毕业设计（论文）PLC高、低压无塔供水系统

本科生毕业设计（论文）摘 要本系统的主要内容是将PLC控制网络技术、计算机控制技术应用于工程实践中，以人们的生活用水、消防高压用水为被控对象，将PLC控制技术、计算机控制技术、自动化技术融合于系统中。该统改变了以前生活和消防两套独立供水的模式，同时克服了传统有塔有箱供水方式的缺点，是一种节能、占地少、投资小、系统安全可靠、维护和管理方便的供水控制系统。本系统基于变频器内置Pm调节系统，以管网的压力变送器压力信号作为反馈信号，由上位机发出的当前状态作为给定输出，调节生活供水压力使其保持低恒压状态;当火灾发时，调节系统管网压力为高恒压状态。同时，系统设计考虑了夜间低流量状态下，水泵机组停运行，由气压罐进行低流量供水，保证了系统避免频繁启停，同时保证水泵的高效运行。基于供水系统和消防系统构筑了一个DCS集散系统。2台变频器和PLC作为下位机设备，工控机作为上位机集中控制，上下位机之间通过通讯，把系统当前状态、当前给定通过上位机来综合判断，并通过上位机以汉化界面形式予以显示，而下位机的变频部分则实现管网的恒压功能，PLC实现4台水泵机组逻辑控制和定期巡检，及部分故障综合报告。关键词：生活和消防用水；恒压；通讯 AbstractThe main content of this thesis is the practice for using programmable logic controller(PLC) and computer controller. The system combines the PLC, computer controller, and automatic technology in order to control the living water supply and fire fighting water supply. The system is with the virtue of energy saving, smaller volume, lower investment, higher reliability and easier for maintenance and manage compared with the traditional water supply method with tower and bank.The system is based on the inner PID regulate function of frequency converter to regulate the living water stress with low constant stress, and the stress signal is sensed by the stress translator as feedback signal and the construction is sent by the computer as the given signal. The water stress is regulated to high constant stress when the fire happens. The system is also designed to supply the water by air pot with low flux at night when the demand of water decreases and pump is stopped. The design avoids the system working and pausing frequently and assures the system working with high efficiency A distributed control system is built based on the water supplying system and the fire fighting system. Two ABB frequency converters and a Siemens programmable logic controller(PLC) are with the lower-level computer and Industry computer are with the host computer. The communication between with the host computer and low-level computer not only translate the system condition, but also send the control instruction. The system condition is shown with Chinese window in the host computer, and the constant stress function is realized through the frequency converter part. The PLC controls the system logic and check the system with constant period. The fault report is also given through PLC.Key words: