城市高层建筑智能供水控制系统设计

摘要由于我国城市城乡工程建设的发展,水、电供给短缺的冲突也逐渐变成了我们所关心的话题。因此,由于我们生活中的用体积愈来愈大,我们每天中的用体积的变化也就愈来愈大。以往的城市供水系统中,大型管网的选用一般是按最高供水量来决定,而现实的用情况却在变化。由于高峰期使用持续时间相对比较短,如此的大型管网会在很长一段时间内有较大剩余,不但大型管网的效率低,供水压力也不稳,而且导致了大批电能、自然资源的耗费;同时,以往依赖手工操作控制泵的起动、停机,也已无法满足使用需求。本文在全面研究和对比了国内给供水电动控制的开发状况和优点的基本上，根据国内中小城市给供水厂的开发情况，建立了一整套以变频器工艺为基本的高级恒压供水系统。该管理系统综合运用了PLC工艺、变频调速技术等，完成了对多层恒压供水的参数整定与控制，确保了多层恒压供水系统保持在良好的运行状态。针对城市高层恒压供水的特点，公司通过PLC和变频器等调速方式对供水泵组实施统一管理，并在管理系统中引入了软硬件双滤波方式和数字PID的在线控制。讲述了系统的硬件结构、软件设计、运行特点、工作模式、参数调节等[2]。关键词：高层恒压供水；PLC；变频调速；PID控制器AbstractDuetothedevelopmentofurbanandruralengineeringconstructioninChina'scities,theconflictofwaterandelectricitysupplyshortagehasgraduallybecomeatopicofconcerntous.Therefore,asthevolumeofuseinourlivesbecomeslargerandlarger,thevolumeofuseinourdailyusechangesmoreandmore.Inthepast,thechoiceoflarge-scalepipenetworkswasgenerallydeterminedbythemaximumwatersupply,buttheactualusagesituationischanging.Duetotherelativelyshortdurationofuseduringthepeakperiod,suchalargepipenetworkwillhavealargesurplusforalongtime,whichnotonlyhaslowefficiencyofthelargepipenetwork,butalsounstablewatersupplypressure,butalsoleadstoalargeamountofelectricityandnaturalresourceconsumption;Atthesametime,thepreviousrelianceonmanualoperationtocontrolthestartandstopofthepumpcannolongermeettheneedsofusers.Inthispaper,aftercomprehensivelystudyingandcomparingthedevelopmentstatusandadvantagesofelectriccontrolofdomesticwatersupply,accordingtothedevelopmshed.ThemanagementsystemcomprehensivelyusesPLCtechnology,frequencyconversionspeedregulationtechnology,etc.,tocompletetheparametertuningandcontrolofmulti-layerconstantpressurewatersupply,andensurethatthemulti-layerconstantpressurewatersupplysystemismaintainedingoodoperatingcondition.Accordingtotherequirementsofhigh-riseconstantpressurewatersupply,PLCandfrequencyconversionspeedregulationtechnologyareusedtocontrolthewatersupplypumpgroup,andsoftwareandhardwaredualfilteringtechnologyanddigitalPIDonlinecontroltechnologyareintroducedintothecontrolsystem.Thehardwarecomposition,softwaredesign,workingprinciple,operationmode,parametersetting,etc.ofthesystemareintroduced[2]..Keywords:Water-supply；PLC；VVVF；PIDControl目录引言 第一章高层楼宇供水控制系统的分析国内高层楼宇供水现状水池系统-水泵(恒压变频或气压罐)-管网系统-用水点:

该种方式是单元集中供给。但针对一、二类城市的商品群房,群房通常为建有多幢高层住宅的商品用房,因而目前较多采用此种单元供给方式。一般配备有地下活动池一座,采用集中恒压变频方式供水,不设置屋顶副自动泵。主水泵数量一般为三台,由二开一备自动切换至,而副自动化水泵则通常采用一小流量抽水泵,在夜间有大用水量时由主抽水泵自动切换至副抽水泵,以保证系统水压的基本不变。[2]恒压变频供水是较为理想和先进的。传统恒压供水方式如图1-1所示。图1-1传统恒压供水方式水池－水泵－高位水箱－用水点：此方法也是集中供水。在单栋的多层和高层建筑中的高压饮用水区,最多使用这种方法。通常还要求设置了一个地下水池，并利用二台水泵（一用一备）抽水输送至高位水箱，然后从高位水箱向下供给至所用水地。这种方法是比较完善的泵、水箱供应方法。[3]单位水箱－单位增压泵－单元高位加压水泵－各单位加水点：次方法则已减少为单位的水表进水。单位水泵与单位增压泵其实是同一个系统,也叫做单位增压系统。因为是屋顶水泵系统,高水平时停泵,低水平则起泵,这样一来,泵就有了休息时间,既省力又不会因为一断电即停泵而无水供应,生活用水就有了保证,而且效益也很高。各类供水系统的比较水池系统-水泵(恒压变频或气压罐)-管网系统-水点,是目前在国内外最普遍应用的方法。该系统供水方式是采用了变频水泵设计方法,采用了“先开先关”的方法关自动化水泵,工作泵与设备水泵均不会卡死。[1]这样,就既保证了供水系统内的备用泵,又保证了系统泵保持在同样的运作状态,这样就有效的防止了由于设备泵的长期运作而不用产生锈死现象,提高了系统的综合利用率,同时降低了系统维护费用。

