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 11 供水方案论证 21.1 供水系统方案确定21.2 变频供水系统构成确定21.3 恒压供水系统的原理31.4 变频恒压供水系统分析41.5 变频恒压供水系统的优点41.6 变频调速恒压供水设备的主要应用场合52 设备选定 72.1 用水量计算及水泵的选型72.2 可编程控制器的选取92.3 PLC 安装位置确定113 程序设计机参数设定 113.1 程序设计方法选取113.2 顺序功能图设计113.3 PLC I/O 分配表123.4 程序设计133.5 MicroMaster440 变频器参数设置184 总结 205 致谢 216 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Ml 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Ml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，Ml、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：Q = KQ/Thh d式中Q-最大小时生活用水量（m3/h）；hQ-最高日用水量（ms/d）；dT-每日（或最大班）使用时间（h/d）；K-小时变化系数，可取2。h贝V： Q K Q /T=K m Q /100T=2*1800*300/（1000*24）=45 （ms/h）h= h dh d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 （ms/h）的水泵，总流量 为64 （ms/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FUKSIPM16A10 (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100WGF25-1.8(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)(m”h)(L/S)350LG18-20*5(LG-B)5185100691129501800150LG18-20*3(LG-B)318560695.5295015002.2 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S7-200 PLC,它可提供4个不同的基本型号的8种CPU。1. CPU单元选择：CPU 221具有6个输入点和4个输出点，CPU 222具有8 个输入点和6个输出点, CPU 224具有14个输入点和10个输出点, CPU 224XP 具有14个输入点和10个输出点, CPU 226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），CPU 221, 222 具有 180mA 输出，CPU 224，CPU 224XP，CPU 226 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STEP 7-Micro/WIN32 V3.1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PLCS7-2001台3312 （元/台）变频器MicroMaster 4401台3668 （元/台）压力变送器WP系列1个620 （元/个）水泵50LG18-20*53台1800 （元/台）50LG18-20*31台1500 （元/台）气压罐HS1个1300 （元/个）止回阀H42Y4个300 （元/个）水管外径130mm壁厚5mm20068 （元/m）截止阀J61W-8001120 （元/个）总价18580 元2.3 PLC 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055，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 1055Hz 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）3.3 PLC I/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10.0启动气压罐供水10.2手动控制水泵Ml变频工作10.3手动控制水泵Ml工频工作10.4手动控制水泵M2变频工作10.5手动控制水泵M2工频工作10.6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Ml变频工作Q0.3水泵Ml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.主程序编写网络1网络标题网络注釋SM0.1M0.1M0.0TT，1T )TM0.01INTONPT1 msT37INTONPT100 msMD14I、D 11I58.0T321I11IMTUI-J1 ms1+2 -inPTM0.7DIV_RENENOIN1OUTIN2符号地址连释INT OINTO中断程序注釋3.5 MicroMaster440 变频器参数设置1.复位为出厂缺省设置值P0010=30 P0970=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18P0700=5选择数字命令信号源=5P0705=99数字输入5 的功能=99P0849=722.4第二个 OFF3 停车命令=722.4P1000=5频率设定值的选择=5P1120=2S斜坡上升时间 2SP1121=1S斜坡下降时间 1SP1135=0.680.58S 0FF3的斜坡下降时间0.680.58S（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14 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 参考文献过程检测1 宋书中. 交流调速系统.机械工业出版社.2009.1 2王燕. 与仪表控制.清华大学出版社.2006.73 黄坚自动控制原理.高等教育出版社.2001.74 陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社.1992.55 宋伯生.PLC编程实用指南机械工业出版社.19966 中华人民共和国建设部 . 建筑给水排水设计规范 .20037 廖常初. PLC 编程及应用 . 机械工业出版社.2005.5