Water supply for living and fire fighting; Constant stress; Communication目 录第1章 绪 论11.1 双恒压供水系统的目的和意义11.2 消防和生活供水的特点11.2.1 生活和消防供水方式的讨论21.2.2 生活和消防供水的实现51.3 目前高楼的供水模式61.3.1 恒速泵直接供水61.3.2 高位水箱供水61.3.3 气压罐供水7第2章 方案设计82.1 控制系统的组成82.1.1 供水系统的组成82.1.2 系统设计方案功能总体说明92.2恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理102.2.1 双恒压供水系统工作原理102.2.2 调速泵系统构成122.2.3 双恒压系统的优点132.3变频器142.3.1 变频器输入、输出接口142.3.2 变频调速恒压系统的基本特点15第3章 系统硬件设计173.2 PLC输入、输出I/O口分配173.2.1 输入口173.2.2 输出口183.3控制系统功能介绍193.4 恒压系统PLC流程图193.5 控制系统编程的可靠性243.5.1优先程序的设计253.5.2 故障检测程序的设计253.5.3 联锁控制程序的设计26第4章 系统软件设计284.1 概 论284.2通讯系统的总体构成284.2.1 PLC通讯程序294.3通讯控制协议344.3.1系统的通讯原理344.3.2 系统的软件实现354.4系统说明37第5章 系统调试385.1变频器的关键参数设定故障处理385.1.1变频器有关参数设定385.1.2 装置类故障395.2 PLC的调试40第6章 结 论42参考文献43致 谢45附 录46附 录50IV第1章 绪 论随着社会的高速发展，城市的高层建筑越来越多，高层建筑的供水愈加显得重要。供水系统一旦失控，必将给人们的工作和生活带来麻烦，甚至造成巨大损失，并且，随着城市建设的发展，由市政给水管网所提供的水压一般满足不了高层建筑给水及消防系统的要求。为此，设计一套安全、可靠、高质量的生活、消防供水系统给高层建筑供水，己显得迫在眉睫。1.1 双恒压供水系统的目的和意义变频调速双恒压系统(以下简称双恒压系统)，是现今高楼供水的一个新兴的课题。首先，它把传统的消防、生活两套供水系统综合在一个系统中，通过特殊的方法，兼顾生活、消防各自供水的特点和差异性，既能保证正常情况下高质量生活供水，又能保证消防状态下可靠的消防水源。其次，双恒压供水系统，能根据不同的季节，不同的供水时段，以及各种意外的情况做出反映，保证系统管网的恒压，减少供水欠压和过压两种不合理现象。改变了传统的恒速泵，或水塔、水箱供水方式的缺点;也避免了像水塔或水箱二次污染的可能，使设备和系统平稳和可靠，同时节能显著。此外，构造这样一个控制系统可减小占地面积，降低一次性投资，系统安全可靠，维修管理方便。本论文就如何构筑这样一个系统提出了一套较完备的方案，对此方案的实际运用，做了较深入的理论探讨，并结合工作实际，做了一套切实可行的系统。1.2 消防和生活供水的特点传统的消防、生活供水方式是分别独立的两套系统，这样既不经济又不合理，而且在真正发生火灾时，系统的可靠性使人置疑，并且人为地增加投资成本和运行费用。合理选择给水系统对住宅给排水的设计尤为重要。中国工程建设标准化协会标准居住小区给排水设计规范 (CECS57:94)中明确规定:多层建筑居住小区，应采用生活消防共用的给水系统。同样，对于多层住宅建筑内的生活给水与室内消火栓给水系统的共用，则有利于给水系统的技术和经济优化。多层住宅建筑的生活、消防给水系统的设置目的和运行方式不同。消防用水必备但不常用，是应急使用系统，力求简单，应尽可能减少设备:生产(生活)用水是常用系统，但所需水量时大时小。如合理地采用加压供水系统，并使消防、生活供水系统有机结合，则可以大大减少不必要的投资。1.2.1 生活和消防供水方式的讨论1.多层住宅建筑生活、消防给水系统的设置特点根据建筑设计防火规范(GBJI 6-87)修订本的规定:超过7层的单元式住宅，超过6层的塔式住宅、通廊式住宅、底层设有商业网点的单元式住宅应设室内消防给水。故需设室内消火栓给水系统的多层住宅建筑通常是指79层的居住建筑。多层住宅的生活给水系统常有市政直接给水、屋顶水箱给水、变频泵或气压设备给水。生活给水系统的压力不高，不必竖向分区。而79层的住宅建筑一般设有屋顶生活水箱，其生活、消防给水系统常采用水池水泵水箱给水方式。生活水池可以设在多层住宅的地下室内，也可以集中设置在多层居住建筑的小区内。另一种是采用水池变频泵给水方式，屋顶可不设水箱。多层住宅内的室内消火栓用水是为5L/s。其生活用水量往往大于室内消火栓用水量，特别是小区内共用给水系统时，消防用水量占生活用水量很小的比例。但是，消火栓需要有一定的充实水柱，故消火栓给水的扬程要高于生活给水。2.设水箱的多层住宅内生活消防用给水系统这种给水方式是市政给水进入生活水池后，由水泵提升到屋顶水箱，从屋顶水箱供给生活用水，消防给水的管网与生活给水管网共用，火灾时启动消防泵供水如图1.1所示。图1.1 设屋顶水箱的生活消防共用给水系统屋顶水箱内储存生活用水和每分钟10立方米的消防用水，并分别与生活、消火栓管路相连。水泵采用3台，一台用于保证平时的生活给水，一台用于保证消防给水，另一台作为备用，它可以为生活或消防任何一台的备用，其工作能力按生活、消防给水的最不利设计。