住宅小区恒压供水监控系统.docx
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住宅小区恒压供水监控系统
本科毕业设计说明书
住宅小区恒压供水监控系统
RESIDENTIALDISTRICTCONSTANTPRESSUREWATERCONTROLMONITORINGSYSTEM
学院(部):
电气与信息工程学院
专业班级:
自动化08-3
学生姓名:
王文霞
指导教师:
金林高级工程师
年月日
住宅小区恒压控水监控系统
摘要
目前,大部分的水泵控制采用传统的电力拖动方式,水泵在工频下恒速运转,对于流量的控制是利用调节阀门的开度来实现的,这样就会造成能源的较大浪费,采取恒压供水的方式,可以解决传统供水存在的弊端,由于交流变频技术的不断成熟及完善,可以方便地组成恒压供水系统。
由于用户用水的不稳定,经常导致用水高峰期水压较低;供水量低于需求量。
传统的恒压供水系统存在控制精度低、能耗大及成本高等缺点。
针对上述情况,本文以S7—200PLC为控制器.基于恒压供水的原理,设计了由PLC、变频器和压力传感器件等组成的恒压供水系统。
并详细论述了控制系统结构和实现过程,通过上位机与PLC实现了系统的手动、自动、系统参数及设备状态的监测。
经现场实际运行,证明该系统运行可靠,提高了供水的效率。
关键词:
可编程控制器(PLC),变频器,恒压控水
RESIDENTIALDISTRICTCONSTANTPRESSUREWATER
CONTROLMONITORINGSYSTEM
ABSTRACT
Atpresent,mostpumpsarecontrolledbythetraditionalway,thisreferstothewaterpumpsrunningunderconstantspeed,theflowcontrolisachievedbyoperatingvalves,thisresultsinenergy’swaste.Thewayofconstantpressurewatersupplycansolvethisproblem.Thesystemofconstantpressurewatersupplycanbemadeeasilyduetothedevelopmentofinverter.
Aswaterusedinstabilityofuser,itcausesthehydraulicpressureofpeakofwaterusedtobelowfrequently.Thevolumeofwatersupplyislowerthanthedemand.Inthetraditionalconstant-voltagewater-supplysystem,thereexistssuchshortcomingsasfollows:
lowercontrollingprecision,highenergyconsumptionandhighcost.Inviewofabovesituation,thispapertakingS7-200asthecontroller,introducesthecontrolsystembasedontheprincipleofconstantpressurewatersupply,whichiscomposedofPLC&frequencyconverterpressuresensoranddescribescontrolsystemstructureandtherealizationprocess.ThroughcomputerandPLC,itrealizeshand-control,Auto-handandtheparameters&equipmentstatusmonitoring.Thefactofspotrunningprovesthatthesystemrunsreliably,andimprovewater-supplyefficiency.
