智能控制的生活供水系统设计

)毕业论文题目：智能控制的生活供水系统设计绪论1.1课题的提出随着中国社会经济的发展，人民生活水平不断提高，住房制度改革不断深化。在城市的各个小区域的建设是非常快的，在同一时间，它已经提出了通过在次区域基础设施建设的高要求。社区供水系统的建设是社区供水系统建设的重要内容之一。供水的可靠性、稳定性和经济性直接影响到社区居民的正常工作和生活，也直接反映了社区的物业管理水平[1]。传统的供水方式，浪费水，电资源，效率低，可靠性低，也有缺点，如自动化程度高，将会对居民用水和工业用水产生严重影响。的当前供水模式，高效率，节能，自动化，在可靠性的方向已开发。变频调速技术中，风机，水泵，空气压缩机，被广泛用于高能量消耗装置，如一个致冷压缩机。恒压供水系统的节能效果是特别显着的，变频调速水泵的节能效果尤其显着。本发明可以减少电流对电网的影响和供水压力对管网系统的影响，减少水泵和电机本身的机械冲击损失[2]。1.2变频恒压供水系统的国内外研究现状1.2.1变频调速技术的国内外发展与现状随着改革开放和经济的快速发展，中国采用了国外引进的先进变频调速设备或合资企业的一套由中国设计制造的设备。然后开发应用软件的方法本身就为国内重大工程项目的输电控制系统提供了解决方案，并适应了社会的需要[5]简而言之，虽然国内的变频调速技术取得了不错的效果，但一般而言，国内自行开发和生产相关设备的能力仍然比较薄弱，对国外企业的依赖程度仍然非常严重。1.2.2变频恒压供水系统的国内外研究与现状变频调速技术恒压供水的发展已逐步发展。在早期阶段，由于国外生产逆变器的频率控制，在加减速控制，阳性和阴性对照中定义的主要功能，启动控制和制动控制，压力控制，以及各种保护功能的频率比。恒定压力水供给系统的应用中，只有驱动器致动器中，水以满足尺寸要求是不同的量，管网，以确保恒定压力所需的压力控制器和驱动器外部的压力传感器，的闭环控制压力[6]。目前，在国内外对恒压供水控制系统的研究和设计中，将变频恒压供水系统的水压力闭环控制与网络通信技术结合起来是不够的[7]。因此，有必要对变频恒压供水系统的性能进行进一步的研究，以便将其应用于生活和生产实践中。2系统的理论分析及控制方案确定2.1变频恒压供水系统的理论分析2.1.1电动机的调速原理水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：其中：表示电源频率，表示电动机极对，表示转速。电机极对数调速的控制方式简单，投资省，节能效果显着，效率高，因此，仅适用于特定转速的生产机器[8]。为为了保证级联的速度控制，通常是大的转速范围,最大的本发明的优点是转差功率可以被回收，节能效果好，速度控制好，但线路过于复杂，成本高，这增加了推广价值是什么？影响和数量。功率损耗的中间环节。该方法和输出频率的变化的特性进行了分析。比较结果显示，当滑移变化并不大，感应电动机的转速n大致正比于电源频率f。连续可调频率电源可以平滑地改变电动机的速度。然而，输出频率进行一些调整将导致发动机性能的降低。随着电力电子技术的发展，已经出现了各种性能好，电源频率控制设备的可靠运行，他们推动变频调速的广泛应用[9]。2.1.2变频恒压供水系统的节能原理解除基于所述水系统管道前提不变的阀开度的供水系统的特性，这表明和泵头H之间的关系曲线在一定的速度流量Q。由于在泵速和阀开度是相同的，取决于水给用户的流量的大小的情况下，因此，它反映了头H和水流曲H=F之间的升程特性关系（曲）。管泵速度电阻特性是相同的前提下，曲线之间的关系示出了阀头H，并在一定的开度流量Q。反射泵管电阻特性能级并克服了泵系统，在管道中的液体流动阻力的变化之间的压力差。反映在头H和供水流量之间的关系的管阻特性。路口头管阻力曲线和特性曲线，称为供水系统的工作点。