生活水池在设计中除了考虑平时生活给水的贮水量要求外，还应保证可靠的两种进水或设置满足消防给水量的容积。采用这种给水系统的优点在于节省投资，特别是可以满足自来水部门对每栋住宅允许一根进水管的要求，以利于管理。生活消防共用给水系统最适用于居住小区使用，其水泵可集中设置在室外或地下室。生活水泵的启动由屋顶水箱的水位控制。消防水泵的启动由消火栓旁的按钮控制。由于生活消防共用了一套管网系统，按建筑设计防火规范中第8.6.3条的规定，“发生火灾后由消防水泵供给的消防用水，不应进入消防水处”。因此，该给水方式必须在消防时关闭屋顶水箱进水管，由消防泵直接向消火栓供水。过去在屋顶水箱的进水管路上设置电动阀，在消防泵启动的同时关闭该电动阀。然而，由于住宅电路来控制阀的开启往往不可靠。现推荐采用一种水力驱动的控制阀，暂称紧急关闭阀。它是利用生活、消防两种给水工况的给水压力不同，即消防给水的压力要高于生活给水压力，自动控制水箱进水的关闭。紧急关闭阀在平时低压时，阀门处于常开状态，让水流进入水箱供应生活用水;在消防高压时，阀门紧急关闭，切断屋顶水箱的进水，保证消火栓用水的供应。当消防结束，压力恢复到生活给水压力时，阀门又处于常开位置。紧急关闭阀是由压差来控制启闭的水力阀门。其启闭压差可以为0.03O.O5Mpa。生活消防共用给水系统中该阀的压力设定范围可通过计算确定或现场调试。在设计中，还应标示出紧急关闭阀的方向，不得反装，并应与减压阀一样在紧急关闭阀前需设过滤器，还应在其前后安装阀门或蝶阀。在住宅建筑的安装中，还须考虑防冻。图1.2 不设屋顶水箱的生活消防共用给水系统3.不设水箱的多层住宅室内生活消防共用给水系统如图1.2所示，根据住宅设计规范利用同一套给水管网供生活和消防给水系统使用，不设屋顶水箱，采用变频泵作为生活给水泵。不设屋顶水箱由变频泵直接供水的给水方式，若再专设一只消防专用水箱在住宅顶部也不尽合理。这主要是因为，由于消防与生活管网合在一起，消防专用水箱对生活的水质卫生不利，且不便管理维护，也给建筑的屋面处理带来一定的困难。而这类住宅不设消防水箱的做法与现行的建筑设计防火规范有一定的冲突。但是，根据79层住宅防火设计的特点，结合所在地区的消防特点及灭火装备，合理使用这种给水方式具有一定的意义。上海市消防局于1999年5月发布的住宅建筑设计防火暂行规定)中指出：“9层及9层以下的住宅采用小区变频供水系统时，可不设屋顶消防水箱。当消防与生活合用泵时，该泵的流量应为生活消防用水量之和，变频泵不低于二级负荷供电，这就为该系统的运用创造了条件。4讨论1)生活消防共用给水系统是一种技术经济可行的给水方式从以上两种类型的共用给水系统分析，共用给水系统充分发挥了经济性，减少了住宅投资的成本。对于集中水泵房，在室外总体上仅设一路生活给水管，节省了建设费用，且便于管理维护。在技术上，采用紧急关闭阀或变频泵保证了生活，消防给水各自功能的发挥和可靠运行。2)设或不设屋顶水箱给水方式的比较设置屋顶水箱能满足消防初期给水的要求，符合现行的防火设计规范;通过紧急关闭阀的采用，保证了消防水系统技术的可靠，适合于住宅物业的维护管理。但是，消防水箱的设置并不一定能满足最不利消火栓水压和水量的需求，而且水箱设置高度还需满足住宅设计规范对室内分户水表前的给水静水压力要求。同时，屋顶水箱的设置也增加了给水二次污染的机会。不设屋顶水箱的给水方式有利于生活给水，既能保证生活给水的水量、水压，又能保证水质的卫生;但变频控制对平时的管理提出了较高的要求，该给水系统需得到当地消防主管部门的认可。3)多层住宅生活消防共用给水系统应用中应注意的问题紧急关闭阀设置的位置应在屋顶水箱进水管的管路上。仅在变频给水系统时，紧急关闭阀才可设在生活给水管的管路上。不设屋顶水箱的变频共用给水系统中，水泵的流量应满足生活消防用水量之和。采用集中给水方式的生活消防共用给水系统，其工作压力宜控制在0.4Mpa以内，以保证室外加水管网的压力不致太高。在消防时有可能出现超压的地方，应对其进行减压。为保证消防给水系统的可靠度，系统的服务半径不宜大于100120m。集中给水的水泵房宜设置在给水范围的中央部位。当然，多层住宅建筑也可采用设置集中消防给水而不设屋顶水箱的稳高压消防给水系统。但室外总体的管路就要增加，且消防给水与生活给水管网的压力不同，容易混淆。因此，多层住宅内采用生活消防共用给水系统具有较大的优越性。1.2.2 生活和消防供水的实现给水系统由两台工频水泵机组和两套变频控制系统组成，工频泵组各根据负荷情况选定不同台数的水泵及备用泵。1号泵组工作在高压或低压(双恒压)状态，2号泵组工作在高压状态。备用泵均参与运行，轮流备用。这样就避免了长期不使用水泵，发生水泵锈死的现象。平时生活用水由1号泵组供给，工作在低压状态下，保证给水管网末端用户所需要的水压和水量，同时保持消防管网的一定水压和水量。保证了水质的卫生标准和水量的稳定性。火灾时，根据消火栓的紧急按钮指令或消防指令信号启动(手动或自动)消防水泵(即此时备用泵也作为工作泵参与消防给水，所以备用泵实际上备于生活用于消防)。在启动消防泵的同时，消防泵的工作状态也由低压状态转入常高压状态下工作，保证消防管网消防所需要的水压和水量。但为使此供水系统安全可靠，此供水系统要求有独立的供电电源或独立的供电回路，保证泵房给水的安全可靠，以保证火灾区断电不断水，同时该系统应该用双路自动切换电源，以确保消防水泵的用电可靠安全。变频调速恒压供水用于高层建筑群和住宅小区，可节约设备投资，而且集中管理维护较为方便，既可靠又经济。此外，此供水方式和每幢楼有屋顶水箱或用气压罐给水方法比较，有许多优点。