KEYWORDS:
programmablelogiccontroller,frequencyconverter,constantpressurewatersupply
目录
摘要(中文)I
摘要(外文)II
1绪论1
1.1供水系统的发展和现状1
1.2供水系统的概述3
1.2.1恒压供水系统的主要特点:
3
1.2.2传统供水系统的不足4
1.2.3恒压供水技术的实现4
1.3本课题研究的目的及意义5
2变频调速技术6
2.1变频调速技术的介绍6
2.1.1变频调速的特点及分析6
2.1.2变频技术的发展与应用7
2.2变频调速技术的基本原理8
2.2.1三相异步电动机的工作原理8
2.2.2变频器调速的基本原理9
2.2.3变频器的控制方式10
3可编程控制器(PLC)的简介12
3.1PLC的基本概念12
3.2PLC的工作原理12
3.3PLC的性能指标13
3.4S7-200系列PLC的简介14
3.4.1S7-200系列PLC的概述14
3.4.2S7-200系列PLC的特点14
3.4.3S7-200系列PLC的硬件组成14
4系统设计的总体方案16
4.1工艺情况16
4.2变频恒压供水系统的组成16
4.3变频恒压供水系统的工作原理18
4.4系统设计的方案19
4.4.1系统的控制要求19
4.4.2系统方案的选择19
4.4.3变频恒压供水系统控制流程20
4.5系统保护功能的实现21
4.5.1定时换水泵功能的条件分析21
4.5.2故障检测及报警功能22
5系统的硬件设计23
5.1系统的硬件主电路图23
5.2PLC系统的选项及I/O地址的分配24
5.2.1PLC的输入/输出量24
5.2.2PLC的I/O地址分配24
5.2.3PLC的选型25
5.3传感器的选择26
5.3.1传感器的简介26
5.3.2选择传感器的原则27
5.3.3传感器的选型29
5.4变频器的选择31
5.4.1变频器的简介31
5.4.2变频器的选型31
5.5水泵及电机的选择32
5.6系统的硬件连接图33
6系统的软件设计34
6.1PID算法设计34
6.1.1PID算法的简介34
6.1.2恒压供水中PID调节过程分析35
6.2系统流程图37
7人机界面的设计39
结论41
参考文献42
致谢43
1绪论
1.1供水系统的发展和现状
伴随着经济建设的大规模的开展,我国城市供水工程建设也得到了飞速的发展。
在"八五"期间,我国城市平均每年供水量增长到998×104m3,全国自来水的日供水能力在5年内也迅速增长,进而提前完成目标计划,比"七五"时期要增加了77%。
但是,我国城市供水还存在着很多问题,如:
(1)供水量不足
我国城市缺水有4种类型如:
资源型缺水、工程型缺水、管理型缺水和污染型缺水等。
我国河川多年平均径流量居世界第6位,但人均占有量却居世界第110位,被列入世界12个贫水国家名单,因此我国的城市供水量是严重的不足。
(2)水源污染十分严重
最近几年,我国水资源污染呈发展趋势,尤其是工业发达地区的水资源污染更为严重。
自此我国80%的水域、45%的地下水都不同程度的受到污染,90%以上的城市水源受到严重污染。
因此,水源污染除了危害人们的健康和影响工农业的产值之外,对城市供水也造成了十分严重的危害。
(3)供水的水质标准偏低
与经济高度发达的国家相比,我国制订的饮用水水质标准存在着项目少、标准低的差距,尤其是对水中溶解性有机物的检测项目更加的少。
同时在一些单项指标的规定上,我国的水质标准也较低。
据有关部门的统计,全国自来水厂水质存在指标不合格现象有76%。
(4)建设资金短缺
自从改革开放以来,我国的国民经济突飞猛进的发展,如此使得城市的市政工程设施处于滞后状态。
同时,给水工程是系统工程,一般工程量较大,施工较复杂,建设周期较长,故所需的投资也相对较多。
因此,我国形成了城市给水工程建设资金普遍的严重不足状态。
近年来,我国城市给水工程建设尤其是城市地面水厂的建设规模越来越大。
同时,由于城市近区水源的水量或水质已不能满足供水的需求,只能跨地区跨流域寻找水源,以至于造成长距离引水工程越来越多。
由于经济和技术的原因,使水环境污染越来越严重。
加之随着人们生活水平的提高,对自来水水质的要求越来越高。
这样就导致了水厂净化工艺将会越来越复杂,处理流程越来越长。
一般规定城市管网的水压只保证6层以下楼房的用水,其余上部各层均须“提升”水压才能满足用水要求。
以前大多采用传统的水塔、高位水箱,或气压罐式增压设备,但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量,其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。
自从变频器问世以来,变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。
变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。
变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点,使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。
