高层建筑恒压供水控制系统设计Word文件下载.docx
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人们曾经尝试过多种多样的供水方式，直到恒压供水技术出现以前。
恒速泵+水塔的供水方式曾经被广泛应用。
需要投入的工程面积大，水质不能够得到保证，投资多，水压恒定也没有办法实现，极大地影响了居民的生活质量。
如果采取阀门控制调节流量来维持管压，那么将会有大量的电能浪费，这对于住户也是一个不可取因素。
这种方式下，当水泵电机直接工频起动或者制动，就会带来水锤效应，对管网、阀门等也具有破坏性的影响。
近些年以来，出现了一种新型成熟的交流电机无极调速技术——变频调速技术。
据统计，如果把变频调速技术用在供水行业中，不仅能够实现恒压，而且节能效果相当可观，这也很好地响应了国家“节能减排”的倡导。
变频恒压供水系统同其它供水方式相比较，除了具有显著的节能效果外，还有以下的显而易见的优势：
1、通过设置变频器参数，直接改变的是电动机的变频输入电源频率，间接则达到了调节水泵转速，改变了水泵出口压力，比靠调节阀门的控制方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。
2、当水泵工作在变频模式，它的出口流量大于额定流量时，可以控制水泵降低转速甚至，避免了水泵持续高负荷工作，降低了维护费用，延长了使用周期。
3、水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成水泵系统的喘振，彻底消除水锤现象。
4、设计了恒压自动控制模式，同时可以与上位机通讯，上位机可以实时显示供水的压力或液位，因此不需要操作人员频繁在一线操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力管理成本。
1.2系统的功能要求
任务是设计一套具有上位机监控功能的高层建筑物恒压供水系统的控制部分，主要针对高层建筑物。
需要实现的功能是用户用水量的发生变化时，控制系统随之进行水泵的工频/变频控制，须保持供水水压恒定。
计算机监控部分要主要实现的功能有：
水泵工作状态的实时显示、供水水压的监控和发生火灾时的报警显示。
可编程控制器有两方面的作用：
一是控制变频器和用水高峰期补水泵和消防紧急用水辅助泵的工作；
二是把系统的输入、输出量、传感器采集的数据等各种寄存器用RS485传给上位机，实现计算机对系统运行状态的监控。
使用压力传感器对供水水压进行连续检测，原理是压电转换，检测到的压力信号转换成0～10V电压信号后送给可编程控制器（PLC），PLC通过PID运算梯形图程序进行数据处理。
处理后，数据通过通讯传给变频器，控制主水泵电机的运行频率，从而调节供水量。
1.3课题研究方法
（1）通过大量实验，对西门子S7-200系列PLC、MICROMASTER420变频器的原理和功能有了一定的了解，为自己的设计提供了详实有据的参考。
（2）充分利用图书馆的相关资料、中国知网的文献以及通过网络查询，对本课题进行足够深的了解，积累了丰富的参考资料，为具体模块的电路设计提供了充足的理论准备。
（3）以本设计需要实现的功能出发，向指导老师请教，从已有的设计案例中，学习选择，取人所长，尽最大努力实现功能要求，同时发现有待开发的附加功能。
第2章系统设计的原理与基本结构
2.1系统功能需求分析
本系统以西门子S7-200PLCCPU226为核心，对于高层建筑实现恒压供水。
系统需要的主要技术指标如下：
（1）实现45米高，180居民的住宅楼给水，包括生活、消防用水；
（2）当用户用水量变化时，允许系统存在供水压力波动，但须在±
2％之内；
（3）在上位机上可以显示系统供水压力和系统运行状态。
2.2可行性理论分析
本次设计的高层建筑恒压供水系统需要适用于生活用水以及消防用水的供水要求，设计时需要考虑以下因素:
（1）供水系统的控制对象是用户供水管网的水压，它是一个过程控制量，对控制作用的响应具有滞后性。
（2）不同的用户在用水量和用水扬程等方面存在着较大的差异，在系统硬件选型、设计、制作时，需要考虑到最大用水量和用水扬程。
（3）在变频恒压供水系统中，如果单单采用一台泵作常用泵，那么长期高负荷的工作将会损坏设备，因此需要设计“倒泵”功能，即水压持续过高时，断开一台常用泵，另一台水泵变频工作。
（4）由于系统还需实现显示和监控等功能，所以水泵的电气控制柜，应该设计具有远程数据通讯接口，供水的相关数据进行实时传送，然后与组态监控软件相连。