用此方式供水，随时都能保证消防管网所需要的水压和水量，根据用水量大小自动调节给水量、自动增加或减少运行工作泵，节省电力，压力稳定，不会有超压或欠压运行的现象。备用泵参与运行，可避免长期不运行而锈死。在变频器发生故障时，能自动切换到工频供电继续维持供水。水泵发生故障时，故障泵退出，备用泵自动投入。不仅可以全自动运行，而且可以无人值守，方便维修管理。它还避免了原屋顶水箱里水质的二次污染，减轻了建筑负荷，节省建筑造价，保持建筑结构完美，节省使用空间等等。有利于开发建设行业统一规划，综合管理，提高经济效益。1.3 目前高楼的供水模式对于居住高层住宅楼的给水系统设计，传统的供水方式一般采用1.恒速泵直接供水;2.采用高位水箱供水;3.气压罐供水。1.3.1 恒速泵直接供水此方式是一种传统的水系统供给方式，对于离心式机泵，过去常采用手动或自动调节控制阀、调节阀的开度来改变和调节流量，即用人为增减阻力的办法来实现调节。当工艺需要小流量时，调小调节阀开度机泵的能量大量损失在阀门和调节阀上(一般阻力降为0.020.5Mpa)，浪费了许多能量。而往复式机泵常通过备用机组、直流电机调速、旁路调节来适应工况的波动。但若备用机组频繁启停，可能会导致工况的振荡，同时也会影响设备寿命和电网电压。改变机泵的转速来调节流量是最经济的调节手段，因为转速降低后，流量成比例下降，而功耗的下降是大于该比例的。但是转速调节受驱动机的限制，采用直流电动机调速较为方便，但增加了整流装置，而且直流电动机价格昂贵。且两者都有运转经济性较差、维修工作量大的缺点。恒速泵由于耗能不合理，控制方法的不足，适应性差将逐渐被淘汰。1.3.2 高位水箱供水采用楼顶设高位水箱供生活用水的方式，虽较为安全可靠，设备、技术等方面也较成熟。然而，在后期给水系统的运行、维护和管理过程中，此供水方式存在一些问题。例如，由于屋顶水箱的材质及表面防腐物质的有机成分不同，造成水质严重的二次污染;目前对水箱内存水的消毒问题并未得到较好的解决，水箱内经常还发现有死老鼠的情况;加之屋顶高位水箱的有效容积受建筑负荷限制，一般考虑只贮存10分钟的消防用水量，高层建筑一旦发生为灾，靠水箱供应扑灭火灾的消防水量，是远不够的。如对于消防水泵长期不使用，经常发生锈死现象，消防管网中长期存水而形成死水，对发生火灾时不利。故高层建筑的二次加压供水设施高位水箱，给人们的生活和物业管理者带来的问题急需解决。高位水箱的供水系统，虽实际是一个压力大致恒定的系统，这个压力就是水位的高度。而管道的阻力特性却是变化的，当水的用户多时，管道的阻力就相应减少，反之则阻力增大，大大降低了生活供水质量。虽然高位水箱供水由于运行较为经济合理、适应性强而被广泛采用，目前国内大部分高层建筑均采用此方式供水，但此方式存在着投资大、占用面积大二次污染等缺点。1.3.3 气压罐供水气压罐给水设备用于消防供水系统，在工程实践中已屡见不鲜。气压罐在消防工程中的用途不外乎:一、其调节水量可满足十分钟消防初期用水量，从而替代屋顶水箱;二、作为增压设施，以弥补高位水箱设置高度之不足即满足大楼顶层消火栓处7m静水压要求;三、作为消防系统稳压用，启停稳压泵及启动消防泵并发出火警讯号用。上述三种用途有一共同点，即均需贮存满足规范要求的消防用水量。气压供水由于体积小、技术简单、不受高度限制等特点，近几年来己在高层建筑中采用，但由于此方式存在着调节量小、水泵启动频繁、对电器设备要求较高等缺点，因而使这种供水系统的发展受到限制。事实上要制造满足贮存调节水量为18, 12, 6m2的气压水罐，在技术上是可以做得到的。但在实际工程中，由于受到建筑物内场地限制而很难实现。为此广大设计人员对气压水罐只用作增压及稳压设施。综上所述，高层建筑生活、消防给水人用系统，在解决了常规性技术问题后优点凸现。1生活消防共用给水系统是一种经济可行的给水方式，减少了投资的成本。对于集中水泵层，在室外总体上仅设一路生活给水管，节省了建设费用，且便于管理维护。2设置屋顶水箱能满足消防初期给水的要求，符合现行的防火设计规范;通过紧急关闭阀的采用，保证了消防给水系统的可靠，适合于住宅物业的维护管理。但是，消防水箱的设置并不一定能满足最不利消火栓水压和水量的需求，而且水箱设置高度还需满足住宅设计规范对室内分户水表前的给水静水压力要求。同时，屋顶水箱的设置也增加了给水二次污染的机会。不设屋顶水箱的给水方式有利于生活给水，既能保证生活给水的水量、水压，又能保证水质的卫生。第2章 方案设计2.1 控制系统的组成2.1.1 供水系统的组成如图2.1所示，消防和生活是两套独立而互相联系的两个系统（每套系统由一台变速泵和一台恒速泵组成，同时生活泵组的恒速泵可作为消防泵的备用），被控量为消防和生活水管网的压力信号。控制系统包括:二套变频器(消防和生活的变速泵):每套变速泵包括一台变频器，一台交流电动机，一台水泵。一台PLC、一台工控机。五台单流控制阀，一台电动闸阀，一个小气压罐，二套压力变送器。图2.1系统构成总图2.1.2 系统设计方案功能总体说明1.系统中共有4套电动机控制回路，对应4套水泵系统，分成两组(每组一台恒速泵一台变频泵)，分别对消防和生活水管网供水，其中生活恒速泵也作消防供水时的备用，一旦消防供水不足可以启动此泵对系统进行补充;同时非消防状态下的消防泵组，也参与与生活泵组的交替使用。2.整个管网系统增设了气压罐，使供水加压系统有一定的蓄能有力，当用水量较大时，由生活调速泵进行合理调速供水;而当给水系统处于小流量时甚至接近零流量时(深夜等)，由小气压罐进行给水，这样可以使水泵运行时尽可能减少多余的水头，同时由于增设气压罐给消防初期的一部分供水提供了保障。