了高級(jí)語(yǔ)言。同計(jì)算 機(jī)的發(fā)展類(lèi)似，目前 PLC 正朝著小型、簡(jiǎn)易、價(jià)格低廉的方向發(fā)展。 1.3.2 PLC 的特點(diǎn)的特點(diǎn) 1 、可靠性高 PLC 平均無(wú)故障時(shí)間可以達(dá)到 30 萬(wàn)小時(shí)（約 34 年） ?？梢院敛?夸張地說(shuō)，到目前為止沒(méi)有任何一種工業(yè)控制設(shè)備可以達(dá)到 PLC 這 樣高的可靠性。 隨著器件水平的提高，PLC 的可靠性還在繼續(xù)提 高尤其是近來(lái)開(kāi)發(fā)出的多機(jī)冗余系統(tǒng)和表決系統(tǒng)則更進(jìn)一步增加 了 PLC 的可靠性。 2、環(huán)

10、境適應(yīng)性強(qiáng) PLC 具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，可應(yīng)用于十分惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。 電源瞬間斷電的情況下，仍可正常工作，具有很強(qiáng)的抗空間電磁干 擾的能力，可以抗峰值高達(dá) 1000V、脈寬 10 微秒的矩形波空間電磁 干擾，具有良好的抗振能力和抗沖擊能力。一般對(duì)環(huán)境溫度要求不 高，在環(huán)境溫度-2065、相對(duì)濕度為 3585情況下都可正 常工作。 3、 PLC 具有監(jiān)控功能。 利用編程器或監(jiān)視器可以對(duì) PLC 的運(yùn)行狀態(tài)、內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān) 視或修改。PLC 控制系統(tǒng)的維護(hù)非常簡(jiǎn)單。利用 PLC 的診斷功能和 監(jiān)控功能，可以迅速查找到故障點(diǎn)，對(duì)大多數(shù)故障都可以及時(shí)予以 排除。 2 給水系統(tǒng)給水系統(tǒng) 2.1 組成組

11、成 2.1.1 給水系統(tǒng)的組成給水系統(tǒng)的組成 給水模擬系統(tǒng)組成示意如下圖 2.1 所示： 市網(wǎng)自來(lái)水 水流開(kāi)關(guān) 液位計(jì) 電磁閥 生活用水 壓力變送器 三通閥水 泵 止回閥 蓄水池 變頻調(diào)速器 壓差開(kāi)關(guān) 2.1 給水系統(tǒng)示意圖 由蓄水池、液位計(jì)、電磁閥、水泵、電機(jī)、止回閥、三通閥、 壓力變送器、變頻調(diào)速器、壓差開(kāi)關(guān)等組成。 2.1.2 控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖 2.2 所示，它主要是由 PLC、變頻 器、PID 調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、液位傳感器、動(dòng)力控制線路以及水 泵等組成。用戶(hù)通過(guò)控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)了 解和控制系統(tǒng)的運(yùn)行。 蓄水池 用戶(hù) 液位計(jì)

12、壓力傳送 器 變頻控制單元 城市管網(wǎng)水源 調(diào)節(jié)閥給水泵止回閥 圖 2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理圖 給水泵設(shè)置 3 臺(tái)，采用變頻控制，可實(shí)現(xiàn)不間斷恒壓供水。采 用手動(dòng)自動(dòng)混合控制及監(jiān)控方式，滿(mǎn)足智能建筑對(duì)建筑給排水的 基本控制要求的實(shí)現(xiàn)。 2.1.3 水泵的選用水泵的選用 通過(guò)對(duì)該樓用水量的計(jì)算來(lái)選擇合適的水泵。查閱新編建筑 給水排水工程師手冊(cè)住宅中二類(lèi)建筑的用水定額在 130L/pd300L/pd 之間，在本設(shè)計(jì)中取用最高標(biāo)準(zhǔn) 300L/pd， 時(shí)變化系數(shù) Kh=2.5，用水時(shí)間 T=24h。每戶(hù)為 3 人，用水人數(shù)為： 3*11*23=759 人。 本建筑 12 層不供水，住房區(qū)每層有 11