为方便远程操作，PLC与变频器最好用USS通讯。
（5）假如压力传感器检测到的水压持续大于设定值，那么需要考虑切除水泵运行的梯形图程序，不然会产生很大的管道维护费用。
2.3总体方案设计
高层建筑恒压供水系统的设计，主要包括三个方面，硬件电路的简单设计、PLC电气控制部分以及组态监控界面的设计，系统组成如图2.1。
硬件电路的结构、设备组成都比较固定，由压力传感器、供水管道、水泵、三相电机、变频器及其他辅助设备组成；
PLC电气控制部分采用西门子S7-200系列PLCCPU226；
组态监控界面采用组态王进行设计，上位机通过RS485线与PLC进行连接，实现功能调试、实时监控。
电脑
2.4各模块方案设计
2.4.1水压采集
通过压力传感器，将水压转化为0~10V电信号，传入EM235模拟量扩展模块，在PLC主机中进行数据处理后，传给MICROMASTER420变频器控制三相电机。
水压变化是系统的控制输入量，它的准确度直接决定了系统的精度和可靠性，因此，压力传感器的选型至关重要。
2.4.2PLC控制部分
本系统中PLC控制部分主要涉及两个方面：
信号输入和控制信号输出。
（1）信号输入：
开关量输入：
是手动工作方式下的输入检测，包括启动按钮、急停按钮、水泵工频运行按钮、水泵变频运行按钮，方便系统的维修检测。
管道水压输入检测：
该输入信号为模拟量输入，当压力值偏低时，供水量不够，需要增加水泵的转速；
当压力值偏高时，水量供大于求，需要降低水泵的转速，同时工频状态的水泵延时工作一段时间；
时间到，压力值仍然偏高，那么停止这台工频水泵，最后使得供水管道内的水压趋于恒定。
（2）控制信号输出
数字量输出：
包括控制水泵工频运行、变频运行等交流接触器的启动、停止信号。
通信输出：
利用PLC的PID运算指令，将采集到的水压转为标准值，该标准值作为控制信号输入到MM420变频器的通信端口。
变频器的输出功率改变，便控制了水泵的转速。
2.4.3组态监控部分
组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的PLC、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等（如：
西门子PLC、莫迪康PLC、欧姆龙PLC、三菱PLC、研华模块等）通过常规通讯接口（如串口方式、USB接口方式、以太网、总线、GPRS等）进行数据通讯[2]。
采用组态王软件开发监控项目，能够极大限度地增强用户生产控制能力、保证产品的质量、降低成本和能耗。
2.5设计框图
根据以上的功能分析和方案设计，可以得出，系统总体设计框图如下：
PLC
操作面板
水泵组
变频器
压力传感器输入
模拟量输入
图2.2系统总体框图
第3章硬件设计
3.1硬件选型
3.1.1PLC及其扩展模块选型
根据高层建筑恒压供水系统以上的功能需求，从可靠性、经济性、可开发性等方面考虑，选择西门子S7-200系列的PLC作为本系统的核心控制器。
又因为高层建筑恒压供水系统的输入/输出端口较少，但控制过程比较复杂，所以选择CPU226作为控制系统的主机，它的主要特性如表3.1所示：
表3.1S7-200系列PLCCPU226主要特性
此外，还需用到模拟量输入/输出模块EM235，该模块内含有A、B、C、D4路模拟量输入口和一路模拟量输出口，对应的功能是4路模拟量输入和1路模拟量输出。
图3.1介绍的是模拟量扩展模块的接线方法，X表示的是4路模拟量输入的任意一路，如果输入的是电压信号，那么需要把正极接入X＋端口、负极接入X－端口；
如果输入的是电流信号，需要将RX和X＋短接处理后接入电流输入信号的“＋”端口[3]。
对于没有连接传感器的通道，需要把X＋和X－进行短接处理[3]。
EM235模块常用特性如表3.2[3]。
图3.1EM235模块接线图
表3.2EM235的常用特性
使用EM235扩展模块时，还需注意DIP开关的设置，如表3.3所示。
表3.3用DIP开关设置EM235扩展模块
3.1.2变频器选型
在控制三相交流电动机速度的领域里，MICROMASTER系列变频器是使用最多而且性价比最高的。
本变频器由微处理器控制，具有缺省的工厂设置参数，它是给众多简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置[5]。
