双恒压无塔供水系统设计.doc

电气专业高级工毕业课题设计说明书电气系高级工毕业课题设 计 说 明 书课题名称 双恒压无塔供水系统设计 专业班级 学生姓名 学 号 指导教师 宁波技师学院电气技术系 二 零 一 四 年 二 月目 录1前言41.1双恒压供水的目的和意义41.2消防、生活供水的特点41.3消防、生活供水的实现51.4论文的主要工作71.5本章小结72变频调速恒压供水系统理论分析82.1序言82.2工艺调节过程简介82.3变频调速调节系统82.4节能分析132.5小结153总体方案设计173.1系统总述173.2压供水控制系统的基本控制策略173.3压供水系统的基本构成183.4总体设计框架193.5本章小结214硬件系统设计224.1设备选择224.2外部电路设计294.3控制电路设计304.4 变频器参数设定324.5本章小结345软件系统设计355.1 泵站软件的设计分析445.2程序结构355.3程序功能实现355.4 控制程序设计385.5 本章小结396系统调试406.1变频器调试406.2 plc的调试426.3本章小结43结论471前言传统的生活及生产供水的方法是通过建造水塔维持水压。但是，建造水塔需要花费财力，水塔还会造成水的二次污染。那么，可不可以不借助水塔来实现恒压供水呢？当然可以，但是要解决水压随用水量的大小变化的问题，通常的办法是:用水量大时，增加水泵数量或提高水泵的转动速度以保持管网中的水压不变，用水量小时又需做出相反的调节。这就是恒压供水的基本思路。交流变频器的诞生和plc的运用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。1. 1双恒压供水系统的目的和意义 变频调速双恒压系统，是现今社会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作出反应，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、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，则不仅可以大大减少不必要的投资，而且能省去日常的维护费用1.3生活、消防供水的实现 给水系统由三台工频水泵和一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电机。三台泵轮流备用。这样就避免了长期不使用水泵，发生水泵锈死的现象。 平时生活用水由一台泵组供给，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)消防供水系统，三台泵启动加频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. 3.1目前供水系统的模式 对于居住住宅楼的给水系统设计，传统的供水方式一般采用恒速泵直接供水;采用高位水箱供水;气压罐供水。1.3.1恒速泵供水 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，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(也即打开阀门，放水的支路多时)，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豁占。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. 6m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1. 4论文的主要工作 本论文的主要工作是城镇小区供水系统(包括生活和消防)的实施和控制，采用无塔和无箱供水方式进行设计和实施，其实施结果证明是可行的，具体而言，本论文的主要工作如下: 构筑城镇小区的双恒压供水系统(设计、论证)。 系统详细构件组成(变频器、plc、水泵、电机及电器辅助驱动器件等)，及这些构件选用的理论依据。 整个系统调速过程和节能的理论分析。 系统通讯实现(包括变频器、plc通讯的硬件实现和软件实现)。 plc、变频器、外围接口的连接及plc的编程。 系统的总体调试(关键设备参数的设定，调试遇到问题及解决办法和措施)。 本论文是用理论去分析，解决实际工程问题来实施设计的一个完整控制系统，证明是可行的，它为以后的城镇供水系统的设计和实施提供了一个范例。1. 5本章小结 综上所述，城镇社区生活、消防给水人用系统，在解决了常规性技术问题后优点凸现。 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。