毕业设计----高层建筑的变频恒压供水系统设计.doc

武汉理工大学毕业设计（论文）I毕业设计论文目录摘要.IABSTRACT.II1绪论.11.1高层建筑供水方式的发展.11.2变频恒压供水系统的国内研究现状.21.3课题的主要研究设计内容.42供水系统简介.52.1水泵供水的主要参数.52.2供水系统的基本特性.52.3水泵调速运行的节能原理.63供水系统的整体设计方案.93.1供水系统的构成.93.2供水系统要求实现的功能.113.3供水系统工作原理.124供水系统的硬件设计.154.1供水系统的硬件组成.154.2可编程控制器(PLC)选型.154.3变频器选型.164.4水泵及其电动机的选型.174.5远传压力表选型.184.6触摸屏.194.7软启动器、自耦变压器.194.8PLC用隔离变压器、低压电器、控制柜.194.9供水系统电路设计.204.9.1系统主电路.20武汉理工大学毕业设计（论文）II4.9.2系统控制电路.204.9.3PLCI/O分配.214.9.4缺水保护电路.225供水系统的软件设计.245.1PID调节.245.1.1PID调节原理.245.1.2PID参数设置.255.1.3PID设定值的调整.265.1.4PID控制算法.275.2系统运行主程序.275.3故障检测子程序.285.4数字PID子程序.295.5泵切换程序.305.6对外通讯子程序.326实验室现场调试与小结.336.1硬件功能性调试.336.2系统总体调试.336.3小结.34结束语.35参考文献.36附录PLC梯形图.37致谢.44武汉理工大学毕业设计（论文）I摘要随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高；再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本设计首先根据管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理。接着分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案，通过研究和比较，采用变频器和PLC实现恒压供水和数据传输。然后用PID对系统中的恒压控制器进行设计，最后对系统的软硬件设计进行了详细的介绍，该变频恒压供水系统可运用于许多实际的供水控制系统中，并能够取得稳定可靠的运行效果和良好的节能效果。关键词：变频调速；恒压供水；PLC武汉理工大学毕业设计（论文）IIABSTRACTWiththerapiddevelopmentofsocialeconomy,itdemandsthebetterofwatersupplysqualityandreliabilityofwatersupplysystem.Meanwhileenergyresourcesareseriouslylack.Soitisinevitabletendencytodesignwatersupplysystemwhichhashighfunctionandsavesonenergywell,withhelpofadvancedtechniqueofautomation,controlandcommunication.Atthesametimethissystemcanadaptdifferentwatersupplyfields.Thisdesignexplainswatersupplysystemsenergy-savingprincipleofpumpofspeedcontrolaccordingtocharacteristiccurveofrunningpipelinesandwaterpump,analyzesthestructureofVFspeedregulatingconstantpressurewatersupplyandgivesseveralcontrolmethodswhosefeaturesareresearchedandcomparedinthisdesign.OnthebasisofabovePLCandinvertersmethodfitswatersupplysystemanddatatransmissionverywell.ThenconstantpressuresupplywatercontrollerisdesignedbyPID.Thedesignofthesystemshardwareandsoftenisintroducedthoroughly,Thedesignofinverterconstantpressurewatersupplysystemcanbeappliedtomanyinternalwatersupplysystems,theeffectofwhichisstable,credibleandenergy-saving.Keywords:Speed-frequencyvariable；Constantpressurewatersupply；PLC武汉理工大学毕业设计（论文）11绪论水是生命之源，人类生存离不开水。我国是一个水资源和电能相对短缺的国家，现代化进程的加快，城市的高层建筑越来越多，在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故），采用各种自动化手段来节约用水、节约用电已经成为我们国家发展的当务之急。随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡。但是用户用水量是经常变动的，因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上：用水多而供水少，则供水压力低；用水少而供水多，则供水压力大。保持管网的水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量，也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。本设计采用简单实用的PLC和变频调速技术，集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体去改造传统的城市高楼供水系统。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理，同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.1高层建筑供水方式的发展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。主要表现生产生活中的用水量常随时间而变化，季节、昼夜相差很大。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、运行稳定武汉理工大学毕业设计（论文）2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效益。对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比，是困扰企业的一个长期问题。目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。导致电动机与水泵之间常常出现大马拉小车问题(如图1-1)。因此，如何解决供水与能耗之间的不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案，是各供水企业关心的焦点问题之一。所以研究设计基于PLC变频调速的恒定水压供水系统(简称变频调速恒压供水，如图1-2)，对于提高企业效率以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。图1-1传统供水机泵示意图图1-2变频调速供水机泵示意图1.2变频恒压供水系统的国内研究现状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。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监武汉理工大学毕业设计（论文）3控系统(如BA系统)和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现；有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现已更名为艾默生)电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出子恒压供水专用变频器(5.5kw-22kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。变频恒压供水系统的主要特点主要是：1）高效节能，可以实现节电20%40%，能实现绿色用电；2）占地面积小，投入少，效率高；3）配置灵活，自动程度高，功能齐全，灵活可靠；4）运行合理，由于一天内的平均转速下降，轴上平均扭矩和磨损减少，减少了维修量和维修费用，水泵的使用寿命大大提高；5）由于能对水泵实现软启动，并可消除水锤效应；6）操作简便，省时省力；7）由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。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