因此，我们可以把它用于更高级的电动机控制系统，前提是设置电机的额定电压、功率、转速以及USS通讯部分的相关参数。
MICROMASTER既可用于单机驱动系统，也可集成到“自动化系统”中，主要优点有以下几个方面：
（1）结构紧凑，易于安装和调试[5]
（2）牢固的EMC设计[5]
（3）对控制信号的响应是快速和可重复的[5]
（4）参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置[5]
（5）采用模块化设计，配置非常灵活[5]
（6）脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低[5]
（7）详细的变频器状态信息和信息集成功能[5]
（8）有多种可选件供用户选用：
用于与PC通讯的通讯模块，基本操作面板（BOP），高级操作面板（AOP），用于进行现场总线通讯的PROFIBUS通讯模块[5]
（9）磁通电流控制（FCC），改善了动态响应和电动机的控制特性[5]
（10）快速电流限制（FCL）功能，实现正常状态下的无跳闸运行[5]
（11）内置的直流注入制动[5]
（12）加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能[5]
（13）具有比例，积分（PI）控制功能的闭环控制[5]
（14）多点V/f特性[5]
（15）过电压/欠电压保护[5]
（16）变频器过热保护[5]
3.1.3压力传感器选型
设定供水压力经验数据：
平房供水压力P=0.12MPa；
楼房供水压力[5]：
P=（0.08+0.04×
楼层数）MPa
根据45米楼层高度，楼层数为15，则P=（0.08+0.04×
15）=0.68MPa。
压力传感器选用诺仪牌NY-BPS308V0-10扩散硅压力传感器，该压力传感器准确度高，稳定性好，体积小，重量轻，安装、调试、维护方便，适用于测量无较强腐蚀性的液体、气体、粘稠流体等。
表3.4所示为它的常用参数。
表3.4NY-BPS308V0-10扩散硅压力传感器参数
测量范围
输出信号
电源电压
接口尺寸
防爆等级
防护等级
-100--120000（kPa）
0-10V电压信号
24（V）
M20*1.5（mm）
Ex（ia）ⅡCT6
IP65
3.1.4水泵选型
水泵的选型，要从输送流量、扬程、管网布置等因素出发。
输送流量直接关系到整个系统的运行能力。
选择时，需根据最大流量同时兼顾正常流量。
扬程一般要用放大5%——10%余量来选择。
通过查阅文献，得到2000——2012年全国用水总量情况及2000——2012年全国用水结构[6]，分别如图3.2、3.3。
图3.2
图3.3
2012年我国人口总数13.54亿，可以算出人均日生活用水量为：
728.8÷
（13.54×
366）≈0.147
。
180户居民，平均一户4人，则一天总用水量为：
0.147×
180×
4=105.84
考虑到一些不可控因素，选择总用水量为120立方米。
由于居民生活用水存在高峰期，一般为12时到2时、19时到21时，总共5个小时，则水泵的最大流量为120÷
5=24
/h。
根据楼高45米，可以选择扬程为60米的水泵。
即选择的水泵为GDL型65GDL24-12×
5立式多级管道离心泵，如图3.4。
该款水泵的技术参数如下：
流量：
24
/h；
扬程：
60m；
功率：
7.5kw；
吸程：
6m；
转速：
2900r/min；
工作压力：
≤2.5Mpa。
图3.4水泵实物图
3.2资源分配
3.2.1PLC的I/O分配
（1）数字量输入
本系统中，需要的数字输入量共10个，包括各种控制按键、开关等，如表3.2所示。
表3.5数字量分配
（2）模拟量输入
因为采集了压力传感器反馈的数据，所以模拟量从EM235模块输入，具体分配如表3.6。
表3.6模拟量分配
输入地址
输入设备
AIW0
压力传感器
（3）数字量输出
系统主要的输出设备有6个交流接触器，分配如表3.7。
表3.7数字量输出分配
输出地址
输出设备
Q0.0
1#泵工频接触器
Q0.3
2#泵变频接触器
Q0.1
1#泵变频接触器
Q0.4
3#泵工频接触器
Q0.2
2#泵工频接触器
Q0.5
3#泵变频接触器
3.2.2MICROMASTER变频器参数分配
在本控制系统中，PLC和MICROMASTER变频器采用了USS通信方式，首先需要对变频器的参数进行设置，如表3.8所示。
表3.8变频器参数设置
3.3电路接线图