在这一点上，水流量和在平衡水流曲用户QC供水系统中，两个供水系统，以满足磁头的特性，在与该管的电阻特性，该系统的稳定性线。从流体力学，当泵到供水网络，和H是成正比的水流量泵的输出功率P的压力和Q的网络产品的可见;和n正比于泵的水流量Q的速度;压力管网ħQ是正比于水流量的平方。具有上述关系，输出功率P与泵转速N成正比，即立方体：式中k、k1、k2、k3为比例常数。该阀的摩擦阻力变大，移动管道阻力曲线，工作点也会移动，则H1增加时，功率被浪费增加。因此，速度控制模式中比在所述电源控制阀要小得多，显著的节能效果。2.1.3管网设定水压的水力计算计数供水，用水供水系统不仅使用水，但也决定了正常用户用水的压力。对于普通火用水用户，根据使用卫生器具和水设备的要求，对其安装水每单位时间的水输出量进行量化。释放额定流量所需的最小静水压力称为流出压头，以克服供水接头组的阻力、冲击和速度变化。为了满足建筑物各供水点使用的水量，供水系统的水压满足用水量需求的流出水头，计算公式如下所示。式中H:建筑内给水系统所需的水压，kPa；:将管道的起始点引入到最不利的水分布位置（kPa）的位置所需的静水压力；：导入管与起点沿水供给管线到最不利点，千帕局部水头损失；：当水流通过水表时，头部损失，kpa；：水分布最不利点所需的流出压头，kPa。其中和为固定水压，由建筑物的实际情况决定；和为给水管失压力。因此得到给水管网的特性曲线。计算公式如下所示。式中：与之和，kPa；kPa/；。一般用户的用水定额，可以通过下列公式计算出给水管网的流量式中n：用户数，户；m：每户平均人数，人；x：每户用水定额，L；b：小时变化系数。上述计算方法只能是粗略计算，给水压力的设定在计算的基础上进行工程调试，根据实际调试值得到设定值。2.2变频恒压供水系统控制方案的确定2.2.1控制方案的比较和确定供水系统变换器频率恒定压力包括压力变送器，频率转换器，恒压控制部，水泵单元和低压电气设备。该系统的主要任务是控制水泵或使用恒压控制单元，用于实现永久水压力管网的多个泵和泵电机软起动器和可变频率泵的变化和泵的频率功率，并实现操作数据的递送和监测。根据系统设计要求的任务，有几个可用的选项：（1）水供给泵单元逆变器+衬底+压力传感器该控制系统具有简单的结构。它集成的硬件，例如PID控制器和PLC控制器，其可在衬底逆变器供水进行编程，并实现了具有PLC和PID指令代码集的电子控制系统的功能。虽然电路的结构小，设备的成本被降低，压力的显示设定和反馈压力是麻烦的并且需要一个恒定电压从不同的时间段不同的不能被自动实现。在调试过程中的过程中，PID参数调整的优化是困难的，一个小的调节范围，和稳态和系统困难的动态性能来保证。输出接口的高级功能是柔性的，数据通信困难的，并且所述负载容量是有限的。它是只适合要求不高的低容量应用。(2)通用变频器PLC(包括变频控制、调整器控制)人机界面压力传感器。这种控制的灵活性。良好的沟通界面，可以很容易地交换与其他系统，通用的数据;系列的，因为PLC和不同组合物和各种控制系统的尺寸的模块化的，灵活的用户要求的产品。在硬件设计中，只有PLC以确定硬件配置和I/O，外部接线，当控制需求改变时，可以很容易地由PC的控制程序存储器的改变，但是方便现场调试。PLC和由于强的抗干扰能力，高可靠性，系统的可靠性大大提高。恒压供水系统可以适用于各种应用的不同要求，并且具有无关单元的供水能力的大小。理论和实践证明，变频调速是一种有效的节能降耗技术，节电率高。几年后，由于设计冗余和消耗变化所造成的所有能源浪费都可以节省下来。这些类型的由上面的比较和分析程序，可以看出第三实施例更适用于本控制系统。该控制方案扩展的灵活性两者的功能，促进了数据传输的优点，而且还满足稳定性的要求和控制精度。