恒压供水调速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,是当今最先进、合理的节能型供水系统。
在实际应用中得到了很大的发展。
随着电力电子技术的飞速发展,变频器的功能也越来越强。
充分利用变频器内置的各种功能,对合理设计变频调速恒压供水设备,降低成本,保证产品质量等方面有着非常重要的意义。
新型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。
恒压供水调速系统的这些优越性,引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视,并不断投入开发、生产这一高新技术产品。
目前该产品正向着高可靠性、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,系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
在短短的几年内,调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程,早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。
虽然单泵产品系统设计简易可靠,但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低,而多泵型产品投资更为节省,运行效率高,被实际证明是最优的系统设计,很快发展成为主导产品。
随着经济的发展和科技水平的提高,水厂对自动化水平要求越来越高。
因此在大中型水厂以及新建水厂中已广泛的采用了先进的仪器仪表、自动化装置、各种新型专用器材与设备等。
同时,水厂运行的调度管理以及生产过程的监控系统和自动化技术,也已被水厂采用。
因此,变频恒压供水技术就成为城市住宅小区供水系统发展的必然趋势。
1.2供水系统的概述
1.2.1恒压供水系统的主要特点:
日常的生活用水量随季节、昼夜、上下班的时间不同而发生较大的变化,因而经常会出现供水用水的不平衡,这个现象主要表现在水压上,用水多而供水少则水压低,用水少而供水多则水压高。
如某公司所在的高层小区由于自来水管网的水压较低,自来水通常不能到达住宅的较高楼层,需要用水泵再次将水送至楼顶的高位水箱,再供应给用户。
但是,这种供水方式不可避免的会对水造成污染,影响居民的身心健康。
同时在供水质量、日常维护管理及应付意外火警等方面均显示出明显的不足。
由于电力电子技术的发展,变频调速技术在供水系统中得到了广泛的应用。
变频恒压供水系统主要是利用PLC控制不同功能的传感器,根据管网的压力,通过变频器来控制水泵的转速,使水管中的压力始终保持在合适的范围内。
因此这种变频恒压供水系统完全就可以直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置。
变频恒压供水系统主要具有以下特点:
(1)节能性
系统用变频器进行调速,用主泵和备用泵的组合进行恒压供水,节能效果显著,对每台水泵进行软启动,启动电流可从0到电机额定电流,减少了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击,延长了设备的使用寿命。
同时优化节能控制软件,使水泵能实现最大限度地节能运行。
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,达到节水的效果。
(2)运行可靠
在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击,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,避免管网压力超限和管道破裂。
同时变频调速技术能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗,保证系统稳定可靠运行。
(3)联网功能
采用全中文工控组态软件,实时监控各个站点及各地的现场环境,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,提供各种形式的打印报表,以便分析统计。
同时能及时地应对突发状况,适时地进行故障检测和报警。
(4)控制灵活
分段供水,定时供水,手动、自动选择两种工作方式。
变频自动运行功能是该系统最基本的功能,系统能完成对多台泵和电机的软启动、停止、循环变频的全部操作过程,手动运行方式主要是供检修及变频器故障时用,系统控制方便灵活。
1.2.2传统供水系统的不足
传统的住宅小区供水方式主要有:
恒速泵加压供水、气压罐供水、水塔高位水箱供水、液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式,其特点如下:
(1)恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应,水泵的增减都依赖人工进行手工操作,自动化程度低,而且为保证供水,机组常处于满负荷运行,不但效率低、耗电量大,而且在用水量较少时,管网长期处于超压运行状态,爆损现象严重,电机硬起动增大电机的机械冲击损耗,目前较少采用。