13、 套住房，3 層：其 中 5 戶(hù)配有一個(gè)衛(wèi)生間（有浴盆一只 N=1.0，洗臉盆一只 N=0.75 和 坐便器一具 N=0.5）和一個(gè)廚房（洗滌盆一只 N=1.0,單閥水嘴） ；其 中 6 戶(hù)有 2 個(gè)衛(wèi)生間和一個(gè)廚房。426 層：其中 4 戶(hù)為一個(gè)衛(wèi)生間 和一個(gè)廚房；其中 7 戶(hù)為 2 個(gè)衛(wèi)生間和一個(gè)廚房。 最高日用水量 Qd=m* qd=759*3001000=222.70m3/d 最高日最高時(shí)用水量 Qh=Kh* QdT=2.5*222.7024=23.20m3/h 考慮管網(wǎng)漏失水量和未預(yù)見(jiàn)水量之和按最高日用水量的 10%計(jì)； Kh=1.0。 所以：最高日用水量 Qd=222.70*(1+

14、10%)=245.0 m3/d 最高日最高時(shí)用水量 Qh=23.20*(1+10%)=25.52 m3/h 1、水泵的選擇 水池和泵房設(shè)于地下室內(nèi)，水泵直接將水抽到給水系統(tǒng)中。水 泵出水量按最大時(shí)用水量的 1.1 倍來(lái)確定。即 Qb=1.1*25.52=27.8m3/h 查給水鋼管水利計(jì)算表得： 當(dāng)水泵出水量為 27.8 m3/h（8.6L/s）時(shí)，水泵的幾個(gè)水力參數(shù) 如下表： 表 2. 1 水泵參數(shù)表 管徑(mm)流速(m/s)i (kPa/m)管長(zhǎng)(m)水頭損失(kPa) 吸水管DN=50mm0.630.223.000.66 壓水管DN=40mm1.070.8182.566.83 計(jì)算水泵

15、揚(yáng)程： Hb = H1+H2+Hh H1貯水池最高水位至水箱進(jìn)水口所需的靜壓力 kPa。 H1=65.20(2.05)=67.25m=672.5kPa H2水泵吸水管和出水管至水箱進(jìn)水口的總水頭損失，其中給 水管網(wǎng)局部水頭損失為沿程水頭損失的 30%，故 H2=1.3*(0.66+66.83)=1.3*67.49=87.74kPa H h水箱進(jìn)水口的流出水頭，取為 20kPa 水泵的揚(yáng)程為：Hb=H1+H2+Hh=672.5+87.74+20=780.24 kPa=78m H2O 水泵的出水量為 27.8 m3/h 。 據(jù)此選得： 型號(hào)為 40MS8-4.0 的多級(jí)離心泵 3 臺(tái)，2 用 1

16、備。MS 泵型是 引進(jìn)日本先進(jìn)技術(shù)制造的雙蝸殼單吸多級(jí)分段式離心泵，供輸送清 水及物理、化學(xué)性質(zhì)類(lèi)似于水的液體，液體最高溫度不得超過(guò) 80； MS 型泵適用于農(nóng)田灌溉、工廠及城鎮(zhèn)給水；特別適用于高層建筑 及高級(jí)賓館給水。該泵的性能和安裝尺寸見(jiàn)下表所示： 表 2.2 MS 型多級(jí)離心泵性能 型號(hào)流量 Q（m3/h） 揚(yáng)程 H(m)轉(zhuǎn)速 n（r/min） 電機(jī)功率 （KW） 必須氣蝕余量 40MS8-4.015.078.414504.03.0 MS 型多級(jí)離心泵外形及安裝尺寸 該泵底座直徑為 320mm，進(jìn)水口成水平方向，出水口垂直向上。 吸水管距底座高 H1=225 mm, 壓水管出口距底座高

17、H2=400mm。 水泵基礎(chǔ)定為邊長(zhǎng) 350mm 的正方形，基礎(chǔ)深度 H=30d=540mm。 2、引入管及水表選擇 水表的選擇 高區(qū)管網(wǎng)管段設(shè)計(jì)流量為 8.4L/s=27.2m3/h 中區(qū)管網(wǎng)管段設(shè)計(jì)流量為 10.1L/s=36.4m3/h 據(jù)建筑給水排水工程附錄 1-1，選用水表為 LXL-80N 水平 螺翼式水表，其技術(shù)參數(shù)如下表： 表2.3 LXL-80N水平螺翼式水表技術(shù)參數(shù) 型號(hào)公稱(chēng)口 徑（） 計(jì)量等 級(jí) 最大流量 （m3/h） 公稱(chēng)流量 （m3/h） 分界流量 （m3/h） 最小流量 （m3/h） 最小讀數(shù) （m3/h） 最大讀數(shù) （m3/h） LXL-80N80A8040123