一种供水方式是从水池经由水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各个用水点。然而，这种二次供水方式将不可避免地造成二次污染，严重影响居民的身体健康。因此，这种方案并不可取，并且很可能会被淘汰。在单位供水时，采用单位抽水泵、单位增压泵和单元高位抽水泵的方式，确实可以使大楼和周边高层住宅的居民不受城市供水管网水压降低的影响而享用自来水。但是，由于这种方式需要较大的投资，总费用相比前两种方式也增加了一二百万元。这些费用要通过使用水电费来抵扣，这对家长和孩子来说是巨大的压力，因此不可取。根据对民用高层建筑供水的性质和经济性的综合考虑，最后决定了使用恒压变频供水系统。但上述的高层恒压供水系统中还存在着一种很重要的问题，即当一个变频水泵已经运行但电压却还是达不到设计电压时，在需要再起动另一种水泵时把主电路从变频器中转移到了工作频段电路中，从原理上来看还是可以的，但因为变频器中输出电压为380V，而在工作频段电路中输出的电流也为三百八十V。但是在实际应用中，工作频段线路的频率也是变动不定的。通常，在自来水厂的变配电间里对外电压会分二至三档，一个是在春秋期间所使用的三百八十V的供水电压，而另一个则是在夏天后所使用的四百二十V或四百二十V的（由于使用空调冰箱较多），常设时所需要的最大水压约为0.2mpA，而单泵时则可以达到0.195mpA，在此时进行加泵，当电路从变频转换为工频后，由于电流骤然增加，多出来的电流将迫使自动化泵向前抽取更多的水量，并有可能造成实际孔隙水电压已经达到了正常设置限值，PLC利用电流传感器的频率改变使a泵退出正常的范围内，当实际孔隙水电压还不能达到零点二mpA稳定限值时继续进行加泵，B泵频率将增加至50Hz，然后切换电路并再启动C泵，若再次切换则会发生刚才的现象，从而增加了抽取量该泵不断的切换，而实际孔隙的水压却始终上不去。可编程控制器及变频调速在供水行业中的应用这种先进的调速传动,直流发电机－电动机调速控制技术一直发展至今,都应用得非常普遍。不过直流电动机的整流子和电容膜的维护却比较困难,而且售价也比较高昂。对同步电机进行稳定性良好的调压方式,也是我们的主要目标。但同时步电机的调压方式繁多,比如变极调压、有极调压方式、定子调压调速、串级调速、变频调速等等。只是由于许许多多的技术缺陷,未能获得最普遍的使用。由于现代微电子设备科技、电力电子科技及其微处理器设计科学技术的发展,也使得了晶体管变频器的出现。晶体管变频器不仅解决了以往交流调压工艺技术的诸多弊端,同时调速特性也可与直流电动机的可调速度特性相媲美。而三相异步电动机具备维护简单、售价相对低廉、输出功率与速度适应范围广泛等特性,其变频器调压功能在小型化、低功耗和高可靠性等领域都有着突出的优越性。在八十年代后期,交流电力的变频调速工艺已经演变为一种比较成熟的工艺,它把供交流电力的在工频运行的供电系统通过二极体整流后变为直流,再由IGBT或GTR模块等元件逆变成速率可调的交流供电,并以此电源驱动电机在变速状况下工作,从而自动满足改变负载的要求。从而彻底改变了常规工业生产中,电源起动后仅以额定功率、定控制电流的简单工作模式,进而实现了节电目的。将现代变频调速工艺广泛应用在电水泵供水系统上,在比较常规的工作模式下可节电40％～60％,节水15％～30％[7]。