3.此恒压系统中，整个信息的反馈是靠2块压力变送器，在PLC的配合下通过反馈回的压力信号来调整当前调速泵的转速，通过转速的变化来实现系统的恒压;同时由于系统的恒压是双恒压系统(即在生活供水时恒压为Ho1，在消防状态时恒压为Ho2)消防状态下的水压比平时生活供水压力高得多，这之间控制就是依据PLC和上位机(工控机)根据当前的状况判定发生指令来实现的。4.变频器和PLC的联系，是靠硬件电器来联接的，具体参数的联系都是与上位机的通讯来实现的，选用的S7-216PLC和ASC601变频器均有内置的RS485接口。5.在整个系统中由一台工控机对现场的设备进行集中控制和操作，它是整个消防和调度的中心。现场参数设定、现场设备的运行状态和运行数据都通过工控机进行菜单式调用和设置。6.在生活管网和消防管网中有一个电动闸阀把两部分管网分隔开来。其主要目的是:供水系统处于消防状态(或巡状态)，把生活管网和消防管网独立成两套供水管网，使生活给水在此状况下保证正常供给;平时电动闸阀打开，两套管网合二为一，以生活供水压力保持消防管网的压力，使消防处于热备用状态。7.为了使系统两套泵组能自动循环运行，互为备用，双恒压系统水泵的选型，采用一致原则，即四台水泵组选用一致。8.此系统额外增设了调速泵的手动装置(即在变频或自动失控时)，可手动投入此泵作共频运行。9.此系统考虑了双电源供电，自动序动供电电源切换功能。10.由于消防系统的特殊性，要求本供水系统具有巡检的功能(此功能是在自动状态下定时完成)，消防泵组在168小时内要进行自动巡检一次，故障状态下要进行报警提示，同时自动投入状态良好的水泵。2.2恒压供水系统的机理及调速泵的调速原理2.2.1 双恒压供水系统工作原理1.双恒压工作原理为满足生活用水按低恒压值Ho1供水，而消防时按高恒压值Ho2供水，可按生活和消防要求的流量和压力分别设定Ho1，和Ho2在泵组投入运行之前，生活气压罐进行补气;补气压力比系统压力低0.02Mpa,气压罐主要用于维持系统的必要压力(Ho1)。系统得到指令给生活管网供水，生活调速泵启动，压力变送器将管网压力转变成420mA的电信号，送入变频器的AI2- , AI2+口，通过A/D转换成数字信号和给定值(生活供水时为Ho1)进行比较，差值送入内置PID进行PID运算，结果控制变频器的频率输出，当管网压力H低于给定值(生活状态下为Ho1)时，差值为正，PID正向积分控制变频器输出，频率增加，水泵加速，管网恒压趋于Ho1。反之，管网压力高于给定值(Ho1)时，差值为负，PID反向积分，变频器输了频率降低，水泵减速，管网压力H趋于Ho1，以达到管网的压力稳定。当用水量不是很大时，一台调速泵就能满足供水，当用水量大时，调速泵全速运行也不能满足管网压力恒定，压力的下限信号和变频器的工频信号同时被系统检测到时，PLC将自动投入一台恒速泵，增加供水一固定值，仍由调速泵调速恒压。当用水量减少时，首先表现为变频器己工作在最低转速下，这时压力上限信号仍然存在。这时PLC自动控制恒速泵切除，由一台变速泵给系统供水，以维持正常供水量。设备在运行中，遇火情，由上位机(PC)发出高恒压HO2的指示，系统即可转入HO2高恒压值给定来运行，满足消防用水的需要。从而实现了一套设备满足两种供水要求的双恒压供水设备。2.系统工作原理系统构成如图2.2所示。整个系统由4台水泵组成，分成生活泵组和消防泵组。生活泵组主要用于平时大楼生活用水供给，消防泵组用于消防状态下的消防用水补给(同时生活泵组的恒速泵也作为消防泵组的恒速泵的备用)。生活泵组和消防泵组定时倒换，并互为备用。1)生活供水供水管上位机变频内置PID压力传感VVFPLC接触器组供水系统图2.2变频调速供水设备原理图正常情况下，启用一台调速泵，给生活供水系统供水，当用水量较大时，调速泵稳不住生活管网压力。启用生活泵组的恒速泵，同时用调速泵进行稳压，稳压是利用管网的压力反馈，利用变频器内置PID，综合上位机下传的给定压力(Ho1)作为给定，使系统管网稳压在Ho1压力上，当生活管网用水量小时，恒速泵停止运行(调速泵输出频率小于40Hz时，恒速泵停止运行)。管网压力HHo1），这时停止恒速泵，启动变速泵，给生活管网恒压供水。当生活供水于夜间运行时，用水量极少，为避免调速泵频繁启停，采用气压罐进行微量补水，停止调速泵。2)消防状态当由生活供水状态转入消防供水时，消防管网充满Ho2的水压，关闭消防、生活管网之间的联接电动闸阀，同时启动消防泵组的调速泵和恒速泵，使消防管网迅速建立起Ho2的高压。变频器的给定Ho2是由上位机的下传信号进行给定，如消防用水特大的情况下，Ho2不能保持，通过上位机控制PLC，驱动生活水的恒速泵以三台水泵给消防管网供水。为保证变速泵的高效运行，必须在变速泵工频稳不住压力Ho2的状况下，延时启动后面的恒速泵组，如管网压力超时超过Ho2，则逐渐停用恒速泵，由调速泵保持恒压。整个状态的持续待火警信号解除，停止消防状态下投用的恒速和变速泵组，打开连接消防、生活管网的电动闸阀。3)巡检状态为确保消防系统的可靠，定期消防水泵、泵组和备用泵组都要定期小时段投用，通过PLC和上位机集中综合判断，以确定当前设备的完好性。2.2.2 调速泵系统构成从整个系统的稳压来说，全是由调速泵来实现管网的稳压和压力调节的。1.系统构成与设计变频恒压供水系统由控制柜，压力传感器，异步电动机及水泵组成(如图3.3)所示，由此构成一个压力负反馈闭环控制系统。