18、.20.01 2.2 給水系統(tǒng)監(jiān)控原理給水系統(tǒng)監(jiān)控原理 2.2.1 給水系統(tǒng)中監(jiān)控的物理量給水系統(tǒng)中監(jiān)控的物理量 （1）液位信號(hào) 1）控制液位 2）報(bào)警液位 3）指示液位 4）信號(hào) 液位； （2）流量信號(hào)：流量信號(hào)一般是用來(lái)對(duì)系統(tǒng)給、用水量的大小 進(jìn)行觀察和計(jì)量； （3）運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)：在給排水系統(tǒng)中都設(shè)有水泵等運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備， 了解這些設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是十分必要的。 2.2.2 恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能 本系統(tǒng)采用兩套電機(jī) 水泵對(duì)水網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水 ,每臺(tái)電機(jī) 均可工作在變頻方式或工頻方式 ,但變頻調(diào)速器每次僅驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電 機(jī)。變頻調(diào)速器根據(jù)實(shí)際水壓的變化 ,不斷地調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速 ,

19、通過(guò)調(diào) 節(jié)流量達(dá)到恒定水壓的目的。另外 ,可編程序控制器根據(jù)當(dāng)前水泵 的供水情況對(duì)其進(jìn)行合理切換 ,實(shí)現(xiàn)最佳匹配。本 PLC 變頻調(diào)速恒 壓供水系統(tǒng)主要可以完成的功能有:手動(dòng)和自動(dòng)切換功能 ,水泵投入 運(yùn)行方式任選功能。 給水系統(tǒng)監(jiān)原理圖如下圖 2.3 所示 壓力 設(shè)定 壓力傳感 器 變頻器調(diào) 速器 PID供水泵 供水管 網(wǎng) 偏差 2.3 給水系統(tǒng)監(jiān)控原理 圖 利用 P LC 控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)恒壓供水系 統(tǒng) ,管道內(nèi)水壓恒定 ,既可以滿(mǎn)足供水要求 ,避免出現(xiàn)供水事故 ,還 可節(jié)約電能。系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)控制 ,自動(dòng)修正被控變量出現(xiàn)偏離 的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動(dòng)引

20、起的誤差，控制精 度高。 閉環(huán)恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)：在供水過(guò)程中 ,水泵轉(zhuǎn)速的變化可 以調(diào)節(jié)水量 ,但是轉(zhuǎn)速降低 ,流量減小 ,壓力也相應(yīng)降低 ,為了保證 流量并維持一定的供水壓力 ,最大限度地節(jié)約電能 ,我們必須建立閉 環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在水泵的出口側(cè) ,檢測(cè)壓力變化 ,一旦偏離設(shè)定壓 力 ,系統(tǒng)就自動(dòng)響應(yīng) ,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 ,維持相應(yīng)壓力下的供水量。該閉環(huán) 恒壓供水系統(tǒng) ,主要由變頻器、 可編程序控制器及傳感器組成。調(diào) 節(jié)原理圖如下圖 2.4 所示: 設(shè)定值 水壓變頻器 壓力傳感器 電機(jī)水泵 圖 2.4 PID 調(diào)節(jié)原理 為了保持供水管道的壓力恒定， 就必須實(shí)時(shí)檢測(cè)管道壓力并回 饋給供水控制器

21、，使其構(gòu)成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。用的控制器是 P I D 調(diào)節(jié)為主要手段。 一般情況下，PID 方式的調(diào)節(jié)器就能夠滿(mǎn)足供 水管壓力的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。然而，這種類(lèi)型的閉環(huán)系統(tǒng) 也存在著一些難 以解決的問(wèn)題，比如在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中， 水泵 電機(jī)的速 度會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)調(diào)量，甚至不穩(wěn)定，這些都對(duì)整個(gè)的供水設(shè)備具有 很大的破壞性 ， 還會(huì)減小整個(gè)系統(tǒng)的效率。目前，針對(duì)于供水系 統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)都對(duì) P I D 調(diào)節(jié)算法進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)，并且 在 PID 算法的參數(shù)設(shè)定時(shí)做了大量工作。 在供水系統(tǒng)中使用水泵的目的,是向各末端水龍頭連續(xù)穩(wěn)定地供 給適當(dāng)水壓的水。因此 ,不論供水量多少 ,必須控制水泵的壓力恒定。

