大楼物业供水系统设计.docx
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大楼物业供水系统设计
大楼物业供水系统设计
第1章绪论
1.1研究背景
水是人民生活必需品，但由于近些年来，随着人们生活水平的提高，大楼的层数也在不断的剧增。
再加上受到输送管道和供水设施的影响，使居民的生活用水存在着自来水管网压力不足的现象，尤其是供水高峰期的高层供水尤为突出,给人们的生活带来了许多困扰。
以前为了解决用水难的问题，通常会在楼顶固定一个高位水箱，通过水箱的高度给水提供一定压力，再供给用户使用。
但这种方案明显非常落后，不仅投资大而且不利于房屋的维护和抗震。
上个世纪80年代后，气压供水逐渐替代了高位水箱供水。
但这种供水方式依旧存在很多缺陷。
气压供水所需要的设备的主要部件是压容器，其成本高，耗钢量大，结构复杂，而且水泵功率较大，反复启动，不仅影响电网，耗费电力资源，而且严重缩短了水泵和电磁设备寿命。
尤其是气压供水水压变化较大，缩短了水网，阀门，水表的使用寿命。
而水压过高会导致水管爆裂，造成水资源的大量流失。
而水压过低，则会造成用户供水不足或无法供水。
对于工业生产和特殊用途的供水而言，供水就更显得异常重要，例如在工业生产中如突然供水不足或断水，就可能会对产品的安全卫生产生某些不良影响。
而对于灭火水源来讲，供水不足则更加致命，对人民的生命财产安全造成极大隐患。
面对这些问题，供水的重要性已经不言而喻。
本文的设计就是基于PLC供水系统的设计。
液位检测检测水管中的水压得到的数据，通过对压力传感器对压力的监测，可以使管网中的水压自动的保持在事先设定好的压力值范围内。
当用户的用水量增加时，管网中的水压下降，供水控制器通过PLC使水泵转速加快，供水量相应增多，如果一台水泵不能满足用户的供水量，那么则通过控制器加泵；当用户用水量减少时，管网中水压上升，供水控制器通过PLC使水泵转速降低，供水量减少，如水泵转速降到最低还高出所需供水量，则关闭一台水泵。
简单来说就是根据用户用水量的大小，通过供水控制器对水泵的数量和转速的控制，从而使用户无论用水量的多少，管网中的水压始终能保持在设定范围内。
既满足了用户供水量的要求，又不会是水泵空转，造成电能的浪费，同时避免了水箱造成的二次污染。
是一种现代化的供水方案。
随着PLC技术的发展，结构简单，节省资源，抗干扰能力强，可靠高效的供水控制器将是高层建筑供水的研究方向。
本文主要采用了由三菱FX系列PLC构成的供水控制器，通过传感器检测得到的水压信号，与设定的水压数值比较，再通过PLC来控制水泵的数量和转速，达到大楼供水的效果。
1.2供水系统设计要求
某大楼物业供水系统有水泵4台，供水管道安装压力检测开关K1，K2和K3。
K1接通，表示水压偏低；K2接通，表示水压正常；K3接通，表示水压偏高。
其控制有如下四点：
1.自动工作时，当用水量少，压力增高，K3接通，此时可延时30s后撤除1台水泵工作，要求先工作的水泵先切断；当用水量多时，压力降低，K1接通，此时可延时30s后增设1台水泵工作，要求未曾工作过的水泵增加投入运行；当K2接通，表示供水正常，可维持水泵运行数量。
工作时，要求水泵数量最少为1台，最多不得超出4台。
2.各水泵工作时，均应有工作状态显示。
3.手动工作时，要求4台水泵可分别独立操作（分设起动和停止开关），并分别具有过载保护，可随时对单台水泵进行断电控制（注：
若输入点不够，可减少一个过载保护输入）。
4.设置“自动/手动”切换开关（ON——手动，OFF——自动），另设自动运行控制开关（ON——自动运行，OFF——自动运行停止）。
1.3供水系统设计思想
本系统将PLC、水泵、相应的传感器和执行机构有机地结合起来，并发挥各自优势。
系统采用三个压力传感器（压力检测开关）实时监测水位的压力，采用四台水泵保证供水量的需求，采用可编程控制器（PLC）来实现系统的自动运行。
这个操作方便的自动控制系统，以PLC为核心，以智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于水泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。
使得系统调试和使用都十分方便，而且大大简化了水厂在管理、数据统计和分析等方面的工作量。
PLC为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率优质运行，降低自来水的生产成本和提高生产管理水
平的目的。
供水系统的供水
部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。
通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过调节电机机组工作电机的数量，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。