压力传感器将管道中的水压值变换成电信号(420mA)，送入变频器内置PID比较，其偏差值经控制运算后，去控制变频器的输出频率，通过上位机对当前压力信号的反应，再由PLC控制四台水泵电机在工频电网与变频器输出之间切换，改变四台水泵的运转状态和转速，实现压力调节。2.控制部分是以德国SIEMENS可编程序控制器s7-200为核心，实现信号采集，巡检综合判定，控制输出三个逻辑过程。电气部分包括水泵电机，电动阀门，变频器的启动、停止，以及故障检测，指示灯的控制，S7-200据有丰富的指令系统，并且依托STEP7-Micro/Dos良好的编程界面，很方便程序编制和现场调试。3.传动装置用了芬兰ABB公司生产的ACS601变频器，适用于异步电机无级调速控制。该变频器的输出控制方式为恒V/f及1GBT大功率晶体管模块。其优点之一是具有高的切换频率，可输出低谐波分量的正弦波，在低速时电机有更大的输出转柜，降低电机的损耗和噪音，减少了电机运行时的温升。变频器可将输出频率在控制范围内连续可调，控制精度为O.1Hz，从而达到电机依据负载的变化连续平滑调速，减轻了电机的运转抖动。由于变频调速实现异步电机软起动，降低电网的损耗提高了电机运行时的cos中，以至于可以省去为改善功率因数的电容补偿柜及相应控制设备。ACS601有内置的RS485口可以实现同上位机的通讯。4.现场压力选择用2块DBY-121压力变送器，量程分别为:00.75Mpa和01.OMpa，及2块电接点压力表量程为0.1OMpa和0.6Mpa。图2.3 PLC外部接线图2.2.3 双恒压系统的优点1.由于本设计采用调速泵与气压罐配合使用，使供水加压系统有一定的蓄能能力，当用水量较大且变化不大时，由生活调速泵进行合理调速进水;而当给水系统处于小流量甚至接近0流量时，由小气罐进行供水，这样可以使水泵运行时尽可能减少多余的水头，又能在高效区运行，使调速泵能充分发挥最好的节能效果。2.双恒压系统虽为消防泵组和生活泵组，但两者的恒速泵和变速泵又互为备用，提高了系统可靠性的同时，又减少了占地面积和节省一次性投资。3.因为把生活、消防管网设计成分设又连通的系统，在两管网的连通管和旁通管上分别加装了一个单流阀和一个电动闸阀。消防管网的高压力(HO2)不会对生活管网产生影响;又使生活泵和消防泵可以共用备用泵。因气压罐与生活泵串连运行，平时两管网维持同一个低恒压，消防时只须在生活供水的第一恒压基础上提高水头，即成为第二恒压系统。2.3变频器近20年来，以功率晶体管GTR为逆变功率器件、8位微处理器为控制核心的按压频比U/f控制原理实现异步电动机调速的变频器，在性能和品种上出现了巨大的技术进步。2.3.1 变频器输入、输出接口本系统选用的变频器为ABB公司的ACS601系统，针对本系统的应用情况，可将变频器端子上的信号分为(如图2.4所示): 输入信号: 1控制变频器运行的启停信号DI1PLC的KAl。 2变频器的压力反馈信号AI2接远传压力表的反馈信号。 3R.S.T为电源输入。 输出信号: 1RO1:为数字量输出口，变频器内部出现故障时，进行指示。 2RO2:为数字量输出口，变频器运行指示。 3R03:为数字量输出口，变频器停止运行指示。 4U、V、W为接三相异步电动机。 通讯:本变频器完成与上位机的频率、电流、电压、管网压力、故障状况，给定等参数进行通讯，通过NDCO的CH1, CH2口实现。 整个变频器端子示意图如附录中变频器接线图。图2.4变频器的外部接线图2.3.2 变频调速恒压系统的基本特点本论文设计变频器调速恒压供水系统具有以下几方面特点:1.具有自动/手动双运行功能。自动状态下可实现无人值守自动恒压、自动转入消防供水状态;手动状态下可作不定期的检查和紧急状态下的紧急操作。2.具有双电源供电，自动/手动供电电源切换功能。3.具有自动定期巡检功能，系统可靠性高。4.由于采用变频调速恒压，恒压精度高，压力变化小0.02Mpa:节能效果显著节电率在1 S%40%左右。5.消防供水或生活(生产)供水中，任何一台水泵出现故障，系统会自动启动备用泵满足供水。6.采用变频调速技术实现交流电机平滑调速，使交流调速系统的性能指标能与直流调速系统媲美。7.多台电机均能可靠地实现软启动，避免了启动电流过大对电网的影响，且大大延长了设备的使用寿命。8.常压运行时，每两泵交替工作，可在不停水情况下对系统进行维护、检修，提高系统的可靠性。9.常压单泵运行，欠压两泵运行，满足节能需要。同时，与其它供水系统相比，具有以下几方面的优点：1)不设高位水箱、减轻建筑物负荷、节省基建投资、缩小施工工期。2)消除了水源再次污染的可能性。3)以变频调速控制水压、实现全天恒压供水。4)消防供水响应速度快、供水压力均衡适量。5)自动化程度高，可实现无人值守智能化运行。6)设备使用寿命长，维护工作量小。第3章 系统硬件设计该系统采用二级计算机控制方式，控制系统采用西门子公司生产的S7-216PLC,输入14点，输出10点，均为数字化接口。在设计时，以充分利用PLC的硬件、软件资源为原则，在软件设计与确定I/O点数时，可不局限于原有继电器控制线路，而只保留直接面向人和设备的输入/输出点，省去一些中间环节:软件采用灵活的编程方式，主程序采用常规继电器梯形图指令设计。同时，由于设备上的主接触器功率大，其线圈吸合瞬间电流大，而PLC的输出节点额定工作电流为2A，如果直接驱动主接触，势必造成烧毁节点等不安全因素，为此我们在输出节点上加接了一个中间驱动继电器。