毕业设计论文楼宇自动化智能建筑给排水系统设计.doc

毕业设计论文楼宇自动化智能建筑给排水系统设计 智能建筑给排水系统概述学号090402133 姓名 苏娟宁西安工业大学 电子信息工程学院陕西 西安 710021摘要智能建筑给排水系统是利用变频调速恒压供水系统具有节能安全高品质的供水质量等优点采用PLC作为控制器硬件结构简单成本低系统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关键词智能建筑给水系统排水系统变频调器PLC1智能建筑给排水系统的产生背景随着计算机技术信息通信技术等电子信息技术的不断发展进步建筑物中设备的自动化程度越来越高同时随着城市建设步伐的加快越来越多的高层建筑为城市增添了现代化气息智能建筑技术正是在这样的背景下得到蓬勃发展的本文在讨论智能建筑的基础上对一幢二十六层综合楼楼高81m的建筑的给排水控制系统进行了研究针对该高层商住楼用水结合智能建筑的特点对该建筑的给水系统排水系统进行了初步探讨给排水系统主要由水泵水池电机及阀门等组成采用变频器进行压力调节采用可编程逻辑控制器进行逻辑控制变频器可编程逻辑控制器作为系统控制的核心部件时刻跟随管网压力与给定压力的偏差变化经变频器内部PID运算通过可编程控制器控制变频和工频自动控制水泵投入的台数和电机转速实现闭环自动调节恒压变量供水在保持恒压下达到控制流量的目的给排水系统的监控是通过计算机对系统中的各种水位水泵工作状态和管网压力进行实时监测按照一定要求控制水泵的运行方式台数和相应阀门的动作以达到需水量和供水量之间的平衡污水的及时排放实现水泵高效低耗的最优化控制达到经济运行的目的并对给排水系统的设备进行集中管理保证系统可靠运行 当需水量减小时电动机转速降低水泵出口流量减少否则电动机转速调高排水系统中污水处理池污 废 水集水井的液位由高低液位显示及越限报警来提醒水泵过载报警监视水泵的运行状态当水泵出现过载时停机并发出报警信号 在设计中主要内容包括给水系统排水系统设计其中给水系统中采用恒压变频供水方式水源是城市供水管网1智能建筑的基本概念及特点com筑的概念智能建筑一词诞生于20世纪80年代初它是信息时代的必然产物美国智能建筑学会定义智能建筑是将结构系统服务及运营相互联系全面综合并达到最佳组合所获得的高效率高功能与高舒适性的大楼从发展的角度来看应强调智能大厦是多学科多技术系统集成的特点即智能建筑是指利用系统集成的方法将智能计算机技术通信技术信息技术与建筑艺术有机结合通过对设备的自动监控对信息资源的管理和对使用者的信息服务及其与建筑物的优化组合获得投资合理适合信息社会需要并且具有安全高效舒适便利和灵活特点的建筑物 智能建筑结构图如下图11所示因此智能建筑又被称3A建筑OAS-办公自动化系统BAS-建筑设备自动化系统CNS-通讯网络系统2智能建筑的特点 1 智能建筑创造了安全健康舒适宜人和能提高工作效率的办公和居住环境 2 节能利用最新技术节约能源 3 能满足多种用户对不同环境功能的要求 4 现代技术化的通信手段与办公条件com筑在世界的发展以及应用上世纪80年代后期智能建筑风靡全球这主要是代表电子技术的计算机通讯控制三项技术在楼宇自动化通讯网络以及它们的系统集成方面有了飞跃的发展无论从硬件软件到集成技术都有显著的进步加上上个世纪90年代初国际互联网在世间迅速普及和应用人们对建筑功能的要求愈来愈高同时高新科技能为人们提供更安全更高效更舒适更便捷的环境一个蓬蓬勃勃的建筑智能化的普及高潮业已在全球形成com筑在我国的发展及应用智能建筑进入我国技术领域大体上是在上个世纪80年代中期以后中国科学院计算技术研究所就曾进行了智能化办公大楼可行性研究对智能办公大楼的发展进行了探讨智能建筑真正的普及和推广是在1992年改革开放的大潮中兴起的房地产热潮由此兴起的我国智能建筑发展迅速呈现巨大的市场潜力社会经济效益显著随着通信技术网络技术计算机技术等在我国的迅速发展智能建筑在各方面也有很大的提高据有关资料显示目前智能建筑的投资约占总投资的5-8有的可达到10智能建筑的真正意义在于满足用户需要2设计方案假设该智能建筑共有27层地上26层地下1层建筑总高度为81米地下室是设备用房用作泵房和修建水池地下室地面标高为 -39米12层是裙房作为商业场所使用1层39米高2层51米326层为单元式住宅层高30米每层11户3层其中4户是两室一厅一个厨房一个卫生间和一个阳台其中6户为三室一厅一个厨房两个卫生间和一个阳台1户为一室一厅一个厨房和一个卫生间除上述户型外还有个门厅和值班室426层其中4户是两室一厅一个厨房一个卫生间和一个阳台其中7户为三室一厅一个厨房两个卫生间和一个阳台厨房内设厨房洗涤盆1个卫生间内设浴盆1个低位水箱坐便器1个洗脸盆1个每户设分户水表共用水表箱设在走廊内室外常年可保证的市政水压为400kPa本系统用给水泵3台其中两台自动切换使用另外一台泵用排水泵3台两用一备com制方法的选用随着城市建筑步入高层化发展生活用水消防用水等对供水配套装置提出了更高的要求由于公共自来水网水压不足等原因往往会使得用户端水压过低达不到要求一般来说解决办法有增加供水泵站的压力或采用末端增压技术前者涉及面太大相比较而言后者可行常用的手段有储气罐式增压供水变频调速恒压供水储气罐式供水一次投入较低但存在着压力不稳定气包需定期充气压力容器易产生危险等缺点目前已逐步被变频调速恒压供水设备所取代变频调速恒压供水设备采用国际上成熟的变频调速技术具有水压稳定维护方便运行费用低节能等优点供水压力随水流量的变化而变化供水系统的水流量受水消耗量的控制为保证建筑内的供水要求安全稳定即既要有足够的水量又要有良好的水质和稳定适宜的水压故选用变频调速恒压供水com究内容智能建筑是计算机和信息处理等高技术与建筑艺术的有机结合综合型智能建筑由三大基本要素构成即办公自动化系统 OAS 建筑设各自动化系统 BAS 和通讯网络系统 CNS 这三大要素也称之为3A系统建筑设备自动化系统保证机电设备和安全管理的自动化对楼宇温度湿度含氧量与照明度等参数值进行测量并按照使用者要求迅速实施调节和综合管理为用户提供舒适宜人的室内环境和可靠的安全保障给排水系统属建筑设备管理自动化系统的一部分要求其运行安全可靠实现水泵最佳运行控制31给水系统示意图由蓄水池液位计电磁阀水泵电机止回阀三通阀压力变送器变频调速器压差开关等组成下面对其中一些器件进行简单介绍1止回阀1定义止回阀是指依靠介质本身流动而自动开闭阀瓣用来防止介质倒流的阀门又称逆止阀单向阀逆流阀和背压阀2作用止回阀属于一种自动阀门其主要作用是防止介质倒流防止泵及驱动电动机反转以及容器介质的泄放止回阀还可用于给其中的压力可能升至超过系统压的辅助系统提供补给的管路上3工作原理分析这种类型的阀门的作用是只允许介质向一个方向流动而且阻止方向流动通常这种阀门是自动工作的在一个方向流动的流体压力作用下阀瓣打开流体反方向流动时由流体压力和阀瓣的自重合阀瓣作用于阀座从而切断流动其中止回阀就属于这种类型的阀门它包括旋启式止回阀和升降式止回阀旋启式止回阀有一介铰链机构还有一个像门一样的阀瓣自由地靠在倾斜的阀座表面上4选用标准为了防止介质逆流在设备装置和管道上都应安装止回阀止回阀一般适用于清净介质不宜用于含有固体颗粒和粘度较大的介质2液位计1这里选用浮球液位计浮球液位计是以磁浮球为测量元件通过磁耦合作用使传感器内电阻成线性变化由智能转换器将电阻变化转换成420mA标准电流信号并叠加HART信号输出或就地液晶显示可现场显示液位的百分比420mA电流及液位值远传供给控制室可实现液位的自动检测控制和记录该仪表适用于石油化工电力轻工及医药等行业污水处理及各类常压和承压容器内介质液位的测量尤其对于地下贮槽贮罐的液位测量最为理想技术参数测量范围03500mm供电电压1236V DC输出信号两线制420mADC叠加数字信号由用户选择开方或负载电阻250测量精度10mm环境温度-4080工作温度-20120压力变送器的原理力变送器是工业实践中最为常用的一种传感器其广泛应用于各种工业自控环境涉及水利水电铁路交通智能建筑生产自控航空航天军工石化油井电力船舶机床管道等众多行业下面就简单介绍一些常用压力变送器的原理及其应用 应变片压力变送器原理与应用力学传感器的种类繁多如电阻应变片压力变送器半导体应变片压力变送器压阻式压力变送器电感式压力变送器电容式压力变送器谐振式压力变送器及电容式加速度传感器等但应用最为广泛的是压阻式压力变送器它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性正负迁移零点经过正迁移或负迁移后量程测量范围的上限值和下限值的绝对值均不能超过测量范围上限的100最大正迁移量为最小调校量程的500最大负迁移量为最小调校量程 