因此，供水系统的实质是电动机的工作控制。
电动机的控制通常使用接触器，PLC通过控制接触器来实现自动控制电机机组的电机从而实现了大楼供水。
1.4供水系统方案确定
根据供水系统设计要求和思想可知，本供水系统主要由PLC控制单元、压力传感器、水泵机组以及低压电器组成。
系统主要的设计任务是利用PLC控制单元控制多台水泵，实现管网水压的供水。
“PLC+水泵机组+压力传感器”这种控制方式灵活方便。
具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。
在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I／O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。
因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求，所以本次设计采用基于PLC的控制方式。
1.5供水系统运行和原理
1.5.1系统原理说明
根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，故本次设计采用的“PLC+水泵机组+压力传感器”的控制方式。
系统主要的设计任务是利用控制单元控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的启动，同时还要能对运行数据进行传输。
系统运行原理图如图1-1所示。
图1-1系统运行原理图
本系统通过市政供水管道往蓄水池供水，供水时，通过LDM-8W电池供电无线水位计来传递实时的液位信息给PLC，通过PLC检测出压力信号给压力传感器，从而控制不同水压时的供水。
而四台水泵通过交流接触器与PLC连接，保证用户不同用水量的需求。
这种控制方式灵活方便。
具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换；通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各规模和要求不同控制系统。
在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和压力传感器的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PLC来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。
同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。
因此该系统能适用于各类不同要求的供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
1.5.2系统运行说明
本供水系统运行分为手动和自动运行：
1.手动工作时，四台水泵能独立操作，并且有过载保护，可通过相应水泵的闸刀开关切断对相应水泵的电源实现断电控制。
2.自动工作时，当用水量少时，压力增高，高压报警灯亮起并起蜂鸣，通过PLC控制水泵工作，切断相应水泵；当用水量多时，压力降低，低压报警灯亮起并起蜂鸣，通过PLC控制水泵工作，切断相应水泵；高低压报警均未亮时表示水压正常，可维持水泵持续运行。
工作时水泵数量最少一台，最多四台。
第2章可编程控制器的概述
2.1可编程控制器介绍
1969年，在美国出现第一台可编程序逻辑控制器（ProgrammableLogicController）以来，经过30多年的发展，现在已经成为一种最重要、高可靠性、应用场合最多的工业控制微型计算机。
它应用大规模集成电路、微型机技术和通信技术的发展成果，逐步形成具有多种优点和微型、小型、中型、大型、超大型等各种规格的PLC系列产品，应用于从继电器控制系统到监控计算机之间的许多过程控制领域。
可编程序控制器已和数控技术及工业机器人并列为工业自动化的三大支柱。
初期的PLC只是用于逻辑控制场合，代替继电器控制系统。
随着微电子技术的发展，PLC以微处理器为核心，适用于开关量、模拟量和数字量的控制，它已进入过程控制和位置控制等场合的控制领域。
目前，可编程序控制器既保留了原来可编程序逻辑控制器的所有优点，又吸收和发展了其他控制装置的优点，包括计算机控制系统、过程仪表控制系统、集散系统、分散系统等。
在许多场合，可编程序控制器可以构成各种综合控制系统，例如构成逻辑控制系统、过程控制系统、数据采集和控制系统、图形工作站等等。
2.2三菱FX系列介绍
三菱FX系列，是三菱PLC（可编程控制器）小型系列PLC。
目前主要分FX3G、FX3U、FX2N、FX1N、FX1S等系列。
FX系列PLC特点是一体机、高处理，可达365点开关量控制等。
2.2.1三菱FX系列PLC主要特点
1.小型·集成型
2.更高的性价比
3.高速化、高精度的控制（基本指令0.08μs/步）
4.高性能的内置功能（高速计数器、高速输入/输出等）