3.2 PLC输入、输出I/O口分配PLC就是一种利用计算机原理为顺序控制专门设计的、通用的、使用方便的装置。PLC和工控机目前的技术发展水平己大大超过其出现时技术水平，并各自定位在不同的层面。PLC适合低成本自动化项目和作为大型DOS系统的I/O站，工控机在中规模小范围自动化工程中有很好的性能价格比。同时，PLC和工控机在其技术发展的历程中，为了适合工业现场应用的需要和用户二次开发的需要，都积极地发展高可靠性、网络化和高性能的用户开发软件方面的技术性能。下面对本系统采用的57-216 PLC的输入输出口进行介绍如图3.1所示。3.2.1 输入口KM1, KM2, KM3, KM4为1#, 2#调速泵分别在调速和工频运行下所对应的接触器，KM5、KM8为1#, 2#恒速泵的主接触器。PLC通过输入的接触器节点信号，可以判定4台泵目前的运行情况，再综合PLC的输出指令，就可以判定目前泵组的良好状况，此为硬件回路的判定方法(另一种方法是通过压力反馈信号，在上位机进行综合判定)。PLC的I0.6、I0.7为装在管网的压力接点信号(此压力接点对生活管网的上、下限进行限制)。此作为系统硬保护的一个措施，同时也是生活泵组倒换泵的一个依据。剩下的I1.0、I1.2和I1.4对应生活、消防和复位的一个硬启动旋扭，分别作为系统自动运行和复位的指令性信号。图3.1 PLC系统i/o接线图3.2.2 输出口输出节点一共10个节点(除了指示灯)其它均通过中间继电器去驱动接触器、电磁线圈或蜂鸣器。O0.0 O0.5是分别由PLC发出去驱动水泵运行的指令。O0.7和O1.1作为整个系统的故障报警指示(包括变频器故障、现场没执行指令的设备，以及火灾)。 01.0为管网过度超压时，打开出水口的电动阀，以防止爆管或其它事故。00.6和00.7作为驱动电动阀门开、关的输出口。3.3控制系统功能介绍自动巡检功能正常情况下，由生活泵组就能满足整座楼的生活用水，而消防泵则只处于热备用状态。但由于火灾的突发性，为保证消防泵组良好性，进行定期的检测消防泵组是非常必要的。此系统设定的巡检周期为7天，即在7天内要启动消防泵组一次。首先关闭生活和消防管网的联接电动闸阀，压力给定信号转入高给定(Ho2)，由上位机根据消防管网反馈的压力信号来判断系统是否良好;同时PLC也通过输出指令和执行KM2. KM8情况进行系统良好状况判别，如故障则报警提示。巡检过程为每泵1.5分钟。由于在巡检过程中，消防管网无外泄水，所以稳压后要进行超压放水。定时交替运行两组泵互为备用，为保证系统的均衡运行，两泵组(良好状态下)定期(48小时)进行平稳切换(不发生压力波动)，同时二台调速泵互为备用，故障状态下另一台调速泵要自动投入使用。综合报警和蜂鸣提示在火警状态或设备巡检，检测到设备故障或者上位机下传的故障(管网稳不住压或变频器故障)，PLC O1.1口进行报警指示。火警状态启动消防在接到上位机下传火警时，一是要启动火警报警，二是关闭电动闸阀，三是启动消防泵组。若消防管网仍不能达到H02，则顺序启动下一台恒速泵。水泵的高效运行控制生活状态下，只有在调速泵满负荷运转仍不能满足管网压力H01时才能启动恒速泵;反之，在调速泵能满足系统压力时，恒速泵退出运行。在用水量小到不能满足调速泵在最低值长时间运行时，停止调速泵，由气压罐补水(保证水泵永远在高效运行)。3.4 恒压系统PLC流程图在编制PLC程序时遵循化整为零的方式。整个控制系统由一个主程序和4个子程组成。四个子程序分别完成4个功能块，如图3.2、图3.3图3.4、图3.5所示。1.定时巡检子程序(如图3.2)在主程序中设置有一定时器T1 (设定时间168小时)，计时时间到就调用此子程序，子程序完成的主要功能有:关闭生活和消防管网之间电动闸阀，使两供水系统分别独立，防止消防管网的高压Hoe窜入生活管网，巡检完后，开启此电动闸阀。采用步进方式启动恒速泵(每泵启动时间为1.5分钟，同时配以消防泵组的调速泵) PLC采取输出指令和反馈接点比较的方式进行设备良好状况判定。若只有输出指令，没有反馈接点，则设备处于故障状态，此时，对应设备故障字置位，同时报警提示。步进时用T6, T7进行计时。在巡检信号发出后30秒内，上位机可以通过压力是否建立到H02进行系统判定，如不能建立，下传PLC报警指示。若在上位机判定，系统管网超压，由PLC驱动超压放水电磁阀放水(压力恢复后关阀电磁阀)。巡检完，清定检计时器T1和步进计时器T6, T7，并打生活、消防管网联接电动阀闸。图3.2定时巡检子程序流程图2.消防状态子程序(如图3.3所示)当主程序检查到M405(消防标志位由上位机清和置位)为1，说明当前状态为消防状态，启动消防状态子程序，其主要功能有:迅速切断生活、消防之间管网的电动闸阀，并启动声光报警。延时5秒，启动消防恒速泵，再延时5秒，启动消防变速泵，同时消防变速泵在上位机的指令下转入Ho2给定状态，此定时器由T9, T10。进行计时。上位机延时判定Ho2是否建立，若Ho2没达到，则指令PLC启动生活泵的恒速泵(反之，消防调速泵低于调速最低频率，则停生活恒速泵)。消除火警后，清报警，延时关电动闸阀，T9, T10。计时器清零。图3.3消防状况子程序流程图3.非消防状态下定时交替运行泵组子程序(如图3.4所示)主程序中毛(设定为48小时)作为泵组交换的时间，计时到则交换泵组，调用此子程序，其功能如下:根据当前泵组的良好状态，确定下一周期运行的水泵(一台调速、一台恒速)。启动对应的调速泵，停止另一台调速泵。根据压力低信号是否为1，确定是否投入下一周期运行的恒速泵。4.