22、使用變頻調(diào)速的水泵 ,其壓力控制常采用出口水壓一定控制。壓力 傳感器裝在水泵附近的主出水管內(nèi) ,將感受到的壓力轉(zhuǎn)化為電信號(hào) 作為反饋信號(hào)。變頻器內(nèi)置 PID 調(diào)節(jié)器作為壓力調(diào)節(jié)器。PID 調(diào)節(jié) 器將來(lái)自壓力傳感器的壓力反饋信號(hào)與出口壓力給定值比較運(yùn)算 , 其結(jié)果作為頻率指令輸送給變頻器 ,調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速使出口壓力保 持一定。根據(jù)供水管網(wǎng)壓力的變化 ,通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤來(lái)控 制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ,使供水管網(wǎng)中保持恒定的壓力 ,以達(dá)到高效供水 及高效節(jié)能目的。 2.2.3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)及報(bào)警自動(dòng)監(jiān)測(cè)及報(bào)警 在低位蓄水池處可設(shè)一液位傳感器或壓力傳感器來(lái)檢測(cè)水池液 面位置。當(dāng)水池水位上升至上限（停泵水位

23、）時(shí)，傳感器向現(xiàn)場(chǎng)控 制器送出信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)控制器給水泵機(jī)組輸送信號(hào)，使水泵自動(dòng)停機(jī)。 當(dāng)水位低于所設(shè)的低位報(bào)警水位時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警。這種壓力傳感器可 以通過(guò)壓力連續(xù)檢測(cè)水池液位，并把信號(hào)送入現(xiàn)場(chǎng)控制器中，而停 泵和報(bào)警液位的設(shè)定是可改變的。示意圖如下圖 2.5 所示 至用戶(hù) 供水 網(wǎng) 低位報(bào)警 下限 超高限報(bào)警 P 1 1 水池 水泵 圖 2.5 自動(dòng)檢測(cè)及報(bào)警示意 3 排水系統(tǒng)排水系統(tǒng) 3.1 組成組成 排水系統(tǒng)由液位計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)控制器及水泵電機(jī)設(shè)備。示意圖如下 圖 3.1 所示 生活污水 圖 3.1 排水系統(tǒng)示意圖 下限液位 上限液位 高限液位 液位計(jì) 管網(wǎng)廢水回收池 水泵電機(jī) 止回閥 3.2 排水

24、系統(tǒng)的控制排水系統(tǒng)的控制 原理：根據(jù)污廢水集井的水位控制排水泵的啟停。當(dāng)集水井的 水位達(dá)到上限時(shí)，啟動(dòng)相應(yīng)的水泵；當(dāng)水位達(dá)到高限時(shí)，連鎖啟動(dòng) 相應(yīng)的備用泵。 工作原理 集水井設(shè)三個(gè)液位計(jì)檢測(cè)液面位置，分別是下限液位 LA、上限 液位 LB、和高限液位 LC，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)集水井水位變化控制工作 泵的啟停，液位信號(hào)送入現(xiàn)場(chǎng)控制，當(dāng)集水井中水位達(dá)到上限時(shí)， 控制器啟動(dòng)排水泵運(yùn)行，直到水位下降至下限時(shí)停止排水泵運(yùn)行。 當(dāng)污水流量較大，水位達(dá)到高限時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒 值班人員注意，同時(shí)備用水泵投入運(yùn)行。 5m M 3 排水泵 L 1 L 2 L3 圖 3.2 排水控制圖 電 機(jī) 10m 其中

