毕业论文--智能建筑给排水系统 33页

毕业论文题目：智能建筑给排水系统系部：土木工程系专业：建筑设备工程技术班级：建筑设备0931姓名：邹文昌学号：200904043144指导教师：林清丽2011年12月15日\n山东职业学院目录摘要················································III第一章绪论···············································4第二章设计方案···········································6第三章给水系统···········································16第四章排水系统···········································18第五章硬件与软件·········································27IV\n山东职业学院参考文献·················································28结束语····················································29摘要随着计算机技术、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。IV\n山东职业学院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。在本设计中，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。关键词：智能建筑；给水系统；排水系统；变频调器；PLC。IV山东职业学院IV山东职业学院第1章绪论1.1智能建筑1.1.1智能建筑的概念及特点1、智能建筑的概念“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1.1所示，因此，智能建筑又被称3A建筑.-33-\n山东职业学院OASBASCAS图1.1智能建筑结构图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。1.1.2智能建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。1.1.3智能建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﹪-33-\n山东职业学院.智能建筑的真正意义在于满足用户需要。1.2变频器1.2.1变频器的概念变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频调速器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。变频调速器（frequencychanger/frequencyconverter）是一种用来改变交流电频率的电气设备。此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。1.2.2变频器的原理变频调速的基本原理异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为：n0=60f1︳p改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。式中，n0—同步转速(r/min)；f1—定子频率(Hz)；p—磁极对数。而异步电动机的轴上输出的转速为n=n0(1-s)=60f1/p×(1-s)式中s—异步电动机的转差率，s=(n0-n)/n01.2.3变频器的应用这里主要介绍变频器在恒压供水系统中的应用。恒压供水是指不管用户端用水量大小，总保持管网中水压基本恒定，这样既可满足用户对水的需求，又不使电动机空转而造成电能浪费。为实现上述目标，需要变频器根据给定压力信号和反馈压力信号来调节水泵转速，从而控制管网中水压恒定。变频调速恒压供水系统均为闭环系统，用PLC方式控制。有的系统供水管网比较大，所控制的水泵台数也比较多，则可采取总线控制方式，在系统内形成局域网，以提高自动化程度和生产效率。1.2.4变频调速技术-33-\n山东职业学院变频调速技术是现代电力传动技术重要发展方向，随着电力电子技术，微电子技术和现代控制理论在交流调速系统中的应用，变频交流调速已逐渐取代了过去的滑差调速,变极调速，直流调速等调速系统，越来越广泛的应用于工业生产和日常生活的许多领域。1.3PLC1.3.1概念PLC：工业用计算、控制装置，实现逻辑、时序、计算等控制功能，一般作为整个自动化控制系统的上位主机。1.3.2PLC的产生与发展1969年美国成功研制了第一台可编程序控制器PDP—14，20世纪80年代中期到20世纪90年代中期，超大规模集成电路使PLC完全计算机化。CPU开始采用32位微处理器，数学运算和数据处理能力大大提高，增加了运算控制，PID控制。联网能力加强PLC向标准化，系列化发展。20世纪90年代中期至今。主要特点：CPU使用16位和32位微处理器，运算速度更快，具有大批量数据处理能力，出现了智能化模块，可以对各种复杂系统进行控制。编程语言除了梯形图和语句表语言之外，还增加了高级语言。同计算机的发展类似，目前PLC正朝着小型、简易、价格低廉的方向发展。1.3.3PLC的特点1、可靠性高PLC平均无故障时间可以达到30万小时（约34年）。可以毫不夸张地说，到目前为止没有任何一种工业控制设备可以达到PLC这样高的可靠性。随着器件水平的提高，PLC的可靠性还在继续提高．尤其是近来开发出的多机冗余系统和表决系统则更进一步增加了PLC的可靠性。2、环境适应性强PLC具有良好的环境适应性，可应用于十分恶劣的工业现场。电源瞬间断电的情况下，仍可正常工作，具有很强的抗空间电磁干扰的能力，可以抗峰值高达1000V、脉宽10微秒的矩形波空间电磁干扰，具有良好的抗振能力和抗冲击能力。一般对环境温度要求不高，在环境温度-20℃～65℃、相对湿度为35％～85％情况下都可正常工作。3、灵活通用-33-\n山东职业学院在完成一个控制任务时，PLC具有很高的灵活性。首先，PLC产品已经系列化，结构形式多种多样，在机型上有很大的选择余地。其次，同一机型的PLC其硬件构成具有很大的灵活性，用户可以根据不同任务的要求，选择不同类型的输入输出模块或特殊功能模块组成不同硬件结构的控制装置。再者，PLC是利用应用程序实现控制的，在应用程序编制上有较大的灵活性。