由于变频调速控制系统具备调速的发电机功能强,有效率,调速覆盖范围大,控制精度高,调节的波形比较平缓,而且能够进行持续的、稳定的调压,体积小、维修简易方便、智能化程度高许多等明显的优势,而受到广大使用的欢迎。特别当它运用在风机、泵等的大容量负荷上,更能够达到与其它调压方法无可比拟的节电作用。一般变频调压装置的主设备都是用作变频电源的变乐器,通常包含有交－直流－交变频器和交流－交换的变乐器二大部分,而以目前在我国境内大都采用的交－直流－交变频器为主[7]。自通用变频器出现以来,变频调速技术已在各个领域中获得了普遍的运用。而变频自动调制恒压供水系统,因其节水、安全、优良的供电品质等特性,使中国在给供水领域的技术设备水平,自九十年代初期就发生了一个飞跃。恒压给供水自动调速控制系统是利用给水泵电动机无级调压原理,先依据用水量的变化规律自动调整控制系统的工作参数,再依据用水量的变化规律手动调整控制系统的工作参数,在用水量变化后保证工作水平不变从而达到供电需求,是随着当今技术与最先术的飞速发展,将变频器的工作性能更进、功能更加完善的节能型供水系统。在具体使用上,已经获得了长足的进展。而随着现代电力电子技的强。充分发挥了变频器内置的各种特性,对于人们正确使用变频调速恒压供电装置,降低成本,提高生活质量等方面都具有着十分关键的作用。新型供水技术方法与同时期过去的低水塔或高位水箱的气压式供水技术方法比较,无论在设备的成本,运行的经济效益,又或者在设备的稳定性、安全可靠、智能化水平等方面都有着无可比拟的优越性,同时有着明显的节电作用。由于恒压供电调速技术的这种优势,受到了国内外几全部大饮用水设备制造商的高度重视,并大量投资研制、工业生产了这一技术品种。目前,该产品销售正向着高可靠度、全数字化微机控制系统化、多品牌系列化的趋势发展。追求高度自动化,产品标准化是根据未来城市给供水设施满足城镇建筑成片发展、智慧建筑、城市网络给供水调度管理和整体规划要求的发展[5]。供水控制系统的确定长期以来,小区的供水系统都是通过对城市管网中进行二次增压的供水塔,或者天面水池来达到满足用户对供水加压的需求。在住宅供水系统中加压水泵一般是根据对不同供水地点的用水量需求来制定具体的扬程方案，然后由水泵机组按照水流的实际状况来选择，从而决定了自动泵的运转方向。但因为住宅供水存在着季节和时间上的明显不同，因此日常供水的控制中也常通过将自动泵的运转方向调整，加上调节出口阀门开度控制供水的水量水压，大量电能由于耗费到调节出口阀门上而损失，也同时面临着水池“二次污染”的难题。随着人类对饮用水效率和饮用水质量需求的日益增加，恒压供水方法也应运而生，它不但较好地解决了旧式屋顶水箱供水方法所造成的水体二次污染问题，而且同时实现了泵的工作方向控制和通过出口阀门开度控制所供水的水量水压，大量电能因耗费于出水阀门而损失，但同时对泵又产生了良好的环保功能，和合理的降低了对能源的耗费。随着负荷发生变化可以手动调整水泵速度，因而免除了发电机启动工作过程中对电网和机器设备所带来的撞击，并且人工作业的繁杂性。恒压供水系统,如今正被普遍地运用到大中城市自来水管网控制系统、居住居民小区日常生活用消防水控制系统、商业楼宇中心空调系统及冷却循环水系统、工业设备冲洗系统等诸多应用领域。目前，中国国内外的城市给供水已普遍使用微机技术管理，直接代替水塔、高位水泵等，为居民小区住宅楼、高层增压给供水提出了新的路径，将现代技术带入城市给供水应用领域。经过综合研究，为克服大量电能由于损耗到出口阀的浪费，造成了“二次污染”的现象，本系统应用PLC控制系统恒压自来水系统。