25、液位計(jì)采用浮球液位計(jì)，當(dāng)水位上升到上限液位高度如圖 3.2 所示 10m 時(shí),開(kāi)關(guān)閉合接通電機(jī)，排水泵運(yùn)行開(kāi)始排水;當(dāng)水排到一 定水位比如 5m 水位下降到下限液位時(shí)開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)，電機(jī)停轉(zhuǎn)停 止排水。 4 硬件與軟件硬件與軟件 4.1 硬件硬件 4.1.1 P LC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 恒壓供水控制系統(tǒng)由可編程序控制器、 變頻器、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和 傳感器等構(gòu)成。P LC 作為控制單元 ,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和系統(tǒng)工作狀態(tài) 控制兩臺(tái)水泵的起動(dòng)和停止,控制變頻器的起動(dòng)和停止 ,變頻器根據(jù) 壓力給定和實(shí)測(cè)壓力調(diào)節(jié)輸出頻率 ,改變水泵轉(zhuǎn)速 ,控制管網(wǎng)壓力 , 并將變頻器工作狀態(tài)輸出到 P LC。 4

26、.1.2 可編程控制器選擇可編程控制器選擇 S7-200 的模擬量 I/O 模塊 1 、模擬量輸入模塊 EM231 EM231 具有路模擬量輸入，輸入信號(hào)可以是電壓也可以是電 流，其輸入與 PLC 具有隔離。輸入信號(hào)的范圍可以由 SW1、SW2 和 SW3 設(shè)定。 2 、模擬量輸出模塊 EM232 EM232 具有 2 路模擬量輸出，輸出信號(hào)可以是電壓也可以是電 流，其輸入與 PLC 具有隔離。 3、 模擬量混合模塊 EM235 EM235 具有路模擬量輸入和路模擬量輸出。它的輸入信號(hào) 可以是不同量程的電壓或電流。其電壓、電流的量程是由開(kāi)關(guān) SW1、SW2 到 SW6 設(shè)定。EM235 有路模

27、擬量輸出，其輸出可以 是電壓也可以是電流。 S7-200 的通訊模塊 S7-200 系列 PLC 除了 CPU226 本機(jī)集成了二個(gè)通信口以外， 其它均在其內(nèi)部集成了一個(gè)通信口，通信口采用了 RS-485 總線。除 此以外各 PLC 還可以接入通信模塊，以擴(kuò)大其接口的數(shù)量和聯(lián)網(wǎng)能 力。 S7-200 的擴(kuò)展配置 S7-200 的擴(kuò)展配置是由 S7-200 的基本單元 （CPU222、CPU224 和 CPU226）和 7-200 的擴(kuò)展模塊組成，最多 可以擴(kuò)展 7 個(gè)模塊。其擴(kuò)展模塊的數(shù)量受兩個(gè)條件約束。一個(gè)條件 是基本單元能帶擴(kuò)展模塊的數(shù)量，另一個(gè)條件是基本單元的電源承 受擴(kuò)展模塊消耗 5V

28、 DC 總線電流的能力。 4.1.3 變頻器選擇變頻器選擇 變頻器選用 SIEMENS 的 MM 系列或 ABB 的 ACS-400 系列風(fēng) 機(jī)/泵類(lèi)專(zhuān)用變頻器，它們具有 RS-485 通訊接口，性?xún)r(jià)比較高。 PLC 通過(guò)自由通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運(yùn)行，讀取 變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和過(guò)壓、過(guò) 流、過(guò)負(fù)荷等全部報(bào)警信息等參數(shù)，并通過(guò)觸摸屏顯示出來(lái)，這比 通過(guò)外部端口控制變頻器的運(yùn)行具有較高的可靠性，節(jié)省了 PLC 寶 貴的 I/O 端口，又獲的了大量變頻器的信息。 4.1.4 控制電路設(shè)計(jì)控制電路設(shè)計(jì) 在控制電路設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換?？刂葡到y(tǒng)中每臺(tái)水

29、泵 的變頻接觸器和工頻接觸器、各水泵的變頻接觸器在電氣上的連鎖， 防止系統(tǒng)中出現(xiàn)一臺(tái)水泵工頻和變頻電源同時(shí)接通或多臺(tái)水泵同時(shí) 接通變頻電源的現(xiàn)象。 4.1.5 系統(tǒng)流程系統(tǒng)流程 為方便調(diào)試和編程，系統(tǒng)控制器采用模塊化編程，主要由手動(dòng) 運(yùn)行模塊、自動(dòng)運(yùn)行模塊和故障診斷與報(bào)警模塊組成。當(dāng)系統(tǒng)處于 手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，按下按鈕啟動(dòng)或停止水泵，可根據(jù)需要分別控制水泵 的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時(shí)用。自動(dòng)運(yùn)行模塊包括 系統(tǒng)的初始化、開(kāi)機(jī)命令的檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集子程序、控制量運(yùn)算子 程序、置初值子程序、電機(jī)控制子程序等。模塊流程圖如下圖 4.1 所示 信號(hào) 數(shù)據(jù)采集子程序 PID 運(yùn)算子程序 置初值 置初值