2.2.2变频恒压供水系统的组成该系统可分为三个部分：(l)执行机构：该致动器由一组泵，其用于将水供应至管网，它由一可变频率泵和两个频率泵结构的构成，该泵由可变频率逆变器控制，泵可以进行频率调整来改变电机速度按照在水中，以保持管网中的恒定压力的变化;变频泵仅在开始运行和停止两种工作状态，对于大量的水（以的情况下工作时的频率运转状态不能满足用水要求）变频泵来实现。(2)信号检测机制：在所述过程控制系统，包括信号检测到的信号到管网水压，水位信号和报警信号。信号压力自来水管网反映水压力管网络用户的值，并且是主反馈信号控制恒压供水。这些信号是模拟信号。当PLC读入PLC，它需要进行A/d转换此外，还需要检测上限压力和极限压力压力压力表自来水供水系统，并且测试结果可以被发送到PLC为数字输入，和水箱水位信号反映供水是否充足的水泵。信号从安装在水箱的液体传感器来。报警信号反映了系统是否运行正常，无论是泵用电动机过载，如果逆变器是不正常的，并且该信号是一个信号的开关。（3）控制装置：水控制系统通常被安装在供水控制柜，它包括三个部分水控制器（PLC系统），以及电子控制的传动装置。直接控制器到供水系统压力，液位，发出报警信号的采集，从人机接口和通信接口的分析控制算法实施例的数据信息，通过逆变器和用于致动器的一对触头得到的致动器的控制方案（即，泵单元）控制;驱动装置是带速度控制，其被馈送供水控制器改变泵的运行速度频率跟踪控制信号，所述泵的速度的旋转速度完成控制的泵。根据水泵单元中的水泵被逆变器拖拽的情况，逆变器有两种工作方式，即频率转换周期和频率转换固定型，而频率转换周期则是变频器拖动一定的泵作为调速泵。当水泵在50hz运行时，供水仍然不能满足用水需求。当需要增加泵单元时，系统会先将逆变器从泵马达上移除，将泵切换为功率频率，并利用频率转换来拖曳另一台泵马达；频率转换固定型是将某一泵作为调速泵拖动的变频器。当这个泵以50hz运行时，它的供水无法满足用水需求。当需要增加泵单元时，系统直接启动另一个恒速泵。变频器没有开关。系统运行前可以选择变频器固定拖动泵。前者用于本设计。作为控制系统，报警是一个重要和关键的组成部分。由于该系统可以应用到供水领域而变化，以确保安全操作，可靠和无缝系统防止由电动机负载，流产逆变器，电网波动过载，停水等损伤，系统必须报警数进行监测，PLC报警评估，显示和控制的措施来保护，以避免不必要的损失。恒压水供应到水出口系统在网络中控制目标压力来实现实际水压出口歧管的水的压力设定为跟随在控制网络。水压力可以被设定为恒定，也可以是时间的分段函数，是每个周期内的恒定。这样，在特定的时间周期内，所述恒定电压控制目标是使实际水压电源插座网络以保持在设定水压。恒压供水系统的框图。2.2.3变频恒压供水系统控制流程变频恒压供水系统控制流程如下:(1)系统通电，接收信号自有效系统起动后，频率转换器是启动第一可变频率驱动泵M1，根据在压力变送器系列压力变送器中的实际压力和设定的压力偏差设定所述逆变器输出频率被调整，然后毫升控制。当输出压力达到设定值时，变为水量和水的消耗的平衡，输出压力达到设定值时，速度为恒定值稳定化，并在速度调节操作条件下操作。（2）当水压增大时，当反馈油压发射机信号降低时，偏差变大，而降低。当PLC的输出信号变大时，逆变器的输出频率变大，因此，当泵的转速增加时，水的增加。最后泵速的量达到一个新的稳定值到另一个。相反，当压力增加，以减少水的消耗，通过减压泵压到另一个新的稳定值。（3）当水压力上升时，水滴的输出频率和所述逆变器被降低到下限频率，所述实际压力比所述用户网络的设定压力值保持越高，条件被满足，则系统频率泵M2水泵的截止这将减少。水压力的闭环调整，压力将再次达到设定值。水继续下降，如果满足这个条件，水泵继续下降，泵将转换另一个M3。