高效运行子程序(如图3.5所示)此子程的主要功能为，保证水泵生活给水时尽量在工频运行，低流量时采用气压罐供生活水，子程序详细如下:首先启动生活给水调速泵，判断低压接点I0.7是否为1I0.7为1的时候启动当前置位运行的恒速泵。判定高限接点I0.6是否为1(即系统超压)。为1时，判定当前恒速泵运行否，若运行停止恒速泵。若没运行(表明当前用水量小)，停止调速泵。I0.6不为1，保持当前输出状态。图3.4定时运行调速泵流程图 图3.5 高效运行子程序图5主程序(如图3.6所示)主程序主要处理当前各种输入信号的扫描和系统计时，并作一些简单的处理，对应的功能则调用相应的子程序。 图3.6 主程序流程图3.5 控制系统编程的可靠性通常PLC本身的可靠性非常高，在CPU监控程序或操作系统中有较完整的自诊断程序;而PLC外接的输入、输出元件，如电磁阀、接触器等的故障率相对较突出。这些元件出现故障时PLC不会自动停机，直到故障造成的后果发生之后才会被发觉，但如果我们在软件设计时，能充分考虑到可能发生的故障，能用错误检测程序或其它优先程序在故障元件还没有酿成设备事故之前，使PLC自动停机、报警，则整个系统的可靠性将大大提高。本系统中采用了以下几种方式提高了系统可靠性。3.5.1优先程序的设计为了确保PLC动作的可靠，我们在软件设计时使用动作优先程序，其基本形式有以下两种:1关断优先式图3.7关断优先式启动、保持、停止控制程序梯形图，当关断信号时，无论启动信号状态如何继电器M400被关断(状态为0)，当关断信号。使启动信号X1=1，则可启动M400(使其状态变为1)，并通过常开触点M400自锁，在X1变为“0”后仍保持M400为启动（状态保持为1）。X1X2M400M400M400X2M400X1 图3.7 优先控制程序因为当x1与x2同时为1时，关断信号x2有效，所以称为关断优先式，此在生活供水程序中使用。2启动优先式图4.7(6)为启动优先式启动、保持、停止控制程序梯形图。当启动信号X1=1时，无论关断信号X2状态如何，M400被启动，并且当时，通过M400常开触点实现自锁。当启动信号Xl=0时，使，可实现关断M400，因为当Xl与X2同时为“1”时，启动信号X1有效，所以称为启动优先式，此在消防状态供水使用。3.5.2 故障检测程序的设计在软件设计中增加故障检测程序是抑制PLC外部元件引发控制系统故障的有效办法，这方面我们采用两种故障检测法:1.时间故障检测法由于控制系统工作循环中各工步的运动都有一定的严格规定的时间，因此，我们以这些时间为参考，在要检测的工步动作开始的同时，启动一个定时器，定时器的时间设定值比正常情况下该动作要持续的时间长25%左右，当某一工步动作时间超过规定时间，达到对应的定时器预置时间，还未转入下一个工步动作时，这时系统发出故障信号，停止正常工作循环程序，启动报警及显示程序，这就是所谓“超节拍保护” 。2逻辑错误检测法PLC控制系统在正常的情况下，各输入、输出信号、中间记忆装置之间存在着确定的逻辑关系，一旦出现异常逻辑关系，必定是控制系统出了故障。因此，我们事先编制好一些常见故障的异常逻辑程序，加进用户程序中，当这种逻辑关系实一状态为“1，就必然出现了相应的设备故障。即可将异常逻辑关系的状态输出作为故障信号，用来实现报警、停机等控制。3.5.3 联锁控制程序的设计在生产机械的各种运动之间，往往存在着某种相互制约关系，我们采用联锁控制的方法来提高系统的可靠性。联锁控制的关键是正确选择和使用联锁信号。1不能同时发生的运动联锁控制图3.8为不能同时发生的运动联锁控制梯形图，为了实现运动A与运动B不会同时发生，选择联锁信号为M400和M410的常闭触点，分别串入M410和M400的控制回路中，当M400和M410中有任一个要启动时，另一个必须首先已被关断，反之， 两者中任何一个启动之后都首先将另一个的控制回路断开，从而保证任何时间两者不可能同时启动。提高且保证了控制系统的可靠性。这种程序设计方法最典型的应用变频器的工频运行和变速运行以及两变频泵之间互锁运行。M410X1X2M400M400M400X3X4M410M410 图3.8不能同时发生的运动联锁控制梯形图2顺序步进联锁控制在顺序依次发生的运动之间，采用顺序步进联锁控制的方式，选择前一个运动的常开触点，串联在下一个运动的启动线路中，同时选择后一个运动的常闭触点串入前一个运动的关断控制回路中，这样，只有上一个运动发生了，下一个运动才可以进行，且一旦后一个运动发生了，立即迫使前一个运动停止，因此，这种程序设计方法可能实现各运动严格地依预定的顺序逐步地发生和转换，保证不会发生顺序的错乱，大大提高了控制系统的可靠性，在此系统中，巡检中的逐台单泵运行就是此例。第4章 系统软件设计4.1 概 论由于电力电子技术、微电子技术和控制技术的发展，90年代变频器、PLC变频器技术的飞速进步，加之网络通讯技术的日趋成熟和广泛应用，控制系统的综合控制也越来越趋于整体之间发展。变频器虽配有手操键盘面板，可设定运行参数，发出运行指令并对运行状态和故障进行显询显示，但毕竟操作复杂容易出错，特别是在运行参数需要根据工艺要求经常改变，由多台设备组成的控制系统中容易产生控制复杂、动作不统一等问题。为此设定修改参数，监控它们的运行，协调系统有序的工作，就成为一个突出问题。同时，计算机的屏幕化设计的越来越广泛，通过配合汉化下拉式菜单和画面显示以及必要的操作提示，可完成对频率参数的设定，运行参数的监测，运行和故障数据的采集处理，以及消防系统的状况集中显示控制等。工控机可自动将变频器