30、子程序 控制子程序 N 4.1 模塊流程圖 4.1.6 系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作 合上自動(dòng)開(kāi)關(guān)后，1#泵電機(jī)通電，變頻器輸出頻圖 5.1 模塊流 程圖頻率從 0Hz 上升，同時(shí) PID 調(diào)節(jié)器接收到自壓力傳感器的標(biāo)準(zhǔn) 信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算與給定壓力參數(shù)進(jìn)行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器， 如壓力不夠，則頻率上升到 50Hz，1#泵由變頻切換為工頻，啟 2# 變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類(lèi)推；如用水量減 小，從先啟的泵開(kāi)始減，同時(shí)根據(jù) PID 調(diào)節(jié)器給的調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng) 平穩(wěn)運(yùn)行。若有電源瞬時(shí)停電的情況，則系統(tǒng)停機(jī)；待電源恢復(fù)正 常后，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行，然后按自動(dòng)運(yùn)行方式啟動(dòng) 1#泵變頻，直 至在給定水

31、壓值上穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)在自動(dòng)供水的過(guò)程中，PLC 實(shí)時(shí) 檢測(cè)水池水位，若水位低于設(shè)定的報(bào)警水位時(shí)，蜂鳴器發(fā)出缺水報(bào) 警信號(hào)；若水位低于設(shè)定的停機(jī)水位時(shí)，停止全部水泵工作，防止 水泵干抽，并發(fā)出停機(jī)報(bào)警信號(hào)；若水池水位高于設(shè)定的水池上限 水位時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷水池給水管電動(dòng)閥門(mén)。變頻自動(dòng)功能是該系統(tǒng)最 基本的功能，系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)多臺(tái)泵軟起動(dòng)、停止、循環(huán)變頻的全 部操作過(guò)程。 4.2 軟件軟件 4.2.1 軟件配置軟件配置 S7-200 的數(shù)據(jù)區(qū) 數(shù)字量輸入映像區(qū)(I 區(qū)) 位：I0.0、I15.7 字節(jié)：IB0、IB1、IB15 字：IW0、IW2、IW14 雙字：ID0、ID4、ID12 數(shù)字量輸出映

32、像區(qū)(Q 區(qū)) 位： Q0.0、Q15.7 字節(jié)： QB0、 QB1、 QB15 字： QW0、 QW2、 QW14 雙字： QD0、 QD4、 QD12 模擬量輸入映像區(qū)(AI 區(qū)) 字： AIW0、AIW2、AIW30 模擬量輸出映像區(qū)(AQ 區(qū)) 字： AQW0、AQW2、AQW30 變量存儲(chǔ)器區(qū)(V 區(qū)) 位： V0.0、V0.1、V5119 字節(jié)： VB0、VB1、VB5119 字： VW0、VW2、VW5118 雙字： VD0、VD4、VD5116 位存儲(chǔ)器區(qū)(M 區(qū)) 位： M0.0、M0.1、M31.7 字節(jié)： MB0、MB1、MB31 字：MW0、MW2、MW30 雙字： M

33、D0、MD4、MD28 順序控制繼電器區(qū)(S 區(qū)) 位： S0.0、S0.1、S31.7 字節(jié)： SB0、SB1、SB31 字： SW0、SW2、SW30 雙字： SD0、SD4、SD28 局部存儲(chǔ)器區(qū)(L 區(qū)) 位： L0.0、L0.1、L63.7 字節(jié)： LB0、LB1、LB63 字： LW0、LW2、LW62 雙字： LD0、LD4、LD60 定時(shí)器存儲(chǔ)器區(qū)(T 區(qū)) T0、T1、T255 計(jì)數(shù)器存儲(chǔ)器區(qū)(C 區(qū)) C0、C1、C255 高速計(jì)數(shù)器區(qū)(HSC 區(qū)) HSC0、HSC1、HSC2、HSC3、HSC4、HSC5 累加器區(qū)(AC 區(qū)) AC0，AC1，AC2， AC3 特殊存儲(chǔ)