主电路部分使用了6个交流接触器，每两个交流接触器作为一组，分别对应电机的两种工作模式：
工频运行和变频运行。
KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3工频交流接触器，KM0、KM2、KM4分别为电动机M1、M2、M3变频变频交流接触器。
热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中起到的作用是电动机的过载保护。
熔断器（FU）作为电路中的一种简单的短路保护装置,在使用中，当电流超过允许值时，产生的热量会把和主电路串接的熔体熔化，这样就可以切断电路，防止电气设备短路和严重过载。
图3.5主电路接线图
控制电路部分如图3.6所示：
图3.6控制电路接线图
第4章软件设计
4.1软件设计的常用方法
PLC控制程序是整个系统的核心，程序的质量直接影响着控制系统的性能。
PLC控制程序设计具有一定的规律可循，对于一些特定的功能通常有相对固定的设计方法。
（1）采用移植设计法的应用程序设计：
移植设计法主要是用于对原有机电控制系统进行改造[3]。
PLC取代“继电器接触器”控制已是大势所趋，然而原有的“继电器接触器”控制系统经过了长期的使用和考验，已被证明完全能够完成系统的控制功能要求[3]。
因此，可以将“继电器接触器”电路图经过适当“翻译”，转化为有相同功能的PLC梯形图程序，这种方法称为“移植设计法”[3]。
（2）采用经验设计法的应用程序设计：
经验设计法，即在一些典型的控制电路程序的基础上，根据系统功能要求，进行选择组合，并反复调试和修改梯形图，有时需增加一些辅助触点和中间编程环节，才能达到控制要求[3]。
经验设计法无规律可循，一般用于较简单的程序设计[3]。
（3）采用逻辑设计法的应用程序设计：
逻辑设计法是以逻辑组合或逻辑时序的形式来设计梯形图程序，可分为组合逻辑设计法和时序逻辑设计法两种[3]。
这种方法既具有严密可循的规律、明确可行的设计步骤，又具有简便、直观和十分规范的特点[3]。
（4）采用控制功能图设计法的应用程序设计：
如果一个系统可分解为若干个独立的控制动作，且这些动作必须严格按照一定的先后次序执行才能保证生产过程的正常进行，这样的控制系统为顺序控制系统[3]。
控制功能图设计法就是针对顺序控制系统的设计方法，根据顺序控制系统的功能要求，编程可以使用通用逻辑指令、置位/复位指令、SCR指令等不同的方法设计出顺序功能图，然后可以很方便地将功能图转化为PLC梯形图[3]。
4.2程序流程图
本系统的软件开发采用顺序功能图设计法进行，包括以下几个程序模块：
（1）USS通讯协议程序；
（2）控制按键、开关的识别与控制程序；
（3）压力传感器的数据采集、处理程序；
（4）PID回路控制程序。
本设计通过软件所要实现的主要功能是：
基于日后系统的检测维修、降低操作员劳动强度等方面的考虑，作者把控制过程分为手动模式和自动模式，模式选择流程图如图4.1所示。
手动模式下，每个设备能够单独运行，便于设备性能的测试与设备维护，如图4.2。
开始
否
手动控制？
是
自动模式
手动模式
图4.1模式选择流程图
图4.2手动模式流程图
系统供电且自动控制开关按下时，系统处于自动控制状态，可进行高效率的生活用水供给，工作过程分为以下几个方面，生活供水工作流程图如图4.3所示。
（1）系统上电后，按下自动控制开关，进入自动模式。
（2）变频启动1#泵，同时压力传感器开始检测管内压力。
（3）管内压力小于设定值，变频启动2#泵，1#泵工频工作；
大于设定值，水泵变频调节。
（4）管内压力大于设定值，1#、2#泵工频工作；
小于设定值，1#泵变频、2#泵工频工作。
（5）管内压力仍大于设定值，断开1#泵；
小于设定值，2#泵变频，1#泵工频。
变频器启动1#泵
管内水压小于设定值？
1#泵变频工作，
工频启动2#泵
管内水压大于设定值？
1#泵、2#泵工频工作
1#泵工频工作，2#泵变频工作
2#泵工频工作，1#泵停止
图4.3自动模式生活供水流程图
突发火灾，需要紧急消防供水时，消防按钮按下，压力传感器反馈值小于设定值，3#泵变频启动，消防供水流程图如图4.4所示。
需要注意的是，1#泵、2#泵仍按照生活供水流程图工作，即三台泵共同保障供水。
消防按钮按下
工频启动3#泵
反馈值大于设定值？
断开3#泵工频
图
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