第二章高层楼宇供水控制系统硬件选型2.1变频器选型变频器的选型主要包含了变频器的型式选择、容积选型和变频器箱体安装构造的选型这三主要方面。其总的设计原则是首先确保产品准确地符合工艺要求,再尽量节省资金。2.1.1变频器的型式选择按照功能特性的不同，一般的变频器可以分为三种类型：普通功能型的U/F控制变频器、带有转矩检测模块的新型U/F控制变频器和具备高性能矢量控制系统的变频器。在选择一般变频器的类型时，应根据负载的功能特点来确定。例如，对于风机，由于其转矩较低且转速较低，因此通常应选用普通功能型的变频器。在选择变频器时，需要了解生产过程中的以下数据：

1、电动机的极数。一般的电动机应以不多于四极为宜，否则变频器容量需要适当增大。

2、转矩特性。在相同的电动机功率状态下，相对于大过载转矩状态，电机规格可以适当减小。

3、电磁兼容性。为减小对主供电千扰，可在中心或变频器的进口回路中增设电耐器，或安装前置隔离变压器系统。同时，通常当发电机与变频器的间隙超出时，就应在它们之间串入电耐器、滤波器，或选用屏蔽保护线缆。

选型变频器时，需要满足以下条件：

1、电压等级与驱动电动机相匹配。

2、额定容量为被牵引发电机额定容量的1.1到1.5倍。

3、依据被驱动设备的负载特点，选用变频器的监控方法。3.2.2变频器容量选择根据技术资料，我们可以通过比较变频器的额定容量、最大输出频率、最佳电压范围和电机匹配能力等参数，来确定变频器的能力。同时，我们还可以根据变频器的运行稳定性、响应速度和工作效率等方面来评估其性能。总体而言，我们可以从这些方面来评估变频器的能力，以确保其能够达到所需的工作要求。模拟量输入方式时,变频器的功能表现可能受到一些限制，例如在为其自己或本企业制造的基准发电机提供电力时，或者变频器的电流被逐渐降低，这时候变频器的功能难以准确表达。因此，使用变频器中的模拟量输入方式会有一些局限性。电量的一定百分比，否则会导致过载，因此在选择零点五导体变频器时，要注意其额定电流容量，以确保其可以承受所需的负载电流，同时避免过载。电机的容量对于选用变频器来说是至关重要的。它是变频器选型的基本标准。额定容量表示电机在其设计制造时，能够承受的最大功率。具体来说，额定容量是指交流或异步电动机在额定电压、额定电流、额定频率的情况下，能够持续运行的最大功率。同体积的电机，由于极数的不同，其额定运行电压也会不同。由于汽轮机极数的增加，压缩也会发生变化。因此，汽轮机的额定运行容积也会随之增加。确定系统的出口电量时，不能以汽轮机额定运行容积为基础。与其额定运行电压并不直接相关。因此，在对原本使用变频器的装置进行改造时，在变频器的选型方面，不能仅以额定运行电压为依据。问题需要考虑到最大负荷、富裕系数和发电机型号等因素。一般来说，商业用电机容量非常富裕，而工业用电机通常只有最大负荷的百分之五十左右。因此，在选择变频器时，需要根据实际使用情况和负载变化范围来进行合理选择，以确保设备在正常工作范围内可靠运行。电机的额定运行电压和电流与变频器输出的电压和电流不匹配，会导致功率和效率的浪费，而且这样做也无法提高可信度。因此，在变频器和电机之间的配合中，最关键的是要确保电机的额定运行电压和电流与变频器输出的电压和电流相匹配，这样才能实现最优的功率输出和效率提升，同时也能保证设备的可靠性和稳定性。选择额定运行电流低的变频电机。这种变频电机既能够满足需要，又能在一定程度上降低能耗，同时还能保持产出功率不变。以容量为原则，以确保变频器的稳定工作，同时也能够为鼠笼式异步电动机提供足够的驱动力。因此，在选择变频电机时，需要考虑到电机的额定功率、额定转速、转矩特性等因素。同时，还要注意选用适应于不同负载的变频器，以确保能够满足电机不同工况下的运行需求。因此，在选购电机时，应以容量小一倍为基础，以达到最大程度的节省投资。除了要注意技术性和可靠性外，还要考虑经济效益，避免过度浪费。为了保证经济效益高且输出波形良好，大功率电路中，变频器和发电机的容量必须相匹配。3.3.3变频器箱体结构的选用为了适应各种环境要求，变频器的箱体设计需要考虑高温、潮湿、灰尘、酸碱度和腐蚀性物质等因素。在工程设计中，通常采用以下几种设计形式：

1.敞开型IP00：该设计形式没有机箱，非常适合于安装在电控柜中的电器房间的显示器、盘、架上。尤其适合于多台变频器集成应用，但对环境温度要求较高。

2.封闭IP20：该设计形式适用于有少许灰尘及少许气温、湿度变化的场所。

3.密闭型IP65：该设计形式适用于环境较差、有大量水、粉尘和一些腐蚀性空气的地方。

基于以上设计原则，我们选择了CVF-P2-4T0185系列智能变频器。该系列采用国际领先的磁通量控制方式，具有实时转速自动调整能力，最大调压方式之比达1:120(0.5~)。可拆卸风机的连接端子，更方便维修。柔性PWM技术实现更低噪音运行。内置RS485通信接口，可插入扩容卡以符合国内外的主要通信标准。该变频器集成了PID等多种电子控制技术，适用于各种应用场合。

使用CVF-P2-4T0185系列变频器，我们采用了采用PID调节功能的PLC调节恒压供水系统。该系统工作效率高，能量损耗较小，调压供电节约效益明显，运转速率平稳，安全可靠高，抗干扰能力强，精确度高，动态响应速度快。该系统充分发挥了变频调速恒压供水的科技优越性，并替代了水塔、水箱、高气压罐等设备，达到了恒压供水，作为传统水供应方式的更新换代产物。图2-1变频器实物图2.2电机及水泵选型为满足工艺参数的需求，需要选择适合的泵型和性能。对于输送危险物质和贵重介质的泵来说，需要考虑泵的轴承密封性能或采用无泄漏泵，如磁力驱动泵、隔膜泵、屏蔽泵等。对于耐腐蚀介质的泵，则需要在气体对流部分采用耐腐蚀的材质，如AFB不锈钢耐腐蚀泵、CQF工程塑料磁力驱动泵等。而对于输送含固体和微粒介质的泵，则需要在气体对流部分采用耐磨材料，并在必要时使用所选用的洗脱液清洗泵的轴承密封部分。除了性能要求外，泵应满足介质稳定性的要求，同时机械方面要具备高可靠性、低噪声和小振动等特性。在投资时，需要综合考虑运行费用、维修费用和管理费用等，以实现综合造价最低。离心泵的优点包括速度快、体积小、重量轻、效率高、流量大、构造简单、输液过程中无脉动以及运行稳定、简单运行和维护简单等。因此除下述情况以外，也要尽可能选用离心式水泵叶轮：对于具有良好计量要求的，选用计量泵。对于水泵扬程条件很大，