的600过程压力通过两侧或一侧的隔离膜片灌充液传至室的中心测量膜片中心膜片是一个张紧的弹性元件它对于作用在其上的两侧压力差产生相应变形位移其位移与差压成正比最大位移约01mm这种位移转变为电容极板上形成的差动电容由电子线路把差动电容转换成二线制的420MA DC输出三通阀阀体有三个口一进两出左进右和下出和普通阀门不同的是底部有一出口当内部阀芯在不同位置时出口不同如阀芯在下部时左右相通如阀芯在上部时右出口被堵住左和下口通因为左口和右口不在一条水平线上当高价紧急解列时阀门关闭给水走旁路2液位报警器液位报警器也叫浮球液位开关水位控制器液位开关是指通过机械式或者磁感应的方法来进行水位的报警和检查可以声光报警等或者电磁性报警同时控制水泵等设备的启停电缆式液位报警器原理是通过微动开关为核心元件封装在密闭的塑料外壳内进行高低液位检测当被测液位到达动作点时输出高或低液位信号当液位低到一定的位置时输出继电器开关信号或者直接供电给报警器从而实现对液位的报警功能电缆式液位报警不需要浮球和干簧管外部无机械动作耐污耐用不怕漂浮物影响任意角度安装竖向安装有一定的防波浪功能这种方式较实用耐污寿命长安全3电磁阀电磁阀是用电磁控制的工业设备用在工业控制系统中调整介质的方向流量速度和其他的参数电磁阀是用电磁的效应进行控制主要的控制方式由继电器控制这样电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制而控制的方式由继电器控制这样电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制而控制的精度和灵活性都能够保证电磁阀有很多种不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用最常用的是单向阀安全阀方向控制阀速度调节阀等4压力变送器一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器也称作压力传感器测量电路和过程连接件三部分组成它能将测压元件传感器感受到的气体液体等物理压力参数转变成标准的电信号 如420mADC等 以供给指示报警仪记录仪调节器等二次仪表进行测量指示和过程调节压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的这样的传感器也称为压电传感器压电效应是压电传感器的主要工作原理压电传感器不能用于静态测量因为经过外力作用后的电荷只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存实际的情况不是这样的所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力压电传感器主要应用在加速度压力和力等的测量中压电式加速度传感器是一种常用的加速度计它具有结构简单体积小重量轻使用寿命长等优异的特点压电式加速度传感器在飞机汽车船舶桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位 2 温度范围工作温度范围2088LT型为25705水流开关该系统用到的传感器是采用的是海湾图32变频恒压供水系统原理图给水泵设置3台采用变频控制可实现不间断恒压供水采用手动自动混合控制及监控方式满足智能建筑对建筑给排水的基本控制要求的实现com选用通过对该楼用水量的计算来选择合适的水泵查阅新编建筑给水排水工程师手册住宅中二类建筑的用水定额在130Lpd300Lpd之间在本设计中取用最高标准300Lpd时变化系数Kh 25用水时间T 24h每户为3人用水人数为31123 759人 本建筑12层不供水住房区每层有11套住房3层其中5户配有一个卫生间有浴盆一只N 10洗脸盆一只N 075和坐便器一具N 05和一个厨房洗涤盆一只N 10单阀水嘴其中6户有2个卫生间和一个厨房426层其中4户为一个卫生间和一个厨房其中7户为2个卫生间和一个厨房最高日用水量Qd m qd 7593001000 