高楼恒压供水系统控制设计（全套含CAD图纸）
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购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 1 摘要 众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能己成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，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，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，此时将会造成能量的浪费，同时有可能导致水管爆破和用水设备的损坏。 该设计对环保、节能、自动补压型给水设备坐了介绍。从节能科技的实践出发，阐述了变频调速技 术在高楼给水设备的应用。以 路控制方式，介绍了自能水压控制系统的工作原理及 分析水压控制的工作流程的基础上，给出了 制系统的硬件和软件设计。 智能水压的基本控制策略是：采用电动机调速装置与可编程控制器（ 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，系统设定给水压力值与反馈的总管压力是机制进行比较，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 ：压力传感器、变频器、 压供水 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 2 t is is in in to in so on is in is of in is in of be to to to up to to in LC of LC LC on is is on to in of 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 3 目录 第一章 绪论 6 第二章 设计功能及方案论证 7 设计功能 7 系统设计方案分析及方案论证 7 系统设计方案论证 7 频器控制系统方案分析 8 系统控制方框图 10 第三章 系统硬件选型 11 11 11 14 16 17 变频器的概述及选型 18 传感器的介绍及选型 21 传感器的定义与组成 21 传感器的选型 21 、 D/ 22 概述 22 性能规格 23 触摸屏显示器 25 触摸屏概述 25 触摸屏的通信 25 触摸屏与 26 开关电源 26 开关电源的概述 26 C 变换 27 开关电源的选用 27 电机 的选择 28 三相异步电动机的结构 28 三相异步电动机的工作原理 28 额定转矩（ 29 变频调速 29 变压器的选择 30 变压器的概述 30 变压器的结构及功能 30 变压器的选择 31 电气装备附件的选择 31 电线电缆选择 31 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 4 接触器的选择 32 电磁式继电器的选择 32 热继电器的选择 33 熔断器的选择 34 开关的选择 35 第四章 硬件电路设 计 37 主电路控制电路图 37 设计功能内容 37 37 38 控制电路及附属电路设计 39 39 41 恒压供水系统的梯形图 42 恒压供水系统的指令表 42 第五章 软件设计 43 软件设计分析 43 压力控制部分 44 机械故障处理部分 45 第六章 结束语 46 致谢 48 参考文献 49 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 5 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 6 第一章 绪论 目前，在城市供水系统中，还有很多高楼、生活小区、变郊企业等采用高位水塔或直接水泵加压供水方式，在用水量大时电机满负荷运行，而在用水量小时则会停机或切换到空运行状态。这种情况下，一方面要消耗大量的电能，造成能源的浪费；另一方面由于用水量有很大随机性，传统方式在用水波动时难以保持其实时性。针对这一情况，设计了一套变频恒压供水系统，将模糊控制技术应用到系统的控制过程中，采用了 制系统及交流变频调速技术，并在控制算法的实现上提出了一种利用 底取 代了高位水塔或直接水泵加压供水方式，为城市供水系统的建设提出了一条极具推广应用的新途径。当前国内多数企业中仍使用传统的恒速泵组切换加压的供水方式，其水压不稳且浪费电能。有文献介绍，我国每年水泵消耗的电能约占电能总耗的 20%以上，而电耗又占水费成本的 60%以上，针对高楼供水的工况设计出可编程控制器、和变频调速为核心的恒压供水控制系统其结构简易紧凑水压波动小、运行平稳可靠，运行一年节约的电费投资设备50%。 随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量 等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显 著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、 网络 供水调度和整体规划要求的必然趋势。 