5.扩大控制点数，最大支持256点I/O
6.特殊单元的高性能化和高互换性
7.扩展通信端口,轻松地使用模拟量功能
8.扩充存储器容量
9.标准机种适合国际规格
2.2.2三菱FX系列PLC主要数据简介
在PLC内部结构和用户应用程序中使用着大量的数据。
这些数据从结构或数制上具有以下主要几种形式。
1.十进制数
十进制数在PLC中又称字数据。
它主要存在于定时器和计数器的设定值K；辅助继电器、定时器、计数器、状态继电器等的编号；定时器和计数器当前值等方面。
2.二进制数
十进制数、八进制数、十六进制数、BCD码在PLC内部均是以二进制数的形态存在。
但使用外围设备进行系统运行监控显示时，会还原成原来的数制。
一位二进制数在PLC中又称位数据。
它主要存在于各类继电器、定时器、计数器的触点及线圈。
3.十六进制数
十六进制数用于指定应用指令中的操作数或指定动作。
2.2.3三菱FX系列PLC基本指令
FX系列PLC有基本顺控指令20或27条、步进梯形图指令2条、应用（功能）指令100多条（不同系列有所不同）。
以FX2N为例，介绍其基本顺控指令和步进指令及其应用。
FX1N，FX2N，FX2NC共有27条基本顺控指令，2条步进梯形图指令。
三菱FX系列指令表如表2-1所示。
表2-1三菱FX系列指令表
指令助记符
名称
功能
LD
取
运算开始a接点
LDI
取反
运算开始b接点
LDP
取脉冲
上升沿检出运算开始
LDF
取脉冲
下降沿检出运算开始
AND
与
串联连接a接点
ANI
与非
串联连接b接点
ANDP
与脉冲
上升沿检出串联连接
ANDF
与脉冲
下降沿检出串联连接
OR
或
并联连接a接点
ORI
或非
并联连接b接点
ORP
或脉冲
上升沿检出并联连接
ORF
或脉冲
下降沿检出并联连接
ANB
回路块与
回路之间串联连接
ORB
回路块或
回路块之间并联连接
OUT
输出
线圈驱动指令
SET
置位
线圈动作保持指令
RST
复位
解除线圈动作保持指令
PLS
脉冲
线圈上升沿输出指令
PLF
下降沿脉冲
线圈下降沿输出指令
MC
主控
公共串联接点用线圈指令
MCR
主控复位
公共串联接点解除指令
MPS
进栈
运算存储
MRD
读栈
存储读出
MPP
出栈
存储读出和复位
INV
反转
运算结果取反
NOP
空操作
无动作
END
结束
程序结束
STL
步进梯形图
步进梯形图开始
RET
返回
步进梯形图结束
2.3可编程控制器的特点
一.可靠性高。
由于可靠性是用户选用的首位依据，因此，每个PLC生产厂都将可靠性作为第一指标而加以研制，以单片机为核心，在硬件和软件上采取大量的抗干扰措施，使PLC的平均无故障时间达到30万小时以上，使用寿命更长。
二.控制功能强。
PLC具有逻辑判断、计数、定时、步进、跳转、移位、记忆、四则运算和数据传送等功能，可以实现顺序控制、逻辑控制、位置控制和过程控制等。
三.编程方便，易于使用。
PLC采用与继电器电路相似的梯形图编程，比较直观，易懂易编，深受电气技术人员和电工的欢迎，容易推广应用。
PLC可取代原继电器控制系统，有利于对老设备的技术改造。
2.4可编程控制器的工作原理
2.4.1PLC的等效工作电路
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，但在应用时，可不必用计算机的概念去做深入的了解，只需将它看成是由普通的继电器、定时器、计数器、移位器等组成的装置，从而把PLC等效成输入、输出和内部控制电路三部分，如下图2-2所示：
图2-2PLC的等效工作电路
1.内部控制电路
这部分的作用是运算和处理由输入部分得到的信息，并判断应产生哪些输出。
内部控制电路实际上也就是用户根据控制要求编制的程序。
PLC程序一般用梯形图形式表示。
而梯形图是从继电器控制的电气原理图演变而来的，PIC程序中的动合、动断触点、线圈等概念均与继电器控制电路相同。
在PLC内部还设有定时器、计数器、移位器、保持器、内部辅助继电器等，继电器控制系统没有的器件，它们的线圈及动合、动断触点只能在PLC内部控制电路中使用，而不能与外部电路相连。
2.输入部分
这部分的作用是接受被控设备的信息或操作0命令等外部输入信息。
输入接线端是PLC与外部的开关、按钮、传感器转换信号等连接的端口。
每个端子可等效为一个内部继电器线圈，线圈号即输入接点号，这个线圈由接收到的输入端的外部信号来驱动，其驱动电源可由PLC的电源部件提供（如直流24V），也可由独立的交流电源（如交流110V）供给。
每个输入继电器可以有无穷多个内部触点（动合、动断形式均可），供设计PLC的内部控制电路（即编制PLC控制程序）时使用。
3.输出部分
这部分的作用是驱动外部负载。
在PLC内部，有若干能与外部设备直接相连的输出继电器（有继电器、双向硅、晶体管三种形式），它也有无限个软件实现的动合、动断触点，可在PLC内部控制电路中使用；但对应每一个输出端只有一个硬件的动合触点与之相连，用以驱动需要操作的外部负载；外部负载的驱动电源接在输出公共端（COM）上。