但数量很小而又没有相应的流量大扬程离心泵可采用的，应选用往复泵，但汽蚀条件较好的也应选用旋涡泵。对于水泵扬程条件较小，但数量很多的，则应选用轴流泵和混流泵。对于介质粘度很大（超过650厘米/秒）的，可考虑选用转子泵或往复泵（齿轮泵、螺杆泵）。介质含气量百分之七十五，流量很小或粘度不到二厘米/秒的，应选用旋涡泵。对于起动频繁或灌泵不便的情况，应选用具有自吸特性的抽水泵，如自吸式离心泵转子叶轮、自吸式旋涡泵、气（电）隔膜泵。

选型依据

泵选择时要按照工艺、给地供应条件等，从下列五个角度进行考察，即液体输送量、装置扬程、液体性能、管道位置，以及运行情况等。

流量是选泵的关键性能指标之一，它直接影响着整个设备的能力和输出水平。比如在设计工艺时，一般要计算泵的三个流速，即最小、一般、最大流量。在选用水泵时，以最大流量为基础，同时兼顾一般流速，当不是最大流量时，一般可取最大流量的1.2倍的最大流量。安装系统时需要考虑的另一个关键性能指标是后水泵扬程，这通常需要按照放大5%至10%的余量来选择水泵扬程。液体的物理特性方面一般包括媒介名称、物理特性（如高温、密度、黏度）、媒介的固定粒度尺寸以及空气浓度等。此外还要关注整个系统的扬程、有效气蚀余量计算以及适合泵的型号。对于媒介的物理化学特性方面，则是指液态媒介的化学腐蚀性和毒害，这关系到选择泵材质或轴封形式等。

管道设计条件主要包括送液长度、送液方向、吸入侧最低液面、排出侧最大液面等一些参数，以及管路的尺寸、直径、材质和管件型号等。这些条件可以帮助确定系统的扬程设计和汽蚀余量校核。

除此之外，还需要考虑一些特殊的控制要求，例如控制液体的饱和蒸汽压力、吸入侧压强（绝对值）、流出侧容器压强、海拔高程和周围环境温度等。这些要求可能包括分时段的或持续的控制，还需要确定泵的工作位置是否稳定或可移动。

在我国，家庭平均每天用水量约为180人，平均为一户四人。因此，该家庭一天的用水量为155,180,41000毫升。考虑到高峰期通常在中午12点至下午2点、晚上7点和10点之间，因此泵的最高流速约为每小时。由于楼房高度不同，需要选择适合的扬程。因此，可以选择50LG24-203型泵。产品型号：50LG24-20×3主要材质：铸铁配管口径：50

mm产品流量：24

m3/h最大扬程：60

m产品转速：2950

r/min适用电压：0

V图3-2水泵实物图图2-2水泵实物图2.3压力传感器选型测量元件的准确度直接影响系统的控制质量。因此通常都需要使用各种高压传感器来测试管线气压。但一些常规的压力传感器也使用了高弹性器件，例如电感压力传感器、电容压力传感器等。CS-PT100系列气压感应器采用了一体化的高精度仪器系统，其机械构造与这些传感器有所不同。它使用光电陶瓷工艺方法，测量的器件全部是固态结构。其原理是：使用电压直接作用于电子陶瓷膜片，当膜片发生移动后所形成的电体积被与其同体的光电器件所测量、扩大，最终结果再转换成4~20mA的基准信号输出功率。