22270m3d最高日最高时用水量Qh Kh QdT 252227024 2320m3h考虑管网漏失水量和未预见水量之和按最高日用水量的10计Kh 10所以最高日用水量Qd 22270 110 2450 m3d最高日最高时用水量Qh 2320 110 2552 m3h1水泵的选择水池和泵房设于地下室内水泵直接将水抽到给水系统中水泵出水量按最大时用水量的11倍来确定即Qb 112552 278m3h查给水钢管水利计算表得当水泵出水量为278 m3h86Ls时水泵的几个水力参数如下表表3 1 水泵参数表管径 mm 流速 ms i kPam 管长 m 水头损失 kPa 吸水管DN 50mm063022300066压水管DN 40mm1070818256683计算水泵扬程Hb H1H2Hh H1贮水池最高水位至水箱进水口所需的静压力kPaH1 6520 205 6725m 6725kPaH2水泵吸水管和出水管至水箱进水口的总水头损失其中给水管网局部水头损失为沿程水头损失的30故H2 13 0666683 136749 8774kPaH h水箱进水口的流出水头取为20kPa水泵的扬程为Hb H1H2Hh 6725877420 78024 kPa 78m H2O水泵的出水量为278 m3h 据此选得型号为40MS8-40的多级离心泵3台2用1备MS泵型是引进日本先进技术制造的双蜗壳单吸多级分段式离心泵供输送清水及物理化学性质类似于水的液体液体最高温度不得超过80MS型泵适用于农田灌溉工厂及城镇给水特别适用于高层建筑及高级宾馆给水该泵的性能和安装尺寸见下表所示表32 MS型多级离心泵性能型号流量Qm3h扬程H m 转速nrmin电机功率KW必须气蚀余量m40MS8-4015078414504030MS型多级离心泵外形及安装尺寸该泵底座直径为320mm进水口成水平方向出水口垂直向上吸水管距底座高H1 225 mm 压水管出口距底座高H2 400mm水泵基础定为边长350mm的正方形基础深度H 30d 540mm2引入管及水表选择水表的选择高区管网管段设计流量为 84Ls 272m3h中区管网管段设计流量为 101Ls 364m3h据建筑给水排水工程附录1-1选用水表为LXL-80N水平螺翼式水表其技术参数如下表表33 LXL-80N水平螺翼式水表技术参数型号公称口径计量等级最大流量m3h公称流量m3h分界流量m3h最小流量m3h最小读数m3h最大读数m3hLXL-80N80A8040123200199999932 给水系统控制要求 给排水系统的监控和管理由现场控制和集控中心来实现其最终目的是实现给排水的合理调度也就是说无论用户用水量怎样变化水泵都能及时改变其运行方式实现水泵的最佳运行 给水的监控系统需随时监视大楼给排水系统并自动储水当系统出现异常情况或需要维护时及时发出信号通知管理人员处理给水系统监控主要包括水泵的自动启停控制水泵的故障报警水泵的运行状态监测水箱水位监测等通过程序设计来满足自动控制要求即根据水的高低水位信号来控制水泵的启停并且进行溢水和枯水预警当水泵出现故障时立即发出报警信号同时备用泵自动投入运行利用 P LC控制技术和变频调速技术开发的全自动恒压供水系统 管道内水压恒定 既可以满足供水要求 避免出现供水事故 还可节约电能系统采用压力闭环控制 自动修正被控变量出现偏离的能力可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差控制精度高闭环恒压供水的 PID调节在供水过程中 水泵转速的变化可以调节水量 但是转速降低 流量减小 压力也相应降低 为了保证流量并维持一定的供水压力 最大限度地节约电能 我们必须建立闭环自动调节系统在水泵的出口侧 检测压力变化 一旦偏离设定压力 系统就自动响应 调节转速 维持相应压力下的供水量该闭环恒压供水系统 主要由变频器 可编程序控制器及传感器组成调节原理图如下图34所示为了保持供水管道的压力恒定 就必须实时检测管道压力并回馈给供水控制器使其构成压力闭环控制系统用的控制器是 P I D调节为主要手段 一般情况下PID方式的调节器就能够满足供水管压力的稳定调节然而这种类型的闭环系统 也存在着一些难以解决的问题比如在系统的动态运行过程中 水泵 