总之，在使用PLC时，可以把输入端等效为一个继电器线圈，其相应的继电器接点（动合或动断）可在内部控制电路中使用，而输出端又以等效为内部输出继电器的一个动合触点，驱动外部设备。
2.4.2PLC的工作过程
PLC一般采用循环扫描方式工作。
当PLC加电后，首先进行初始化处理，包括清除I／O及内部辅助继电器、复位所有定时器、检查I/O单元的连接等。
开始运行之后，串行地执行存贮器中的程序，这个过程可以分为如下四个阶段：
1.公共处理阶段
这部分在每次循环开始都要被执行，包括复位系统定时器、检查程序存贮器、检查I／O总线、检查扫描时间等。
如出现异常情况，则通过自诊断给出故障信号，或自行进行相应的处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提高系统的可靠性。
这部分时间是固定的，对P型机来说，为1.26ms。
2.执行外围设备命令阶段
当有简易编程器、图形编程器、打印机等外部设备与PLC相连时，则PLC在每次循环时，都将执行来自外部设备的命令。
3.程序执行阶段
在这个阶段，CPU将指令逐条调出并执行，即按程序对所有的数据（输入和输出的状态）进行处理，包括逻辑、算术运算，再将结果送到输出状态寄存器。
4.输入、输出更新阶段
PLC的CPU在每个扫描周期进行一次输入来进行输出更新。
CPU对各个输入端进行扫描，并将输入端的状态送到输入状态寄存器中；同时，把输出状态寄存器的状态通过输出部件转换成外部设备能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。
这种对输入、输出状态的集中处理过程，称为批处理，这是PLC工作的特点。
第3章系统硬件设计
3.1系统的构成
图3-1系统构成图
如图3-1所示，整个系统由四台水泵，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。
四台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，四台泵协调工作以满足供水需要；供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器（反馈0～5V电压信号）或压力变送器（反馈4～20mA电流）。
从系统构成图，我们可以看供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面、以及报警装置等部分组成。
一．执行机构
执行机构是由一组水泵组成，它们用于将水供入用户管网。
二．信号检测
在系统控制过程中，需要检测的信号包括自来水出水水压信号和报警信号:
1.水压信号:
它反映的是用户管网的水压值，它是供水控制的主要反馈信号。
2.报警信号:
它反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载等。
该信号为开关量信号。
三．控制系统
供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器（PLC系统）、电控设备两个部分。
1.供水控制器:
它是供水控制系统的核心。
供水控制器直接对系统中的工况、压力、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过接触器对执行机构（即水泵）进行控制。
2.电控设备:
它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组成。
用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换等。
四．通讯接口
通讯接口是本系统的一个重要组成部分，通过该接口，系统可以和组态软件以及其他的工业监控系统进行数据交换，同时通过通讯接口，还可以将现代先进的网络技术应用到本系统中来，例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。
五．报警装置
作为一个控制系统，报警是必不可少的重要组成部分。
由于本系统能适用于不同的供水领域，所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行，防止因电机过载、电网过大波动、供水水源中断、出水超压、泵站内溢水等等造成的故障，因此系统必须要对各种报警量进行监测，由PLC判断报警类别，进行显示和保护动作控制，以免造成不必要的损失。
3.2系统主要硬件设备的选型
3.2.1PLC的选型
PLC是整个供水控制系统的核心，它要完成对系统中所有输入信号的采集、所有输出单元的控制以及对外的数据交换等功能。
因此我们在选择PLC时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素，以日本三菱PLC为例，该PLC有FX、A、Q三大系列，在FX系列中又有FX1S，FX1N和FX2N三种型号。