2.2.4水泵切换条件分析我们已经在上面的系统中的工作流程所提到的，当主泵上的上限频率使用的，所述管道网络的实际压力仍比设定压力低，所以需要增加泵以满足供水的要求和实现恒压的目的。当泵具有可变频率，并且电源频率的泵在操作中，当泵具有可变频率的下限频率下操作，所述管道网络的实际压力仍比设定压力高，所以有必要运行的泵以降低电力频率，以降低供水，和实现恒压的目的。由于对电网的变频器和电机的运行频率限制和约束，50HZ频率调整成为上限频率。另外，逆变器的输出频率不能为负，最低只能是0HZ。事实上，在实际应用中，变频器的输出频率能够降下来0HZ。因为当泵单元的操作中，马达驱动泵的供水管网，由于管网水压将推力反向泵，马达驱动的泵运行的反向扭矩，同时防止液压源在一定程度上池水进入管网，因此，当电动机的运行频率降低到一个值，该泵会得出没有水时，水压力不实际的电机随着所述频率降低。在实践中，这个频率是所述马达行驶的下限频率。0HZ比这个频率要高得多，并放置的泵特性具体数值和使用的系统，一般在20HZ。20HZ和50HZ以便选择切换泵单元的频率较低。当输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力下上下波动。若出现时就进行机组切换，供水压力很可能会超过设定的压力，因为一个机组的运行增加了新的压力。在极端情况下，在操作单元增加后，实际供水压力超过设定的供水压力，新增加的单元以变频器的下限频率工作，此时满足单元切换的关闭条件，并且需要停止工作在工频状态的单元。在不改变供水条件的情况下，所有能够自动切换到供水泵站的机组都会被放入给水泵站切断，然后再将机器切断，从而增加机组的切换次数，使系统始终处于不稳定状态，实际供水压力也会在很大的压力范围内振荡。这种工作状态不仅可以提供稳定可靠的供水压力，而且由于机组之间频繁切换，增加了机组的磨损，降低了机组的运行寿命。此外，实际供水压力的超调和现场干扰的影响会导致实际压力的测量出现尖峰，这两种情况都可能使机组的判别条件在较短的时间内得到满足。因此，在实际应用中，通过修改上述两个判别条件，得到了相应的判别条件，其实质是增加了应用的延迟和滞后回路的判别条件。实际的开关单元判定条件如下：加泵条件：且延时判别成立减泵条件：且延时判别成立式中：：上限频率：下限频率：设定压力：反馈压力3恒压供水系统的硬件设计3.1系统主要控制要求三台水泵电机恒压供水系统的控制要求，主要有以下几点：(1)三泵采用“第一停先”的原则。根据恒压的要求，进入和退出系统。(2)当水的最小量时的泵，如果超过5小时的连续操作中，泵将不得不切换到下一个站，即，该系统具有“抽空”的功能，以避免电动机由于损坏工作时间长。(3)三个泵在起动时须具有软起动功能。(4)一个报警。(5)泵的运行必须人工操作。手动功能只在紧急或大修时使用。3.2系统的硬件选型该系统通过水泵电机的变频调速和水泵的运行次数来实现恒水压。压力传感器(发射机)监测系统的压力，输出的模拟模型通过A/D转换，转换后的数字信号发送给PLC，控制信号通过D/A转换转换成模拟信号发送给变频器，水泵电机进行变频调速，达到控制管网恒压的目的。尺寸要求的控制和尺寸控制，三菱FX系列小型PLC的选择作为系统控制器，模拟输入和输出模块，以及选择FX2N-4ADFX2N-2DA，三菱FR-A500系列的逆变器的选择，压力传感器选择TPT503压力传感器。3.2.1系统的控制器FXFX2N系列属于家庭功能强大的子系列，一直延续到党的功能模块，并使用PID指令，完全满足模拟中等规模的供水系统的闭环控制的要求。的控制系统和用于I/O点的尺寸的要求，系统控制器FX2N-32MR的选择（16点开关输入和开关输出16分）。FX2N-32MRPLC型紧凑的，便宜的，具有较高的性价比，广泛用于一些小的控制系统。