CS-PT100型传感器具有如下特点：

1.具备非常高的耐冲击和耐过载性能，其过压量为额定量程的百倍以上。

2.由于在压力测量元件中并没有使用传统的介质物质，所以精度极高，且基本不受气温梯度的直接影响。

3.采用脉冲频率调制方法发送信息，大大减少了现场干扰的问题，信息发送可使用普通电缆，简易便捷。

4.质量轻、尺寸小，在装配维修上非常便利。我们可以选用CS-PT100系列高压传感器作为出水口端高压检测单元，对泵输出的管网信息内电压范围进行反馈信号，此单元所能接受的相对电流最高检测区域为O-40MPa，最小功率检测区域为O-lkPa，所需电源要求电压范围为12．5～，精度范围±为0．1％，通过高压传感器可以将出水口的电流信息线性地转化为4-20mADC的信息并送入PLC。图2-3压力传感器实物图2.4PLC工作原理2.4.1循环扫描CUP连续的使用过程、工作的循环过程,称为扫描。CUP的扫描阶段主要包含写入口、运行进程、管理通讯请求、完成对CUP的诊断检测和写出口等工作。PLC也可被看成是在操作系统应用软件支援下的一项扫描工具。他能够意识周而复始的循环扫描,并履行由操作系统应用软件指定好的目标。客户进程就是各个扫描阶段的一项重要组成部分，当客户进程不运动时，PLC也在扫描，只但是在某个阶段中去除了客户进程和读入口、写出口这几部分的东西。经典的，PLC在某个阶段中就能够实现如下五个扫描过程。自诊断的扫描方法。为了确保仪器的安全行，以及放映可能发生的事故，PLC都设有自动监测系统。与网络进行通信的扫描方法。通常的控制系统都缺乏这一扫描程序，但具有网络的PLC控制系统也需要通讯的程序，这一程序通常用于PLC内部或PLC与上位机或终端设备间的通讯。使用程序的过程。机器在正常工作情况下，每一次的时间内都有该扫描的。整个流程在机器运行中如何进行是可控的，即人们可通过软件加以选择。使用程序的大小将制约流程所用的长度。读进入、写输入输出扫描的流程。当计算机在真正运行情况下，每一次扫描时间中都包括了这种扫描流程。该流程在机器运行中能否被正确实现都是可控的。CUP在进行客户编程时，所采用的真实进入值并没有径直从真实进入点上读出的，而计算的数据也不径直送到真实的输入输出点，只是在存储器中配置了二个映象寄存器：一种为进入映象寄存器，另一种为输入输出映象寄存器。在客户编程中所用的真实进入值都是进入映象寄存器的值，而计算数据也放到了输入输出映象寄存器上。在进入扫描的进程中，CUP把实际注入点的位置锁入到了输入映像寄存器上：在输出扫描进程中，CUP把输入输出映像寄存器的值的输入输出点。2.4.2I/O响应时间因为PLC采取了循环扫描的工作方法，可以同时对输入和输出信息只在没个循环扫描工作时间的一定时刻聚焦于进入/出口，从而不可避免地会形成了出口信息相比于进口信息明显落后的现状。扫描时间越长，滞后情况就越明显。响应时限主要由输入延时、输出时间以及程序执行方式等因素决定。PLC为输入信号电路设定了过滤器，过滤器的常数越大，对进入信息的抑制功能就越强。输入延时通常是由硬件技术所确定的，有的PLC滤波器时间常数也可调。从输出锁存器到输出终端所经过的时间叫做输出延时，针对不同类型的输出类型，其值多少也有所不同。这还是由硬件所确定的，对所有信号的PLC可透过查表获得。程序执行时限一般根据流程大小而确定，对一些实际的控制程序，编程人员要据此进行实时计算，将PLC的响应能力限制在计算机规定的范围之内。在最有用的情形下，将输入状态经历一次扫描循环后在输出获得反馈的持续时间，称之为最小I/O反馈持续时间。在最恶劣的条件下，如果输入点的位置恰好错失了输入的锁入时候，造成必须在下一次输入输出闭锁时才能被应答，这就要求二个扫描周期持续时间，也就是最佳的I/O应答持续时间。因为它们都是由PLC的扫描实现方法所确定的，与编程方式没关系。2.4.3PLC中的存储器可编程逻辑控制器（PLC）的存储器按照用途分类，包括系统程序存储器、使用程序存储器和工作数据存储器。系统程序存储器是由PLC厂家根据指令编写的系统程序，决定了PLC的主要功能，但不能进行更改。使用程序存储器用于存储根据控制条件所制定的应用程序。工作数据存储器则用于存储工作数据。2.5PLC系统的基本原则（1）要最大限度的实现机器设备和制造流程的自动化要求；（2）确保控制系统安全可靠；（3）力求控制简单、实用、合理；（4）系统应留有一定余量。[2]2.6PLCI/O编址PLC与电器回路的连接，是依靠提供输出单元（I/O）实现的。I/O功能实现了在PLC的I/O线路中，其输入信号暂留器反应注入信息的状况，而输入输出点则反应输入输出锁存器状况。注入控制器将电信号变换成数码讯号后流入PLC系统内部，与输入输出控制器方向恰恰相反。I/O控制器具有开关数量注入（DI），开关数量出口（DO），模拟量注入（AI），模拟量出口（AO）等功能。根据I/O点数的模块大小和数量，I/O模块可多可少，而其最多数是指CPU所能支持的基本设备的总数量，即由最大的底板或机架槽点数控制。一般模块型的PLC都采用了底板或机架，主要功能有：在电气上，完成各模块之间的连接，使CPU可以使用底板上的任何功能，电气上，完成各功能之间的连接，使各功能可以组成一个整机。2.7PLC的选型设计根据如上所述的，恒压自动供水控制器设计需要遵循的以下主要原则：最大程度的满足被控对象的管理需要。在符合有关管理规定的情况下，力求使控制器设计简洁、经济、应用广泛和维修简便。同时确保了控制器安全。而考虑到随着产品的开发和技术的提高以及在选用大PLC容量时应适当的裕量，根据上述原理，本系统设计应选用了S7-200中的EM二百三十一扩展单元，并能满足以上要求。