我们都知道水流量 压力与转速的平方成正比。变频器的升降速率随时间是线性变化的，对以水压为参变量的闭环控制供水系统，若变频器速度随时间的曲线变化，则水压变化与升降速时间是线性关 系，这样有利于系统的稳定。根据供水系统情况，把变频器的工作频率上限设定为水泵基频，即频率变化范围控制在 0 与变频器输人频率成正比。恒压供水就是利用变频器的 现的工业过程的闭环控制。将管网压力信号 (4 20接输入到变频器中，由变频器与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置 结果转换为频率调节信号，调整水泵电机的电源颇率，从而实现控制水泵转速。当用水量超过一台泵的供水量时，通过 现恒压供水。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 7 第二章 设计功能及方案论证 设计功能 本控制系统具有供水机组的启动、变频运行、工频运行和过热保护手动 /自动转换、在线监控及在现场调试、电机过热保护、故障报警等功能。其具体控制要求如下： （ 1） 本系统提供手动 /自动两种工作模式，具有状态显示以及故障报警等功能。 （ 2） 模拟量压力输入径 出模拟量控制变频器。 （ 3） 在自动方式下，当系统水压低于设定压力下限时，三组电机将根据系统水压与设定水压的比较投入工作运行，分为工频运行、变频运行、停止三种工作状态。 （ 4） 根据压力限制来确定系统的故障现象，并能够实时报警。 （ 5） 根据压 力的变化能确定用水量是否超过供水负荷，并能够及时的预警和报警。 （ 6） 系统可以在线调试及现场在线监控。 系统设计方案分析及方案论证 系统设计方案论证 目前国内多数供水企业水泵类机械的典型电气传动仍是用鼠笼式异步电机驱动，因为它具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格低廉等优点。但其本身调速较难，故常为恒速运转；当需要调节流量时，则采用调节阀门的方法，这至少浪费 20%的能源。统计表明，我国每年水泵消耗的电能总耗的 20%以上，而电耗又占水费成本的 60%以上。随着变频调速控制技术日益完善，采用变 频调速控制方式来调节流量，在节电方面是有效的方法，因为流量与转速成正比，而电动机的消耗功率与转速的立方成正比。因此，当电动机转速降低使泵出口流量减少时，消耗功率会大幅度下降，从而达到节电目的。例如转速降低 20% 50%，可节电50% 80%，经济效益显著。由于居民区用水量变化大，电气传动方案宜采用多抬拖动水泵的电机并联传动取代拖动 1台大水泵的电机传动，这样可以根据不同用水情况合理地增加或切掉水泵，从而提高水泵工作效率，增加灵活性。根据供水量和扬程量确定水泵的容量和数量，通常是 1 3 台泵和 1 台辅助小泵。如果只 采用一台变频调速（ 序拖动个台泵的电机，那么可减少投资，因为变频调速装置的成本一般要占整个调速系统成本的四分之三。由在工频电网与变频器输出之间进行切换运行，并可通过程序控制自动实现（任意一台泵连续运行超过规定时间）停机轮休，防止烧坏变频器，以延长泵组的使用寿命。以上系统功能的实现有以下方案可供选择： （ 1）单片机控制，利用压力变送器和水位限压器、及 A/， 89频器及一些附属电路和相关参数的继电器，也可以实现上述功能，利用单片机 控制具有控制单元小、占地面积小、成本低，控制电路电耗小等优点，但是，单片机及相关的附属电路工作在大电流、高冲击的电磁环境，具有比较差的稳定性，另外，由于长期的连续运行，元购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 8 器件老化比较快，因此，利用单片机控制具有故障率高，寿命短的缺点。 （ 2）恒压供水控制器控制，利用恒压供水控制器、变频器及附属电路及相关参数的继电器也可以实现恒压供水功能但是恒压供水控制器具有不可编程性，因此在现场调试和现场监控性能差，不易实现 算，控制的精度不够高，相关的报警、故障诊断电路比较复杂。 （ 3） 用 频 器及相关的继电器控制，可以完全实现上述的控制功能，具有控制精度高，高度节能、具有良好大的人机界面、现场监控和现场调试方便、能够适应复杂的电磁环境、具有寿命长、故障率低一系列的优势。因此，经过慎重的论证，本设计采用 频器控制系统方案分析 （ 1） 变频调速的特点及分析 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。 随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备， 起动平稳，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。 （ 2） 恒压供水的变频应用方式 通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器 。