它具有很高的可靠性，可伸缩性，具有丰富的通信命令，通信协议和简单;所述PLC可以采取工业计算机，自动控制系统监测和控制上。PLC和使用PC/PPI电缆支持点对点通信接口（PPI）协议，PC/PPI电缆容易允许PLC通信接口RS232RS485通讯接口与PC转换方案有三个用户的密码保护，可以实现安全性的程序。3.2.2模拟量输入输出模块1.模拟量输入模块模拟量输入模块选用FX2N-4AD..该模块有四个输入通道，分辨率为12位。可选择电流的电压输入，通过用户接线改变输入形式..模拟量范围为：10V直流（5mV分辨率）或4～20mA，-20～20mA（分辨率20uA）转换速度最快6ms/通道FX2N-4AD占8个I/O点。FX2N-4AD模拟输入模块是高的，相同的宽度和FX2NPLC，安装在时装FX2NPLC基本单元的右侧，总线连接器插孔左边的总线存取单元。在FX系列可编程控制器，连接至所述PLC与特定的扩展模块的位置可以被顺序编号从左至右（扩展单元不考虑号码），模拟信号可经由双绞屏蔽电缆访问。2.模拟量输出模块模拟输出模块选择FX2N-2DA。该模块可将12位转换为2个模拟输出。模拟输出可通过双绞线屏蔽电缆连接至驱动负载。输出形式可以是电压或电流，并且两种输出形式的选择取决于连接模式。如果使用电压输出，IOUT端和COM端需要短接。当输出电压时，两个模块的输出信号为4～20mADC。当输出通道的输出信号为0或10VDC时，0～5VDC；电流输出。分辨率分别为2.5mV(0/10VDC)和4uA(4～20mA)。可以调整从数字到模拟的转换特性。转换速度为4ms/通道。该模块占用8个I/O点，适用于FX1N、FX2N和FX2N子系列。FX2N-2DAFX2N安装时装到基座单元的右侧，FX2N-2DA基座单元的电力消耗或扩展单元5VDC电源（内部电源）20mA电流，+24VDC电源电流5毫安。FX2N-2DA和主单元用电缆在主单元的右边进行连接。3.2.3变频器（1）性能概况该FR-A500系列是三菱变频器系列中的多功能，通用，重型变频器..功率范围为0.4-800kW[三相380V，FR-A540（L）系列]，采用先进的磁通矢量控制方式，实现在线自动调节功能，调速比可达1：120（0.5～60Hz）..具有简单的控制面板，也可以使用选项FR-PU04（液晶显示，具有菜单功能），带有可拆卸的风扇和接线端子，使用和维护方便。超低噪声操作（带灵活PWM模式），内置RS-485，可通过板卡实现与CC-Link，devicenet（TM），Profibus-DP和Modbusplus的组网..操作简单，具有参数复制和参数组自选功能，用户可以通过用户选择读写参数组..串联变频器具有功能强，内置PID控制，工频切换顺序，断电减停控制等功能。（2）变频器频率的设定方法变频器频率设定的几种方法如下：1、利用变频器本身的多段速度设定法三菱fr-a500系列逆变器本身具有多段调速功能。以7段速度为例，分析了速度段、运行频率、变频器参数设置和退出点之间的关系。在这种控制模式下，如果当前水位处于下限，plc向逆变器输出更高级别的频率转换信号。如果在工作开始后没有达到7段速度，则会启动启动频率。如果达到了高水位，则plc向逆变器输出较低的频率转换信号。2、由PLC给出变频器运行频率设定信号使用多级的速度控制逆变器本身仅需要两个上部和下部压力信号，控制是简单的，易于编程。但控制精度不高，速度是可调的。挑由PLC和起始频率和模拟输出模块给出变频器运行频率设定信号，它可以实现连续的平滑调节速度。3.2.4压力传感器TPT503压力传感器是密封焊接的不锈钢结构，具有良好的耐湿性，并与介质良好的相容性。它可广泛应用于工业设备，水，化学，医疗，电，空调，压力金刚石压机，冶金，车辆制动，楼宇供水测量和控制。