(2)气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点,但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁,对电器设备要求较高、系统维护工作量大,而且为减少水泵起动次数,水泵压力往往比较高,致使水泵在低效段工作,而出水压力无谓的增高,也使浪费加大,从而限制了其发展。
(3)水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点,但存在基建投资大,占地面积大,维护不方便,水泵电机为硬起动,启动电流大等缺点,频繁起动易损坏联轴器,目前主要应用于高层建筑,普通住宅小区很少用。
(4)液力耦合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油,发热需冷却,效率低,改造麻烦,只能是一对一驱动,检修频繁;优点是价格低廉,结构简单明了,维修方便。
(5)单片机变频调速供水系统也能做到变频调速,自动化程度要优于上面4种供水方式,但是系统开发周期比较长,对操作员的素质要求比较高,可靠性比较低,维修不方便,且不适用于恶劣的工业环境。
综上所述,传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源;效率低;可靠性差;自动化程度不高等缺点,严重影响了居民的生活用水和工业系统中的用水。
目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展,变频调速技术以其显着的节能效果和稳定可靠的控制方式,在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用,特别是在城乡工业用水的各级加压系统,居民生活用水的恒压供水系统中,变频调速水泵节能效果尤为突出。
1.2.3恒压供水技术的实现
恒压供水技术主要是安装在管网上的压力传感器通过检测管网中的水压,把水压转换成4~20mA的模拟信号,再传送到变频器内置的PID控制器,PID调节器根据接收到的管网水压的实测值与设定值的综合比较,来改变电动和水泵转速,进而实现变频调速。
当用户用水量增大,管网压力低于设定压力时,变频调速的输出频率将增大,水泵转速提高,供水量加大,当达到设定压力时,电动水泵的转速不再变化,使管网压力保持恒定在设定压力上;反之亦然。
目前交流变频调速技术是一项已广泛应用的节能技术。
由于电力电子技术的飞速发展,变频器的性能得到了很大的提高,它可以实现控制设备软启软停的功能,不仅可以降低设备故障率,还可以大幅减少电耗,确保系统安全、稳定、长周期的运行。
长期以来区域的供水系统都是由市政管网经过二次加压和水塔或天面水池来满足用户对供水压力的要求。
在小区供水系统中加压泵通常是用最不利用水点的水压要求来确定相应的扬程设计,然后泵组根据流量变化情况来选配,并确定水泵的运行方式。
由于小区用水有着季节和时段的明显差异变化,日常供水运行控制就常采用水泵的运行方式调整加上出口阀的开度调节供水的流量和水压,大量能量因消耗在出口阀而浪费,而且这种方式还存在水的“二次污染”问题。
变频调速技术在给水泵站上的应用,成功地解决了能耗和污染的两大难题,保障了供水的质量和可靠性。
1.3本课题研究的目的及意义
水和电长期以来一直都是人类生活和生产中不可缺少的重要能源,因此节水节能已成为时代特征。
在如此的现实条件下,我国的水资源和电能源长期的短缺。
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,自动化程度也较低。
随着我国社会经济和国民经济的发展,人们生活水平的不断提高,以及住房制度改革的不断深入和扩展,城市中各类小区建设发展十分迅速,同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。
其中一个重要方面是小区供水系统的建设,供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活,也直接体现了小区物业管理水平的高低。
恒压供水调速系统可依据居民用水量的变化(实际上为供水管网的压力变化)自动调节系统的参数,保持水压的恒定可以满足用户对其稳定性的要求,是当今先进、合理的节能型供水系统。
在短短的几年里,变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程。
早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵系统所取代,投资更为节省,运行效率更高,发展潜力很大,成为主导产品。
自从通用变频器问世以来,变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。
恒压供水调速系统实现水泵电机的无级调速,根据用水量的变化自动调节系统的运行参数,使水压恒定进而以满足小区用户用水的要求,是当今最先进、最合理的节能型供水系统。
基于PLC和变频技术的恒压供水系统是集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体的。
采用该系统进行供水和给水可以提高供水系统的稳定性、可靠性和经济性,同时系统具有良好的节能性,这在能源日益紧缺的今天是非常重要的,所以研究设计该系统,对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有十分重要的现实意义。
