高层建筑物恒压供水控制系统及组态监控毕业设计.docx
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高层建筑物恒压供水控制系统及组态监控毕业设计
北方民族大学
学士学位论文
论文题目:
高层建筑物恒压供水系统组态控制设计
院（部）名称:
电气信息工程学院
北方民族大学教务处
摘要
本文介绍水泵在高层建筑恒压供水系统中的PLC和变频控制以及监控组态设计过程。
系统使用压力变送器对供水水压进行连续检测，检测到的压力信号转换成电信号后送给可编程控制器（PLC）和变频器。
PLC作为核心控制机构，一方面控制变频器和高峰补水泵工作，另一方面与上位机相连，实现对系统运行状态的组态监控；变频器通过其内部的PID调节运算功能，变频器和水泵构成执行机构，压力变送器作为检测和反馈机构，共同组成一个闭环控制系统。
本系统采用一台变频器拖动三台水泵电机的起动切换、运行和调速。
水泵机组采用循环使用的方式运行。
系统设有监控上位机，上位机与PLC连接，完成对系统运行的数据采集和状态监控。
系统运行时，压力变送器能够实时检测到供水管网的水压值并反馈到PLC和变频器，变频器利用P1D控制策略实时调整水泵的运行速度（频率）、改变其流量，从而实现恒压供水。
单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n,从而改变水泵的流量Q来实现的。
分析水泵的能耗比较图，可以看出利用变频器实现变频调速恒压供水，当水泵电机转速降低时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式阀门节流控制相比，可以大幅度降低能耗，本系统节能效果明显。
关键词:
恒压供水组态监控PLC变频器
Abstract
Inthispaper,constantpressurepumpsinthehigh-risebuildingwatersupplysystemsinthePLCandfrequencycontrol,andmonitortheconfigurationdesignprocess.Systemuseshydraulicpressuretransmitterforcontinuouswatersupplytesting,todetectthepressuresignalaftertheconversiontoelectricalsignalstotheprogrammablelogiccontroller（PLC）andtheinverter.PLCasacorecontrolmechanism,ontheonehandtocontrolthepeaktransducerandpumpupthework,ontheotherhand,connectedwiththehostcomputer,runningonthesystemtoachievetheconfigurationmonitoring;inverterthroughitsregulationoftheinternaloperationsofthePIDfunction,transducerandpumpsconstitutetheimplementationofinstitutions,pressuretransmittertestingandfeedbackasabody,theformationofajointclosed-loopcontrolsystem.Thesystemusesafrequencyconverterthreedragpumpmotorstarterswitch,operationandspeed.Theuseofrecycledwaterpumpunitrun.PCsystemwithmonitor,PCandPLCconnection,completionofthesystemofdatacollectionandconditionmonitoring.
System,thepressuretransmittercanbedetectedinreal-timepressurewatersupplynetworksandvaluebacktothePLCandinverter,inverterP1Dcontrolstrategiesusingreal-timeadjustmentofpumpspeed（frequency）,changeitsflow,inordertoachieveconstantpressurewatersupply.Asinglepumpoperatingconditionsthroughtheregulationofthepowerinvertertochangethefrequencyftochangethemotorspeedn,inordertochangethepumpflowQtoachieve.Analysisofpumppowerconsumptioncomparison,onecanseetheuseofVVVFinvertertoachieveconstantpressurewatersupply,whenthepumpmotorspeedtoreducetrafficflowandspeedindirectproportiontothepowersidetospeedthedeclineinthethreetraditionalmethodsofwatersupplyvalveexpenditurecomparedtothedoorcontrol,cangreatlyreduceenergyconsumption,energy-savingeffectofthesystem.