由于S7——200虽是中小型PLC，但许多特性已经超过了原来大、中型PLC的控制能力，其价格动了原来中小型PLC的价格。所以，S7——200一上市，就引起了社会广大的重视。尤其是S7——200一系列的二代品牌——CPU22X系列，有各种操作控制器和人机接口可供选择，而且拥有功能齐全的程序设计语言和工业控制系统组态程序，与控制器的整合也十分容易，能够十分容易的构建PLC管理系统，而控制器的设置简便，基本上能够实现所有主要操作的控制工作。考虑到控制器的设计要示和经济性决定采用CPU222一系列的可编程线性控制器。CPU的二百二十二型主控模块有八输入/六输出功能，共设计了十四个数据量I/O点，可通过2路I/O扩充模块，可扩充至七十八路数据量I/O点或十路模拟量I/O，它的最大数据存储容量为六昆币，并带有四路单独的三十kHz高速脉冲计数器，和二路单独的二十kHz高速脉冲输出，带有PID控制器，并带有1路RS485通讯/编程接口，以及带有多点接口MPI通信协议的点对点PPI接入平台，并带有自由通讯接口。图2-4PLC实物图2.8高层楼宇供水控制系统基本硬件组成高层恒压供水系统组成框图如图3-5显示，其结构主要是由PLC、电机、PID控制设备、水压感应器、液位传感器、动力控制电缆和二台泵等构成。可以通过控制箱板上的指示灯和按键、转换开关等了解和控制器的操作。在设计PLC控制器前必须考虑其特点，并选定PLC的类型，在选定类型上要遵守下列基本准则：图2-5高层恒压供水系统结构框图尽可能地符合受控目标的管理需要。发挥PLC的作用，尽量地符合受控目标的管理需要，是选择PLC系统的主要条件，这就是工程设计中最主要的一个基本原则。这就需要他们在开发前必须深入开展实地开展研究，搜集有关监控场地的信息，并搜集相关先进技术的国内、国外信息。同时要注意与现场的技术主管、现场技术人员、现场作业管理员等密切配合，制定具体的方案，共同处理工程中的关键性问题和疑难问题。确保PLC控制器安全。确保PLC控制器可以长时间安全、准确、平稳工作，是选择控制器的关键原则。这就需要设计师在系统设置、电子元器件选用、系统软件编程等方面的充分考虑，以保证整个系统可靠。也因此：必须确保整个PLC系统不但在一般情况下正常工作，甚至在非正常状态下（如突然掉电再上电源、按钮按错等），都能顺利运行。数量和规模，会产生大量的投资力求简便、经济、实用和维护方便。一种新型的控制工程虽然会增加项目的物质价值和效益，但对新建项目的投资、技术人员的培养、设施的维修，都会造成项目运营投资的增加。所以，在符合过程管理规定的条件下，一方面要注重持续地增加过程的价值，一方面又要注重持续地减少过程的投入。这也就要求设计者不但必须使过程管理系统简洁、实用，同时必须使过程管理系统的应用与管理变得简单、成本低，而不能一味要求智能化的最高要求。适应发展的需求。随着科学技术的进一步提高，控制器的需求还将会进一步的增加，产品设计中应适当充分考虑到今后控制器开发与改进的需求。这就必须在选用PLC、入口/输出模块、I/O数量以及内存容量时，应合理预留裕量，以适应今后产品的开发与技术的改进。硬件电路设计所需元件如表2-1所示名称型号单位数量交流继电器MY2NJ220/240VAC只2按钮LAY39-11D/R只3变频器CVF-P2-4T0185台1压力传感器CS-PT100只1泵电机Y160M2-2台2水泵50LG24-20×3台2拨码开关WT11-DS只1可编程控制器CPU222台1表2-1硬件电路设计元器件清单第三章高层楼宇供水控制系统电路设计3.1系统的控制电路设计如图3-1为高层楼宇供水控制系统控制电路图。其中SB0、SB1、SB2分别是深井泵的手动开关、清水泵的手动开关和自动开关，SQ3和SQ4是水位的下限开关和上限开关。通过设置在给水管上的电压感应器，将出口电压信息变成四负二十mA的标准数据送到PID调节器，通过计算与给定电压值加以对比，确定一控制参数，送到电机，用变频器控制泵的速度，控制系统给水量，使自来水系统管网内的气压维持在指定气压上；当用水量较大时，气压在规定的气压小时，利用PLC控制器加大电机的控制频率来达到气压稳定。按照用水量的多少，通过PLC控制系统和电机对抽水泵的调压，进行恒压供水。当供化水负载变大，输入电机的电压和频率也相应改变，这就形成了以设定电压为基础的闭环控制体系[8]。系统具备了控制泵出水总管压力稳定、变流量的供水能力，控制系统利用设置于出水总管上的高压感应器、将实时的高压非电量信息转化为电信号，并输入于可编程控制器（PLC）的输入输出单元，信息值经CPU算法处理后与预设的信息值进行对比计算，以确定最佳的运转状态值，由控制系统的输出模块发出逻辑控制指令与变频器的频率规范指令，控制泵的运转状态，从而进行控制清水泵按照CPU命令实现的变频工作。系统可依据客户用水量的不同，自行设定水泵的运行状况，以增加系统的安全性和供水的效率。图3-1系统控制电路图3.2PLC的输入/输出点分配电源模块是PLC的组成部分之一，其作用是为PLC集成电路设备提供操作电源。有些工厂还会为输入系统提供24V的工作电源。供电的种类包括交流电源（220VAC至110VAC）和直流电源（常见的是24VDC）。常用的I/O类型有开关量和模拟量。开关量根据电压等级可分为220VAC、110VAC和24VDC等，根据隔离类型可分为电源隔离和晶体管隔离。模拟量根据输入或输出方式可分为电压型（4-20mA、0-20mA）和电压型（0-10V、0-5V、-10-10V），根据精度可分为12bit、14bit、16bit等。除了常规的IO接口外，还有一些特殊的IO接口，如热电阻、热电偶、脉冲等。