电机的速度会经常出现过调量甚至不稳定这些都对整个的供水设备具有很大的破坏性 还会减小整个系统的效率目前针对于供水系统的调节器设计都对 P I D调节算法进行了一定程度的改进并且在 PID算法的参数设定时做了大量工作在供水系统中使用水泵的目的是向各末端水龙头连续稳定地供给适当水压的水因此 不论供水量多少 必须控制水泵的压力恒定使用变频调速的水泵 其压力控制常采用出口水压一定控制压力传感器装在水泵附近的主出水管内 将感受到的压力转化为电信号作为反馈信号变频器内置 PID调节器作为压力调节器PID调节器将来自压力传感器的压力反馈信号与出口压力给定值比较运算 其结果作为频率指令输送给变频器 调节水泵的转速使出口压力保持一定根据供水管网压力的变化 通过变频器实现自动跟踪来控制水泵电机的转速 使供水管网中保持恒定的压力 以达到高效供水及高效节能目的总的原理如下 系统采用压力负反馈控制方式压力传感器将供水管道中的水压变换成电信号经放大器放大后与绘定压力比较其差值进行PID运算后去控制变频器的输出频率再由PLC控制并联的若干台水泵在工频电网与变频器间进行切换实现压力调节系统采用2台水泵并联运行方式通过安装在出水管网上的压力传感器把出口压力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器经运算与给定压力参数进行比较得出一调节参数送给变频器由变频器控制水泵的转速调节系统供水量使供水系统管网中的压力保持在给定压力上当用水量超过一台泵的供水量时通过PLC控制器加泵根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速实现恒压供水当供水负载变化时输入电机的电压和频率也随之变化这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制实现软启动避免了启动大电流给水泵电机带来冲击相对延长了电机的使用寿命同时系统供水采用变频泵循环方式以先开先关的顺序关泵工作泵与备用泵不固定死这样既保证供水系统有备用泵又保证系统泵有相同的运行时间有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象提高了设备的综合利用率降低了维护费用com测及报警在低位蓄水池处可设一液位传感器或压力传感器来检测水池液面位置当水池水位上升至上限停泵水位时传感器向现场控制器送出信号现场控制器给水泵机组输送信号使水泵自动停机当水位低于所设的低位报警水位时系统报警这种压力传感器可以通过压力连续检测水池液位并把信号送入现场控制器中而停泵和报警液位的设定是可改变的示意图如下图36所示41排水系统概念及组成com统的概念排水系统通过管道及辅助设备把屋面雨雪水生活和生产产生的污水废水及时排放出去的网络称为排水系统com统的组成排水系统由液位计现场控制器及水泵电机设备示意图如下图41所示42排水系统需检测的物理量污水处理池污废水集水井的高低液位水泵运行状态显示 检测水泵的开停及有关压力流量等有关参数水泵过载报警 监视水泵的运行状态挡水泵出现过载时停机并发出警报信号43排水系统的控制原理根据污废水集井的水位控制排水泵的启停当集水井的水位达到上限时启动相应的水泵当水位达到高限时连锁启动相应的备用泵工作原理集水井设三个液位计检测液面位置分别是下限液位LA上限液位LB和高限液位LC监控系统根据集水井水位变化控制工作泵的启停液位信号送入现场控制当集水井中水位达到上限时控制器启动排水泵运行直到水位下降至下限时停止排水泵运行当污水流量较大水位达到高限时监控系统发出报警信号提醒值班人员注意同时备用水泵投入运行其中液位计采用浮球液位计当水位上升到上限液位高度如图42所示10m时开关闭合接通电机排水泵运行开始排水当水排到一定水位比如5m水位下降到下限液位时开关自动断开电机停转停止排水总结楼宇自动化是一门非常贴切生活的学科是理论运用于实践的一门学科通过学习这门课程我对智能建筑给排水控制系统的设计有了一个总体的了解全面地掌握了变频调速器在给水排水系统中的应用系统地学习了智能建筑给水排水系统的相关知识学会了如何运用设计手册查找相关的设计资料在本次论文设中主要是针对智能建筑给水排水控制系统的设计设计内容主要是给水控制系统和排水控制系统利用