依据控制任务，从PLC的输入／输出点数、存储器容量、输入／输出接口模块类型等方面等来选PLC型号。
在供水系统的设计中，我们选择三菱FX1N-40MR-001型PLC。
1.FX1N-40MR-001的主要参数
I／O点数：
24／16；
基本指令：
27条；
功能指令：
298条；
基本指令执行时间：
0.55-0.7微秒；
用户程序步骤：
8K；
通信功能：
强；
输出形式：
继电型；
输出能力：
2A／点；
三菱FX1N-40MR-001是三菱电机推出的功能强大的普及型PLC。
具有扩展输入输出，模拟量控制和通讯、链接功能等扩展性。
是一款广泛应用于一般的顺序控制三菱PLC。
2.三菱FX1N-40MR-001PLC特点
三菱FX1N-40MR-001PLC拥有相当快的速度，FX是从16路到256路输入/输出的多种应用的选择方案；FX1N系列是小型化，高速度，高性能和所有方便都是相当于FX系列中高档次的超小形程序装置。
除输入输出16-25点的独立用途外，还可以适用于在多个基本组件间的连接，模拟控制，定位控制等特殊用途，是一套可以满足多样化广泛需要的PLC。
三菱FX1N-40MR-001在基本单元上连接扩展单元或扩展模块，可进行16-256点的灵活输入输出组合。
可选用16/32/48/64/80/128点的主机，可以采用最小8点的扩展模块进行扩展。
可根据电源及输出形式，自由选择。
程序容量：
内置800步RAM（可输入注释）可使用存储盒，最大可扩充至16K步。
丰富的软元件应用指令中有多个可使用的简单指令、高速处理指令、输入过滤常数可变，中断输入处理，直接输出等。
便利指令数字开关的数据读取，16位数据的读取，矩阵输入的读取，7段显示器输出等。
数据处理、数据检索、数据排列、三角函数运算、平方根、浮点小数运算等。
特殊用途、脉冲输出（20KHZ/DC5V，KHZ/DC12V-24V），脉宽调制，PID控制指令等。
3.2.2水泵机组的选型
水泵机组的选型基本原则，一是要确保平稳运行；二是要经常处于高效区运行，以求取得较好的节能效果。
要使泵组常处于高效区运行，则所选用的泵型必须与系统用水量的变化幅度相匹配。
本论文以某大楼的实际生活用水的数据进行选型，该大楼用水具体要求为：
1.由多台水泵机组实现供水，流量范围600m2／h，扬程60米左右，出水口水压大小为0.4Mpa；
2.设置一台水泵作用于小流量时的供水；供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小；
3.系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能。
4.具有完善的过载保护功能，系统要求较高的经济运行性能。
根据以上系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设计供水压力（水泵扬程），考虑到用水量类型为连续型低流量变化型，确定采用4台上海熊猫机械（集团）有限公司生产的SFL系列主水泵机组。
表3-1水泵机组主要性能参数表
型号
数量
主要性能参数
流量m2/h
扬程m
效率%
转速r/min
电机功率kw
余量m
进出口径mm
水泵机组
150sfl160-20x4
4
160
80
73
1450
55
2.9
150
3.2.3压力传感器的选型
压力传感器是供水系统中的主要传感器。
PLC自动控制水泵的工作情况的信息全部来自压力传感器，它必须要有很高的可靠性，如果压力传感器出错，将会带来灾难性的事故，很可能是管道爆裂或者是水压不足，造成居民用水的不方便，因此压力传感器的选用很关键。
水压传感器，厂家采用进口高精度感应芯体，先进的贴片工艺，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成0～5VDC标准电信号。
采用全不锈钢封焊结构，具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。
广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制。
根据供水系统的具体的要求，我们选择佛山一众传感仪器有限公司的水压传感器PY206。
一.产品概述及特点：
1.采用进口感压芯片；
2.先进的贴片工艺，具有零点、满量程补偿，温度补偿；
3.高精度和高稳定性放大集成电路；
4.全封焊结构、抗冲击、耐疲劳、可靠性高；
5.输出信号多样化（有电流型、电压型）；
6.结构小巧，安装方便；
7.采用高温补偿最高介质温度可达350度；
二.产品主要参数：
1.量程：
-100KPa-0.6Mpa～60Mpa～120Mpa间任意可选（量小量程为0.6MPa,量大量程为120MPa）
2.输出：
4～20mA（二线制）、0～5VDC、0～10VDC、0.5～4.
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