34、器區(qū)(SM 區(qū)) SM0.0、SM0.1、SM19,也可以用字節(jié)、字、雙字表示。 4.2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 供水系統(tǒng)工作過(guò)程：該控制系統(tǒng)根據(jù)要求可以選擇手動(dòng)狀態(tài)和 自動(dòng)狀態(tài)兩種工作方式。選擇手動(dòng)工作狀態(tài)時(shí) ,可以分別通過(guò)按鈕 控制水泵單獨(dú)在工頻下運(yùn)行與停止 ,主要用于水泵定期檢修臨時(shí)供 水。選擇自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí) ,完全由 P LC 軟件控制運(yùn)行。根據(jù)供水管 網(wǎng)中用水量和壓力變化適時(shí)調(diào)整工頻運(yùn)行的水泵和變頻運(yùn)行的水泵 頻率。自動(dòng)工作時(shí) ,1) P LC 首先利用變頻器軟啟動(dòng)一臺(tái)加壓泵 ,實(shí) 現(xiàn)單泵變頻供水 ,此時(shí) ,安裝在管網(wǎng)上的傳感器將實(shí)測(cè)的管網(wǎng)壓力反 饋進(jìn)變頻器 ,與預(yù)先通

35、過(guò)變頻器面板設(shè)定的給定壓力進(jìn)行比較 ,通過(guò) 變頻器內(nèi)部 PID 運(yùn)算 ,調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率。2)在用水高峰期 ,水 流量較大 ,變頻器輸出頻率接近工頻 ,而管網(wǎng)壓力仍達(dá)不到壓力設(shè)定 ,則 P LC 將當(dāng)前工作的變頻泵由變頻切換到工頻 ,并關(guān)斷變頻器;經(jīng)過(guò) 短時(shí)間的延時(shí)(程序設(shè)計(jì)為 5 s) ,變頻器重新啟動(dòng) ,P LC 將變頻器切換 到另一臺(tái)泵 ,由變頻器軟啟動(dòng)該泵 ,實(shí)現(xiàn)一臺(tái)工頻、 一臺(tái)變頻雙泵 供水。當(dāng)用水量再增多變頻器輸出頻率又接近工頻時(shí) ,則會(huì)切斷變 頻器 ,并把變頻的那臺(tái)泵轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)轉(zhuǎn) ,實(shí)現(xiàn)雙泵都以工頻運(yùn)轉(zhuǎn)供水。 3)為防止用水量較小時(shí) ,一臺(tái)水泵長(zhǎng)期不工作而可能導(dǎo)致其生銹 ,設(shè)

36、計(jì)了單泵變頻定時(shí)切換(即定時(shí)倒泵) ,在一臺(tái)水泵連續(xù)工作長(zhǎng)時(shí)間(程 序設(shè)計(jì)為 10 h)時(shí) ,而另一臺(tái)水泵不工作時(shí) ,P LC 將變頻器切換到另 一臺(tái)水泵 ,使兩臺(tái)水泵能夠交替工作按要求進(jìn)行供水。無(wú)論控制單 泵變頻工作還是雙泵一臺(tái)工頻一臺(tái)變頻工作或雙泵都工頻工作 ,始 終控制管網(wǎng)壓力與給定壓力值保持一致 ,實(shí)現(xiàn)恒壓變量供水。 PID 指令 S7-200 CPU 提供 PID 回路指令(成比例、積分、微分循環(huán))，進(jìn) 行 PID 計(jì)算。PID 回路的操作取決于存儲(chǔ)在回路表內(nèi)的 9 個(gè)參數(shù)。 當(dāng) PID 指令被允許時(shí)，PID 指令根據(jù)回路表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行 PID（比 例、積分和微分）運(yùn)算，并得到輸出控