关键业绩指标TPT503压力传感器如下：量程：0~1-450MPa；综合精度：0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS；输出形式：4~20mA/0~5V/0~10V；工作温度：-10~80-150℃；供电电压：9～36V；长期稳定性：0.1%FS/年；负载阻抗：电流型最大800Ω，电压型500kΩ以上。这里选用TPT503压力传感器来满足恒压供水领域的要求。3.2.5水泵电动机水泵机组选型的基本原理是保证运行平稳，二是在高效运行的区域内运行，达到更好的节能效果。如果要在高效区域运行泵，则要选择的泵类型必须与系统用水量的变化相匹配。设计要求如下：电机额定功率75kW，供水压力控制在0.3-0.01MPa。根据上海熊猫机械有限公司生产的SFL系列水泵机组（电机功率75kW），根据设计要求和住宅小区的实际用水量确定。SFL型低噪声家用给水泵由不锈钢制成，叶轮和导叶由不锈钢制成，叶轮和导叶由铸件制成，通过静电喷涂可提高效率5%以上。因此，本设计选用上海熊猫机械有限公司生产的3套SFL系列水泵，电机功率为75kW。3.2.6液位变送器考虑到怠速时，电动机将影响泵电机的使用寿命，因此必须集中检测和控制的必要水平。这种设计需要贮槽水位：2M〜5M，它将由水平发射机转换到所检测到的电平成标准电信号（4〜20mA的电流信号），则该窗口比较器输入端，所述比较器作为输出水贮存高液位报警信号时，输入PLC。综合考虑以下因素：本设计选用淄博丹佛斯公司生产的DS26型分离式液位变送器，适用于水箱、深井及其他液面的测量，测量范围为0m~200m；零、全尺寸外平差；电源：24VDC；输出信号：2线4~20MadC；精度等级：0.25。3.3系统的I/O地址分配系统共有6个开关输入点和13个开关输出点；1个模拟输出点和1个模拟输出点。水位信号的上限和下限分别为x001和x002。当洪水泛滥时为0，暴露时为1。控制系统的输入和输出信号名称、代码和i/o地址分布。3.4恒压供水系统控制方案首先，将压力传感器安装在出口管线，经过A/d转换，根据经验数据PLC的压力信号转换成模拟输入的标准的直流4〜20mA的模拟信号转换成PLC单元FX2N-4AD转换来计算频率转换器的频率的方法要被运行。后PLC指令和对应的PID控制算法，对应的数字信号转换成通过模拟输出模块FX2N-2DA的0〜10V标准电压信号。此时，驱动器在外部操作模式Pr.79的=2操作时，输出端子2,5之间的电压确定其频率。系统配备3台泵，泵电机为380V/22kW。为了防止水泵因长期非运行而生锈，应定期对水泵进行操作。泵工作，当用水量增加时，只依靠变频泵变频调速，不能满足恒压控制要求，此时应增加泵运行次数（即加注泵），实现系统恒压控制。相反，当用水量减少并且无法满足恒定压力控制要求时，应减少泵的运行站数量（即，泵的切割泵），并且当切割泵（第一泵已处于工频运行且最后一个泵在变频运行时）应遵循第一停机原则。结论根据供水为城市的特点，我们开发了基于PLC恒压供水自动控制系统的设计。该系统采用单个逆变器的软启动和多个泵马达的速度，放弃原来的自动电压起动装置，而泵电动机控制到自动控制系统。由PID进程传递到驱动压力变送器取样管网压力信号，根据该压力的大小来调整所述驱动电机的转速，流量调节是通过改变泵的泵的性能曲线，以确保在管恒定压力来实现。该系统不仅有效地保证了供水管网的压力恒定，并且具有可靠的，结构简单，节能效果显着，自动控制，无二次污染。本设计包括：恒压供水系统的原理、恒压供水系统的电气实现、系统的硬件选择、系统的硬件电路设计和软件设计。其主体是由频率转换技术、电压差恒压自动转换技术组成，是现阶段水处理行业较为先进的供水方式。