KEYWORDS:
Watersupply,constantpressurewatersupply,PLC
1前言
水和电是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能源短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度较低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。
小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。
传统的小区供水方式有：
恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下[1]：
（1）恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。
（2）气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。
（3）水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。
（4）液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修；优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。
（5）单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。
综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。
目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：
一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗[2]。
基于PLC和变频技术的恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。
采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，同时系统具有良好的节能性，这在能源日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。
2总体方案设计
2.1设计目标和要求
2.1.1设计的目标：
本课题的任务是设计一套具有计算机监控功能的高层建筑物恒压供水系统的控制部分，该设计主要针对高层建筑物供水系统，实现供水量随着用户用水量的增减而实时增减，但须保持供水水压恒定。
计算机监控部分，主要实现供水水压设定和系统运行情况的动态显示。
2.1.2任务要求：
1、供水对象为一栋45米高、180户居民的住宅楼，需考虑生活、消防用水；
2、当用户用水量变化时，要求系统供水压力（液位）波动在±2％之内；
3、在监控计算机上可以设定系统供水压力（液位），可以显示系统运行状态。
2.2控制方案的选定
2.2.1控制方案
根据系统的技术要求,本系统采用目前较为先进的交流变频调速恒压供水的控制方案。
控制系统组成框图如图1.1。
系统由PLC、变频器、水箱、供水机组、供水管网和各种传感器、仪表组成。
图2.1控制示意图
图2.2系统整体示意图
2.2.2变频恒压供水系统控制流程
变频恒压供水系统控制流程如下:
（l）系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动变频泵M1工作，根据压力变送器测得的用户管网实际压力和设定压力的偏差调节变频器的输出频率，控制Ml的转速，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间Ml工作在调速运行状态。
（2）当用水量增加水压减小时，压力变送器反馈的水压信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵的转速增大，供水量增大，最终水泵的转速达到另一个新的稳定值。
反之，当用水量减少水压增加时，通过压力闭环，减小水泵的转速到另一个新的稳定值。
（3）当用水量继续增加，变频器的输出频率达到上限频率50Hz时，若此时用户管网的实际压力还未达到设定压力，并且满足增加水泵的条件（在下节有详细阐述）时，在变频循环式的控制方式下，系统将在PLC的控制下自动投入水泵M2（变速运行），同时变频泵M1做工频运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。
如果用水量继续增加，满足增加水泵的条件，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3投入运行，变频器输出频率达到上限频率50Hz时，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出水压超限报警。
（4）当用水量下降水压升高，变频器的输出频率降至下限频率，用户管网的实际水压仍高于设定压力值，并且满足减少水泵的条件时，系统将工频泵M2关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。
当用水量继续下降，并且满足减少水泵的条件时，将继续发生如上转换，将另一台工频泵M3关掉。
3硬件设计和选型
3.1硬件设计
3.1.1PLC系统设计的基本原则：
（1）应最大限度地满足机械设备和生产过程的控制要求；
（2）确保控制系统安全可靠；
（3）力求控制简单、实用、合理；
（4）系统应留有一定余量。
[2]
3.1.2PLC控制系统设计的基本内容和步骤：
1.设计的基本内容：
（1）根据被控对象的工艺拟定控制系统的控制功能及目标；