37、制量。水箱需要維持一定的 水位，該水箱里的水以變化的速度從水箱的出水管中流出。因而需 要有一個(gè)水泵以不同的速度通過(guò)水箱的進(jìn)水管向水箱供水，以維持 水位不變。本供水系統(tǒng)的設(shè)定值是水箱滿(mǎn)水位的 75 % 時(shí)的水位， 過(guò)程變量是由漂浮在水面的水位測(cè)量?jī)x給出。輸出值是進(jìn)水泵的速 度，可以從允許最大值的 0 % 變到 l00 % 。設(shè)定值可以預(yù)先設(shè)定后 直接輸入回路表中，過(guò)程變量是來(lái)自水位表的單極性模擬量，回路 輸出值也是一個(gè)單極性模擬量，用來(lái)控制水泵速度。這個(gè)模擬量的 范圍是 0.0l.0 ，分辨率為 1/32000（標(biāo)準(zhǔn)化） 。本工程的特點(diǎn)是在 系統(tǒng)中，水泵的機(jī)械慣性比較大，故系統(tǒng)僅采用比例和積分控

38、制。 其增益和時(shí)間常數(shù)可以通過(guò)工程計(jì)算初步確定。實(shí)際上還需要進(jìn)一 步調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)控制效果。初步確定的增益和時(shí)間常數(shù)為： Kc=0.25，Ts=0.1 秒，Ti=30 分,系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)閉出水口，用手動(dòng)控 制進(jìn)水泵速度，使水位達(dá)到滿(mǎn)水位的 75，然后打開(kāi)出水口，同時(shí) 水泵控制由手動(dòng)方式切換到自動(dòng)方式。I0.0 位控制手動(dòng)方式的切換， 0 代表手動(dòng)，1 代表自動(dòng)。當(dāng)工作在手動(dòng)方式下，可以把水泵的速度 （0.01.0 之間的實(shí)數(shù)）之間寫(xiě)入回路表中的輸出寄存器（VD108） 。 應(yīng)用 PID 指令控制系統(tǒng)時(shí)，要注意積分作用引起的超調(diào)問(wèn)題。為了 避免這一現(xiàn)象，可以加一些保護(hù)，例如，當(dāng)過(guò)程變量達(dá)到甚至超

39、過(guò) 設(shè)定值時(shí)，可以限制輸出值在某一定范圍之內(nèi)。該程序僅有自動(dòng)控 制方式的設(shè)計(jì)。其中主程序 OBl 的功能是 PLC 首次運(yùn)行時(shí)利用 SM0.l 調(diào)用初始化程序 SBR0。 程序說(shuō)明：主程序 OB1 在 PLC 上電后調(diào)用送 PID 參數(shù)子子程 序 SBR0 的功能是形成 PID 的回路表，建立 100 毫秒的定時(shí)中斷并 且開(kāi)中斷。中斷程序 INT0 的功能是輸入水箱的水面高度 AIW0 的 值，并送入回路表。I0.0=l 時(shí)進(jìn)行 PID“自動(dòng)”控制，把 PID 運(yùn)算的輸 出值送到 AQW0 中,從而控制進(jìn)水泵的速度，以保持水箱的水面高度。 5 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ) 本次設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)智能建筑給水排水

40、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè) 計(jì)內(nèi)容主要是給水控制系統(tǒng)和排水控制系統(tǒng)。利用變頻調(diào)速恒壓供 水系統(tǒng)具有節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。采用 PLC 作為 控制器，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依 據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保 持水壓恒定以滿(mǎn)足用水要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)在工業(yè)和生活中有 很廣闊的應(yīng)用前景，除了具有明顯的節(jié)能效果外，還具有操作方便、 容易、維護(hù)量小的特點(diǎn)，變頻器的軟啟動(dòng)功能也減少了對(duì)電網(wǎng)的沖 擊，使設(shè)備運(yùn)行方式更趨于合理，設(shè)備的自動(dòng)化水平得到提高。費(fèi) 用低?？傊?，采用變頻恒壓供水系統(tǒng)是一種技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的 選擇。通過(guò)該設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何確定以上各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。方 案的設(shè)計(jì)是在結(jié)合已知設(shè)計(jì)資料的基礎(chǔ)上確定的，方案設(shè)計(jì)新穎， 具有一定的適用性。在計(jì)算過(guò)程中，一些計(jì)算公式、計(jì)算方法以及 一些表示形式，是通過(guò)翻閱參考文獻(xiàn)及一些