基于PLC控制的物业供水系统.

HEUT硕士论文选题报告--学号姓名页脚内容1第一章绪论§1.1恒压供水产生的背景及意义随着社会的发展和进步，城市高层建筑的供水问题日益突出。一方面要求提高供水的质量，不要因为压力的波动而造成供水障碍；另一方面要求保证供水的可靠性和安全性，在发生火灾时能够可靠供水。针对这两方面的要求，新的供水方式应运而生，这就是PLC控制的恒压无塔供水系统。恒压供水保证了供水的质量，以PLC为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，同时又提高了系统的可靠性。我国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，工业自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象；而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启／停电机的控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。而变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会。§1.2国内外变频供水系统现状及应用范围变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。目前国外的恒压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。HEUT硕士论文选题报告--学号姓名页脚内容2这种方式运行安全可靠，变压方式更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，投资成本高。目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合PLC或PID调节器实现恒压供水，在小容量、控制要求低的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国产变频器有待于进一步改进和完善。变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类:(1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。(2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器、电机功率在135kV～320kW之间，电网电压通常为220V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。(3)大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于320kW)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。目前，国内除了高压变频供水系统，多数变频供水系统均声称只要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。HEUT硕士论文选题报告--学号姓名页脚内容3第二章恒压供水设备的选择和论证§2.1恒压供水控制系统的基本控制策略采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，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CPU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。恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度。水泵流量总和应大于实际最大供水量。§2.2恒压供水系统构成及控制要求本设计以三台泵组构成的生活/消防双恒压无塔供水泵站控制系统的实例。此供水泵站为双恒压供水系统，系统的构成示意图如图2-2所示。HEUT硕士论文选题报告--学号姓名页脚内容42-2系统构成示意图市网自来水用高低水位控制器EQ来控制注水阀YV1，自动把水注满蓄水水池，只要水位低于高水位，则自动往水池注水。水池的高低水位信号也直接送给PLC，作为高/低水位报警。为了保证供水的连续性，水位的上下限传感器高低相距距离较小。生活用水和消防用水共享三台泵，平时电磁阀YV2处于断电状态，关闭消防管网。三台泵根据生活用水量的多少，按一定的控制逻辑运行，维持生活用水低恒压值。当有火灾发生时，电磁阀YV2通电，关闭生活用水管网，三台泵供消防用水使用，并维持消防用水的高恒压值。火灾结束后，三台泵再改为生活用水使用对三台泵生活/消防供水系统的基本要求是：（1）生活供水时，系统低恒压运行，消防供水时系统高恒压运行。（2）三台泵根据恒压的需要，采取先开先停的原则接入和退出。（3）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3h，则要切换下一台泵，即系统具有倒泵功能，避免某一台泵工作时间过长。（4）三台泵在启动时都要有软启动功能。（5）要有完善的报警功能。（6）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。HEUT硕士论文选题报告--学号姓名页脚内容5§2.3水泵的工作原理及调节方式1.水泵的工作原理供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图2.3所示，叶轮安装在泵2内，并紧固在泵轴3上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4与吸入管5连接，液体经底阀6和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8与排出管9连接。在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体:启动后，叶轮由轴带动高速转动，叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能，最后以较高的压力流入排出管道，送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见，只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。123468791051-叶轮2-泵壳3-泵轴4-吸入口5-吸入管6-单顶底阀7-滤网8-排出口9-输出管10-调节阀图2.3离心泵结构示意图2.水泵的调节方式水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行工作状况点(简称工况点)的位置，使流量、扬程、轴功率HEUT硕士论文选题报告--学号姓名页脚内容6等运行参数适应新的工作状况的需要。水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因此，研究并设计它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在。水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。详细划分如下§2.4供水电机的搭配供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配置主要以水泵供水负载来决定。电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点:(1)如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。(2)如果电动机功率选得过大，就会出现“小马拉小车”现象，HEUT硕士论文选题报告--学号姓名页脚内容7其输出机械功率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还会造成电能浪费。因此，要正确选择电动机的功率，对恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(生产机械轴上的功率)1p（kW），可按式(2.1)计算所需电动机的功率P(kW)：112/pp式中，1为生产机械的效率，2为电动机的效率，即传动效率。按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此，所选电动机的额定功率应等于或稍大于计算所得的功率。§2.5水泵的选定在小区供水时日常主供机组有三台，其中备用电机有一台，可以采用的变频方式有一拖二(即一台变频器带二台电机)、一拖三、一拖四的三种方式。从经济角度考虑，拖的电机较多，变频器和控制系统就会越复杂，成本也会较高一些。从国内目前成熟的变频器上考虑，采用一拖三的低压变频器成本较低，技术也较成熟。因此如果能满足日常供水要求，采用一拖三的方式更适宜于日常水厂。在变频电机选择上，考虑日常水厂作为全城的辅助水厂，在每天夜间会停机并在启动点机后会有较长时间采用较小流量补水，这时采用小功率电机变频，电机功率相对会低一些，因此，从经济与实用角度，采用变频一拖三，带一台Y315／160kw电机和两台Y280S／75kw电机，其中备用电机既可以满足最大供水量要求，也可以解决小流量时电耗问题，是比较适宜的变频机泵的选择方案。第三章变频恒压供水控制硬件设计§3.1系统硬件选型在本系统中，水压的恒定是对水泵电动机进行变频调速和改变水泵的运行台数实现的。压力传感器监测系统的压力，输出的模拟信号HEUT硕士论文选题报告--学号姓名页脚内容8经A/D转换，转换后的数字信号送入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，并相应的输出大小适当的控制信号，该控制信号通过D/A转换成模拟信号送给变频器，对水泵电动机进行变频调速，达到控制管网恒压的目的。如果电动机转速无法进一步改变，则通过改变水泵的运行台数来稳定压力。根据控制要求和控制规模的大小，本系统选用三菱FX系列小型PLC作为系统的控制器，模拟量输入、输出模块选用FX2n—4AD和FX2n—2DA，变频器选用三菱的FR—A500系列，压力传感器则选用TPTH503压力传感器。1.系统的控制器-------FX2n—32MR三菱FX2n系列属于FX家族中高功能型的子系列，经过扩展适当的特殊功能模块并使用PID指令，完全可以满足对中等规模恒压供水系统死循环模拟量的控制要求。根据系统的控制规模和对I/O点数的要求，系统的控制器选择FX2n—32MR(16点开关量输入，16点开关量输出)。2.系统的模拟量输入、输出模块1.模拟量输入模块FX2n—4AD的功能FX2n—4AD模拟量输入模块具有四个信道，可同时接收并处理4路模拟量输入信号，最大分辨率为12位。输入信号可以是-10~+10V的电压信号（分辨率为5mV），也可以是4~20mA（分辨率为16uA）或-20~+20mA（分辨率为20uA）的电流信号。2.模拟量输出模块FX2n—2DA的功能FX2n—2DA模拟量输出模块用来将12位数字信号转换成模拟量电压或电流输出。它具有2个仿真量输出通道。这两个通道都可以输出0~10VDC（分辨率2.5mV）、0~5VDC（分辨率1.25mV）的电压信号或4~20mA（分辨率为4uA）的电流信号。3.变频器FR—A500FR—A500系列在三菱变频器家族中属于多功能、通用型、重负HEUT硕士论文选题报告--学号姓名页脚内容9载适用的变频器。其功率范围为0.4~800KW,采用先进磁通向量控制方式，可实现在线自动调整功能，调速比可达1：120（0.5~60HZ