（2）细化控制系统的各类技术要求；
（3）选型及硬件配置；
（4）编制I/O分配表，绘制PLC系统及其现场设备的接线图；
（5）依据软件说明书，编制PLC应用程序；
（6）编写设计说明书和系统使用说明书、操作规则等；
（7）系统的安装、调试和投运。
[2]
2.设计的基本步骤：
（1）分析被控对象并提出控制要求；
（2）确定输入输出设备；
（3）选择PLC机型；
（4）分配I/O点并设计PLC外围硬件电路；
（5）程序设计和程序模拟调试；
（6）硬件实施主要进行控制台等硬件的设计与现场施工；
（7）联机调试；
（8）根据调试的最终结果编制技术文件。
3.1.3PLC控制系统设计按以下流程进行：
图3.1控制系统设计流程图
3.1.3PLC控制系统具体设计：
基于PLC的变频恒压供水系统主电路图如图3.2所示：
三台电机分别为M1、M2、M3，它们分别带动水泵1#、2#、3#。
接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行；接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3的变频运行；FR1、FR2、FR3分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器；QS1、QS2、QS3、QS4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关；FU为主电路的熔断器。
本系统采用三泵循环变频运行方式，即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵在工频下做恒速运行。
PLC中的模拟量模块输出模拟量（OuT0）使变频器变频启动第一台泵，即开关量KM2闭合。
当压力变送器检测到供水管网内水压持续达不到供水要求，即变频器频率大于等于45Hz且持续两分钟，则KM2断开、KM1接通、KM4接通，第一台泵公频运行，变频启动第二台泵。
当公频泵连续运行达24小时，PLC自动停止该泵的运行，同时启动第三台泵。
图3.2变频恒压供水系统主电路图
三相电源经低压熔断器、隔离开关接至变频器的R、S、T端，变频器的输出端U、V、W通过接触器的触点接至电机。
当电机工频运行时，连接至变频器的隔离开关及变频器输出端的接触器断开，接通工频运行的接触器和隔离开关。
主电路中的低压熔断器除接通电源外，同时实现短路保护，每台电动机的过载保护由相应的热继电器FR实现。
变频和工频两个回路不允许同时接通。
而且变频器的输出端绝对不允许直接接电源，故必须经过接触器的触点，当电动机接通工频回路时，变频回路接触器的触点必须先行断开。
同样从工频转为变频时，也必须先将工频接触器断开，才允许接通变频器输出端接触器，所以KM1和KM2、KM3和KM4、KM5和KM6绝对不能同时动作，相互之间必须设计可靠的互锁。
为监控电机负载运行情况，主回路的电流大小可以通过电流互感器和变送器将4~20mA电流信号送至上位机来显示。
同时可以通过通过转换开关接电压表显示线电压。
并通过转换开关利用同一个电压表显示不同相之间的线电压。
初始运行时，必须观察电动机的转向，使之符合要求。
如果转向相反，则可以改变电源的相序来获得正确的转向。
系统启动、运行和停止的操作不能直接断开主电路（如直接使熔断器或隔离开关断开），而必须通过变频器实现软启动和软停。
为提高变频器的功率因数，必须接电抗器。
当采用手动控制时，必须采用自耦变压器降压启动或软启动的方式以降低电流，本系统采用软启动器。
3.2PLC的选型
可编程控制器（ProgrammableLogicController）是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。
它采用一种可编程的存储器，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，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。
PLC是该控制系统的核心部件，合理选择PLC对于保证整个控制系统的技术指标和质量至关重要的。
选择PLC应包括PLC机型、容量等的选择。
1、PLC机型选择
机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠，维护使用方便及最佳的性能价格比。
（1）结构合理
对于工艺比较固定，环境条件较好，维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC。
（2）功能强弱适当
对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC。
2、PLC容量的选择
PLC容量主要是指是PLC的I/O点数，I/O点数也应留有适当裕量。
由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的1/O点是数量太多，将使成本增加。
根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常1/0点数按实际需要的考虑留10%-15%点数备用量。
根据系统要求和功能，PLC选用三菱公司的FX2N系列FX2N-48MR-001，FX2N-48MR具有丰富的可灵活配置的硬件资源：
内含时钟、PID运算、高速计数器、显示器、AC/DC/继电器内置数字I/O（24路开关量输入，24路继电器输出），另配置FX0N-4AD模拟量模块，FX2N-485-BD通信模块。
SC-09通信编程器，采用RS485网络通信。
该型号的PLC的实物图如下：
图3.3PLC实物图
选FX2N-48MR-001型，技术参数如下表所示：
项目
规格
备注
运转控制方式