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。 2变频调速恒压供水理论分析2. 1序言 变频调速恒压供水是90年代发展的新技术，由于采用了微机控制和大功率晶体管(gtr)技术，生产出了交流电机无级调速的先进产品交流电机变频调速器。这些技术和装备在给水系统中的应用，使得变频调速恒压供水系统成为当前高层建筑供水方式中一种新型的供水方案。利用变频调速装置和压力传感器组成闭环控制系统来控制水泵的转速，保持水压恒定。下面就详细介绍双恒压供水系统的理论构置情况。2. 2工艺调节过程简介 系统由三台变速泵及可编程控制器、远程压力表、控制柜等单元设备和器件组成。其中变速变量泵是利用变频器改变电机工作频率来改变水泵的输出流量，利用速度变化来恒定系统压力的。 当系统投入运行时，远程压力表检测管网压力并将信号传送到变频器和plc在变频控制软件和plc的作用下，系统根据不断收取到的管网压力信号，发出变频调速泵运转速度和各泵投运和轮休的指令，从而实现无论用水量怎样变化，管网压力始终保持在设定压力范围，变化误差符合国家标准的要求，即1*108压力循环（25） 相对湿度（%rh） 1080 振 动 （hz） 0300 加速度（ms-2） 39.81 冲 击（ms-2） 109.81 测量介质 与316l不锈钢兼容的各种介质 膜片材料 316l不锈钢 壳体材料 1cr18ni9ti 接 口 m201.5或用户自定 特点31/2位led（lcd）显示精度高：0.1%fs（模拟信号）；0.5（数字显示）激光调阻温度补偿，使用温域宽抗干扰设计，适合恶劣使用环境可靠稳定：温漂0.01%fs/；时漂0.2%fs/年输出420ma信号，适于远传防浪涌电压，极性反向保护零点满量程可在仪表后面板方便调节校准过载能力强，3倍于满量程体积小，安装方便选用量程为0.0-1.0mpa的压力表。4.1.4plc的选型在整个供水系统中，市网来水存储在水池只中，水池的水位高低由水位控制器控制注水阀的开闭。它们自动把水注满水池，只要水位低于高水位，则自动往水箱中注水。水池的高低水位信号也直接送给plc，作为低水位报警用。生活/消防用水共用三台泵，平时消防电磁阀处于失电状态，关闭消防管网，三台泵根据生活用水的多少，按一定的控制逻辑运行，使生活供水在恒压状态。发生火灾时，电磁阀得电，消防水网打开，三台泵提供高恒压水。三台泵根据恒压需要，采取先开先停的原则接入和退出，在用水量小时，如果一太泵连续运行时间超过三小时则要切换到下一台泵，避免某台泵工作时间过长，三台泵具有软启动功能，有完善的报警系统，对泵有手动控制功能，手动只在应急或检修时使用。根据系统控制的要求得出的系统i/o配置及地址分配如下表：plc模拟量扩展单元的配置及应用plc的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使plc能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式plc加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可以将外部模拟量转换为plc可处理的数字量及将plc内部运算结果数字量转换为机外所需的模拟量。模拟量扩展单元有单独用于模/数转换的，单独用于数/模转换的，也有兼具模/数及数/模两种功能的。如用s7-200系列plc的模拟量扩展模块em235，它具有四路模拟量输入及一路模拟量输出，可以用于恒压供水控制中。plc系统的选型 系统共有开关量输入点6个、开关量输出点12个;模拟量输入点1个，模拟量输出点1个。如果选用cpu224的plc，也需要扩展单元;如果选用cpu226的plc，价格比较高，这样形成的浪费较大。因此参照西门子s7-200产品目录及市场价格可知选用的主机为cpu222一台，加上一台数字量扩展模块em222，再扩展一个模拟量模块em235。这样配置是最经济的，整个plc配置如下图所示：图4.1 plc的系统组成4.2外部电路设计4.2.1主控制电路如下图为电控系统的主电路图。三台电机分别为m1，m2，m3。接触器km1，km3，km5分别控制电机m1，m2，m3的工频运行;接触器km2，km4，km6分别控制电机m1，m2，m3的变频运行;fr1，fr2，fr3分别为三台水泵电机的过载保护的热继电器;qs1，qs2，qs3，qs4分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关;fu1为主电路的熔断器;vvvf为通用变频器。系统的工作过程中，首先由变频器逐渐升频，带动电机慢慢加速启动，实现了