后种方法根据压力反馈信号，通过 变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的发展方向 . （ 3） 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。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和 压力波动较大时使用模糊控制 ，以加快响应速度；在压力范围较小时采用 通过 智能仪表可时现该算法，同时对 践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 9 要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用 采用 （ 4） 变频控制原理 用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门 等 来实 现恒压供水相比，节能效果十分显著（可根据具体情况计算出来）。其优点是： 1、 起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击； 2、 由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命； 3、 可以消除起动和停机时的水锤效应； 一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减 小变频器的容量，但应注意留有足够的容量。 虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。 在主要功能预置方面，最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。升、降速时间在采用 、降速时间应尽量设定 得短一些，以免影响由 变频器本身具有 要在预置时设定 所设定的升速和降速时间将自动失效。 （ 5） 恒压供水系统特点 1、 节电：优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行； 2、 节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象； 3、 运行可靠：由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。 4、 联网功能：采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电 机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。 5、 控制灵活： 自动 /手动选择 自由选择电机的控制 工作方式 。 6、 自我保护功能完善：如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 10 系统控制方框图 本控制系统有可编程控制器 A/D、 D/A 转化一体化模块（ A/D/变频器（ 触摸屏（ 传感器部分、监控对象和电控回路组成。其硬件功能框图如图 2 图 2水 压 压力传感器 （ A/D 转换模块、D/A 转换模块、变频器、传感器部分、监控对象和电控回路组成。 其硬件功能框图如图 1 所示。 路 电机保护 水泵电机 变频器 A/D 转换 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 11 第三章 系统硬件选型 编程控制器部分 述 （ 1） 可编程控制器是 60 年代末在继电器系统上发展起来的，当时称作可编程逻辑控制器( 简称 编程控制器的产生和发展与继电器控制系统有很大的关系。继电器是一种用弱电信号控制强电信号的电磁开关，但在复杂的控制系统中，故障的查找和排除非常困难，不适应于工艺要求发生变化的场合。由此，产生了可编程控制器，它是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通讯技术，用面向控制过程、面向用户的简单编程语句，适应工业环境，是简单易懂，操作方便、可靠性高的新一代通用工业控制器，是当代工业自动化的主要支柱之一。可编程控制器具有丰富的输入 /输出接口，并具有较强的驱动能力，但它的产品并不针对某一具体工业 应用，其灵活标准的配置能够适应工业上的各种控制。在实际应用中，其硬件可根据实际需要选用配置，其软件则需要根据要求进行设计。 可编程逻辑控制器，采用的是计算机的设计思想，最初主要用于顺序控制，只能进行逻辑运算。随着微电子技术计算机技术和通信技术的发展，以及工业自动化控制愈来愈高的需求， 度上、智能化模块以及联网通信上，都有很大的提高。现在的 功能远远超出了顺序控制、逻辑控制的范围，具备了模拟量控制、过程控制以及远程通信等强大功能。美国电气制造商协会 (其 正式命名为可编程控制器 (简称 是为了和个人计算机 (简称 们常常把可编程控制器仍简称为 带有存储器，可编制程序的控制器。它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程 结构与一般的计算机相类似，可 编程控制器由硬件和软件组成。 （ 2） 组成 1、 存储器（ 输入、输出接口，电源，扩展接口，通信接口，编程接口，智能 I/）中央处理器（ 元由微处理器、系统程序存储器、用户程序存储器以及工作数据存储器等组成，它是 由大规模或超大规模的集成电路微处理芯片构成，主要完成运算和控制任务，可以接收并存储从编 程器输入的用户程序和数据。进入运行状态后，用扫描的方购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 12 图 3件的基本结构图 式接收输入装置的状态或数据，从内存逐条读取用户程序，通过解释后按指令的规定产生控制信号。分时、分渠道地执行数据的存取、传送、比较和变换等处理过程，完成用户程序所设计的逻辑或算术运算任务，并根据运算结果控制输出设备。 2）存储器 存储器单元按照物理性能分为两类，随机存储器（ 只读存储器（ 随机存储器由一系列寄存器阵组成，每位寄存器可以代表一个二进 制数，在刚开始工作时，它的状态是随机的，只有经过置“ 1”或清“ 0”的操作后，它的状态才确定。如关断电源，状态丢失。这种存储器可以进行读、写操作，主要用来存储输入输出状态和计数器、定时器以及系统组态的参数。为防止断电后数据丢失，可采用后备电池进行数据保护，一般可以保存 5年，电池电压降低时，欠电压指示灯发光，提醒用户更换电池。只读存储器在两种，一种是不可擦除 种 能改写。另一种是可擦除 种 过擦除以后可以重写。其中 能用紫外线探险内部信息， 擦除内部电擦除内部信息，这两种存储器的信息可以保留 10年左右。 3）输入、输出接口 电源 中央处理器 （ 输 出 单 元 输 入 单 元 系统程序 存储器 用户程序 存储区 主机 用户输入设备 存储器 外设接口 I/编程器 打印机 . . . I/O 扩展单元 特殊功能单元 用户输出设备 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 13 输入输出单元由输入模块、输出模块和功能模块构成，是 过用户程序的运算与操作，把结果通过输出模块输出给执行单元。输出模块用于把用户程序的逻辑运算结果输出到 出模块具有隔离 部电路和外部执行单元的作用，还具有功率放大的作用。输出模块有晶体管输出模块、晶闸管输出模块和继电器输出模块。 接口单 元包括扩展接口、编程器接口、存储器接口和通信接口。扩展接口是用于扩展输入输出单元。它使 种接口为总线形式，可以配置开关量的 I/可以配置如模拟量、高速计数等特殊 I/程器接口是连接编程器的， 体通常是不带编程器的。为了能对 程及监控， 专门设置有编程器接口。通过这个接口为了接各种形式的编程装置，还可以利用此接口做通信、监控工作。存储器接口是为了扩展存储器而设置的。用于扩展用户程序存储区和用户数据参数存储区，可以根据使用的需要扩展 存储器。其内部也是接到总线上的。通信接口是为了在微机与 4）电源 20V 单相交流电源，电源部件将交流电转换成中央处理器、存储器等电路工作所需的直流电，保证 于小型整体式可编程控制器内部有一个开关稳压电源，此电源一方面可以为 I/一方面可为外部输出原件提供直流 24 5）扩展接口 扩展接口用于将扩展单元与基本单元相连，使 满足不同控制系统的需求。 6）通信接口 为实现“人 机”或“机 机”之间的对话， 有多种通信接口。 过这些接口可以与监视器、打印机及其他的 当 打印机相连时，可将过程信息、系统参数等输出打印；当与监视器（ 连时，可将控制过程图像显示出来；当与其他 连时，可以组成多机系统或联成网络，实现更大规模的控制；当与计算机相连时，可以组成多级控制系统，实现控制与管理相结合的综合控制。 7）智能单元 各型 们一般都有自己的 有自己的系统软件，能独立完成一项专门的 工作。智能单元通过总线与主机相联，通过通信方式接受主机的管理。常用的智能单元有 A/D/速计数单元、定位单元等。 2、 仅有硬件是不能构成 有软件的 什么事情也干不成的。可编程序控制器的软件部分由系统程序和用户程序两大部分组成。 1）系统程序 由 以控制可编程序控制器本身的运作；用户程序则是由使用购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 14 者编制并输入的，用来控制外部对象的运作。系统程序分成系统管理程序、用户指令解释程序、标准程序模块及系统调用子程序模块。 2）用户程序 用户程序 是 是用梯形图或某种 以是梯形图、指令表、高级语言、汇编语言等，其他助记符形式随 户程序是线性地存储在监控程序指令的存储区间内的，它是最大容量也是由监控程序限制的。 3、可编程序控制器的用途 泛应用于钢铁、水泥、石化、化工、采矿、电力、机械制造、汽车、造纸、纺织、环保等行业。 1）顺序控制， 2）运动控制， 3）闭环过程控制， 4）数据处理， 5）通信和联网。 4、可编程序控制器的特点 1）抗干扰能力强，可靠性高； 2）控制系统结构简单、通用性强、应用灵活； 3）编程方便，易于使用； 4）功能完善，扩展能力强； 5） 装、调
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