根据图3-1和上述控制要求，分别列出控制系统的输入输出信号的名称、地址和编号，具体如表3-2所示。信号名称信号符号I/O编址输入/输出电源深井泵手动SB0I0.0DC24V清水泵手动SB1I0.1DC24V自动SB2I0.2DC24V水位下限开关SQ3I0.3DC24V水位上限开关SQ4I0.4DC24VQF1KM1Q0.0AC220VQF2KM2Q0.1AC220V表3-2PLC的输入/输出地址分配第四章高层楼宇供水控制系统的软件设计4.1高层楼宇供水控制系统的软件平台标准语言阶梯图编程语言同时还是我们现在最常见的一门编程语言，它有如下特征：作为一门平面编程语言，由沿用自传统控制图中的内部继电器触点、导线、连接等基本术语和一系列图形符号组成，左边的竖线也就是左右线路。而阶梯图中的接点（触点）则只是常开和常闭，接点既可能是与PLC输入点接的电钮，也可能是PLC内在继电器开关的接点或内部寄存器、计量器等的工作位置。阶梯图中的接点能够随意串、并联，但导线只是并联而不是连接。另外，内部的继电器开关、计量器、寄存器等也就无法用来控制外部设备，也就只能做为中间数据在CPU的内部使用。PLC是按周期的行为，按梯状图向依次顺序完成，即在某个周期的过程中的结果数据留在了输入或输出状态暂存器中，而另一个扫描周期中的结果数据则留在输入输出状态暂存器中，所以输入输出点的位置在具体的过程中都被作为条件数据采用[3]。语句的表述，相似于汇编语言。逻辑能力的表述，通常使用零点五导体逻辑框图进行说明，通常一个运算框表示的功能左边写输入、右边写输出。4.1.1编程语言的选择标准的梯状图编程语言也是我们现在最常见的一种编程语言，它具有如下特征：这是一个图编程语言，使用了控制图中的继电器接点、线圈、串联等基本概念以及其他各种图形结构，左右的竖线为左右母纫。而阶梯图的连接处（触点）有常开与常关，触点既可能是PLC的点接的工作状态开关，也可能是PLC内输入继电器的接点以及内在寄存器、计量器等的工作状况。虽然阶梯图上的触点能够自由串、并，但输入线圈也可能并不串。而内置的继电器开关、计量器、内在寄存器等也无法直观监控外界负荷，只是当作中间结果在CPU中应用。PLC是按周期性的事件，沿梯状的先后顺序进行，而每一个扫描周期内的数据都留在输出状态暂存器中，所以输入输出时的数据在客户程序中也可视为文件，使用[3]。语句的表达，相似于汇编语言。逻辑功能的表达，以零点五导体逻辑框图来表达，通常一组计算框代表某种功能左侧画输入、右侧画输出[6]。4.1.2梯形图的基本绘制规则编程顺序梯状图采用了从上至下，从左至右的顺序控制。每个逻辑线圈开始时都由左母纫连接，但是一般来说，触点必须放在左侧，而触点和命令盒放在右侧，而触点和命令盒的右侧则不会有接触，因此整个梯状曲线就构成了一个阶梯形布局。编号分配在外接电路的各单元进行编码，数量的划分应该是计算机的扩展功能本身实际进行的，并且能够通过编程，两台计算机不能共享某个输入输出点。触点的工作时间与触点的工作时间在PLC的梯状图上，触点的使用频率可以是上无数次，而一个触点的使用频率不可以是一次，不然，就会造成系统的出现意外的问题。线圈的连接使用同一个条件下驱动多个线圈的，无法并联，但可以并联。4.2高层楼宇供水控制系统的流程图设计该流程图是对深井泵和清水泵进行控制的主体思路图，是梯形图语言概括。恒压自动供水系统流程图如下图4-1所示。图4-1恒压自动供水控制系统流程图4.3高层楼宇供水控制系统的梯形图设计4.3.1主程序主程序主要对深井泵和清水泵手动控制和自动控制，自动控制则是调用回路表子程序和初始化子程序来实现恒压供水，恒压自动供水系统主程序如图4-2所示。NETWORK1NETWORK2NETWORK3NETWORK44.3.