通过储存的程序周期运转
I/O控制方法
批次处理方法（当执行END指令时）
I/O指令可以刷新
运转处理时间
基本指令：
0.8μs/指令
应用指令：
1.52至几百μs/指令
编程语言
逻辑梯形图和指令清单
使用步进梯形图能生成SFC类型程序
程式容量
8000步内置
使用附加寄存盒可扩展到16000步
指令数目
基本顺序指令：
27
步进梯形指令：
2
应用指令：
128
最大可用298条应用指令
I/O配置
最大硬体I/O配置点256，依赖于用户的选择（最大软件可设定地址输入256、输出256）
辅助继电器
（M线圈）
一般
500点
M0至M499
锁定
2572点
M500至M3071
特殊
256点
M8000至M8255
状态继电器
（S线圈）
一般
490点
S0至S499
锁定
400点
S500至S899
初始
10点
S0至S9
信号报警器
100点
S900至S999
定时器（T）
100毫秒
范围：
0至3276.7秒200点
T0至T199
10毫秒
范围：
0至327.67秒46点
T200至T245
1毫秒保持型
范围：
0至32.767秒4点
T246至T249
100毫秒
范围：
0至3276.7秒6点
T250至T255
计数器（C）
一般16位
范围：
0至32767数200点
C0至C199
类型：
16位上计数器
锁定16位
100点（子系统）
C100至C199
类型：
16位上计数器
一般32位
15点
C200至C219
类型：
16位上/下计数器
锁定32位
15点
C220至C234
类型：
16位上/下计数器
高速计数器
（C）
单相
范围：
-2147483648至+2147483647数
一般规则：
选择组合计数频率不大于20KHz的计数器组合
注意所有的计数器锁定
C235至C2406点
单相c/w起始
停止输入
C241至C2455点
双相
C246至C2505点
A/B相
C251至C2555点
数据寄存器
（D）
一般
200点
D0至D199
类型：
32位元件的16位数据存储寄存器对
锁定
7800点
D200至D7999
类型：
32位元件的16位数据存储寄存器对
文件寄存器
7000点
D1000至D7999通过14块500程式步的参数设置
类型：
16位数据存储寄存器
特殊
256点
从D8000至D8255
类型：
16位数据存储寄存器
变址
16点
V0至V7以及Z0至Z7
类型：
16位数据存储寄存器
指标
（P）
用于CALL
128点
P0至P127
用于中断
6输入点、3定时器、6计数器
100*至150*和16*至18*
（上升触发*=1，下降触发*=0，**=时间（单位：
毫秒））
嵌套层次
用于MC和MRC时8点
N0至N7
常数
十进位K
16位：
-32768至+32768
32位：
-2147483648至+2147483647
十六进位H
16位：
0000至FFFF
32位：
00000000至FFFFFFFF
浮点
32位：
±1.175*10-38，±3.403*10-38（不能直接输入）
3.3变频器选型
变频器的选择包括变频器的型式选择、容量选择和变频器箱体结构的选择三个方面。
其总的原则是首先保证可靠地满足工艺要求，再尽可能节省资金。
1、变频器的型式选择
根据控制功能可将通用变频器分为三种类:
普通功能型U/F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能U/F控制变频器知矢量控制高性能型变频器。
变频器类型的选择要根据负载的要求进行。
对于风机，泵类等平方转矩，低速负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。
在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数:
（1）电动机的极数。
一般电动机极数以不多于4极为宜，否则变频器容量要适当加大；
（2）转矩特性。
在同等电动机功率情况下，相对于高过载转矩模式，变频器规格可以降额选取；
（3）电磁兼容性。
为减少主电源千扰，使用时可在中间或变频器输入电路中增加电抗器，或安装前置隔离变压器。
一般当电动机与变频器距离超过50m时，应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。
变频器的选型应满足以下条件:
（1）电压等级与驱动电动机相符；
（2）额定电流为所驱动电动机额定电流的1.1～1.5倍；
（3）根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式；
2、变频器容量选择
变频器的容量可从三个角度表述:
额定电流、可用电动机功率和额定容量。
其中后两项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。
选择变频器时，只有变频器的额定电流量是一个反映半导体变频器装置负载能力的关键量。
负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。
变频器的额定功率指的是它适用的4级交流异步电动机的功率。
由于同容量电动机，其极数不同，电动机额定电流不同。
随着电动机极数的增多，电动机额定电流增大。
变频器的容量选择不能以电动机额定电流为依据。
同时，对于原来采用变频器的改造项目，变频器的容量选择也不能以电动机额定电流为依据。
这是因为，电动机的容量选择在考虑最大负载，富裕系数，电动机规格等因素，往往电动机的容量富裕较大，工业用电动机常常在50%～60%额定负荷下运行。
若以电动机额定电流为依据来选择变频器的容量，留有富裕量太大，造成经济上浪费，而可靠性并没有因此而得到提高。
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