2变频调速技术
2.1变频调速技术的介绍
2.1.1变频调速的特点及分析
用户用水量一般是动态的,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。
恒压供水系统对于用户是非常重要的。
在生产生活供水时,若自来水供水因故压力不足或短时断水,可能影响生活质量,严重时会影响生存安全,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,用水区域采用恒压供水系统,能产生较大的经济效益和社会效益。
作为高性能的变频调速传动,直流发电机-电动机调速控制方法长期以来一直应用十分广泛。
但是由于直流电机的换向器和电刷的维护和保养很麻烦,价格也相当的昂贵,使异步电动机实现性能好的调速一直是人们的理想。
异步电动机的调速方法很多,例如有无级调速、有级调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等,但是因为这些调速方法各种各样的缺点而没有得到广泛的应用。
由于变频调速技术具有调速机械特性好、效率高,调速范围宽,精度高,调整特性曲线平滑,可以实现连续的、平稳的调速,体积小,维护简单方便,自动化水平高等一系列优点而在现代工业、生活中得到广泛的应用。
尤其当它应用于水泵、电机等大容量的负载时,可以获得比其它调速方法很好的节能效果。
变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器,变频器可以分为交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类,但是目前国内大都使用交-直-交变频器。
新型的供水方式与过去的水塔或是高位水箱以及气压供水方式相比,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。
因此不论是系统的稳定性、可靠性、自动化程度,还是设备的投资,运行的经济性等方面都具有前所未有的市场优势,而且使供水实现节水、节电、节省人力,最终达到高效率的运行目的,具有显著节能效果。
恒压供水调速系统的这些优越性,已引起国内几乎所有供水设备厂家的重视,并不断地投入开发、生产这一高新技术产品。
目前该产品正向多品种系列化方向发展。
高可靠性、全数字化微机控制的方向发展。
追求系列标准化、高度智能化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
2.1.2变频技术的发展与应用
异步电动机是工农业生产中应用最为广泛的一种交流电机。
但由于其调速性能差等缺点,20世纪70年代前,在需要用调速拖动的场合中几乎全部采用直流电动机,但直流电动机的制造、维护和保养十分繁杂。
20世纪70年代,由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的迅速发展,促使了晶体管变频器的诞生,为变频器技术的开发、发展和普及奠定了基础。
晶体管变频器不仅克服了以往交流调速方法的缺点,而且调速性能非常好,足以和直流电动机的调速性能相媲美。
三相异步电动机具有功率和转速适应面宽、维修方便、价格便宜等优点,其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性能等方面明显的占有优势。
80年代,交流电机的变频调速技术迅猛地发展成为一项成熟的技术,同时又进一步成功的开发了绝缘栅双极晶体管(IGBT),以此电源拖动电机使其在变速状态下运行,并自动适应变负荷的条件。
它改变传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式,从而达到节能的目的。
变频控制理论方面经历了V/F控制到矢量控制技术,使异步电动机变频后的机械特性达到了可以和直流电动机变压后的机械特性相媲美的程度。
变频器的类型有多种,按电能转换的情况可分为交流-交流变频器和交流-直流-交流变频器两种。
其中,交流-直流-交流是目前中小型异步电动机变频调速电源的主要形式,它不像交流-交流变频器那样直接将工频电源转变成所需频率的电源,而是把工频交流市电先经整流变成直流,然后再通过逆变器把直流电转变成所需频率的交流电。
近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGGT以及智能模块IPM(IntelligentPowerModule)等器件的生产以及并联、串联技术的发展和应用,使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。
在大功率交一交变频器调速技术方面,法国阿尔斯通已能提供单机容量达30000KW的电气传动设备用于船舶推进系统,意大利ABB公司提供了单机容量为60000KW的设备用于抽水蓄能电站,日本富士BJT变频器最大单机容量可达700KVA。
在现代自动化控制理论领域中,以现代控制理论为基础,融入模糊控制、专家控制、神经控制等新的控制理论,为高性能变频调速提供了理论基础;16位、32位高速微处理器以及信
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