在实现不同的控制任务时，PLC具有良好的通用性。4、使用方便、维护简单PLC控制的输入模块、输出模块、特殊功能模块都具有即插即卸功能，连接十分容易。对于逻辑信号，输入和输出采用开关方式，不需要进行电平转换和驱动放大；对于模拟信号，输入和输出采用传感器、仪表和驱动设备的标准信号。PLC的各个输入和输出模块与外部设备的连接十分简单。5、PLC具有监控功能。利用编程器或监视器可以对PLC的运行状态、内部数据进行监视或修改。PLC控制系统的维护非常简单。利用PLC的诊断功能和监控功能，可以迅速查找到故障点，对大多数故障都可以及时予以排除。第2章设计方案2.1工程概况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-3.9米，1～2层是裙房，作为商业场所使用。1层3.9米高，2层5.1米，3～26层为单元式住宅，层高3.0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。4～26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。-33-\n山东职业学院2.2所用控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。2.3主要研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。因此，本设计只对给水系统和排水系统进行研究。-33-\n山东职业学院第3章给水系统3.1概念及组成3.1.1概念给水系统：通过管道及辅助设备，按照建筑物和用户的生产、生活和消防需要，有组织地输送到用水点的网络称为给水系统，包括生活给水系统、生产给水系统和消防给水系统。3.1.2给水系统的组成给水模拟系统组成示意如下图3.1所示：-33-\n山东职业学院市网自来水水流开关液位计m电磁阀生活用水压力变送器三通阀水泵止回阀蓄水池变频调速器压差开关3.1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-33-\n山东职业学院（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4~20mA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、4~20mA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。（2）适用场合：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。（3）技术参数测量范围：0～3500mm供电电压：12～36VDC输出信号：两线制4～20mA.DC叠加数字信号，由用户选择开方或线性输出。负载电阻：250Ω测量精度：±10mm环境温度：-40~80℃工作温度：　-20~120℃3、压力变送器的原理压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δ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0.1mm，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4～20MADC输出.3、三通阀-33-\n山东职业学院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。4、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。5、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。6、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4~20mADC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-33-\n山东职业学院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：－20～+88℃，（LT型为：－25～+70℃）。7、水流开关该系统用到的传感器是采用的是海湾公司的产品。其主要作用是：1，检测管路中液体是否流动和流动的量（流量，也就是液体流动压力）是否达到要求，同时靠开关电接点输出（提供）一个信号的通断的状态。2，设备系统靠检测有无信号或控制电流从此开关上通过（水流开关电接点的通、断状态），来判断管路系统的工作状况，给出相应的控制或运行方式或措施；8、压差开关压差开关是用于探测空气压力、空气压差的设备。在楼宇自控系统中，主要应用于风机的运行状态的监测，以及监测过滤器的阻塞情况最大压力：300mbar压差范围:2mbar—10mbar输出：无源触点信号线：RVV2*1.0（无极性）型号：GST-P33A3.1.3控制系统的组成变频恒压供水系统原理如图3.2所示，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。-33-\n山东职业学院蓄水池用户液位计压力传送器变频控制单元城市管网水源调节阀给水泵止回阀图3.2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。3.1.4水泵的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130L/p·d~300L/p·d之间，在本设计中取用最高标准300L/p·d，时变化系数Kh=2.5，用水时间T=24h。每户为3人，用水人数为：3*11*23=759人。本建筑1~2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=1.0，洗脸盆一只N=0.75和坐便器一具N=0.5）和一个厨房（洗涤盆一只N=1.0,单阀水嘴）；其中6户有2个卫生间和一个厨房。4~26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=759*300／1000=222.70m3/d最高日最高时用水量Qh=Kh*Qd／T=2.5*222.70／24=23.20m3/h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=1.0。所以：最高日用水量Qd=222.70*(1+10%)=245.0m3/d最高日最高时用水量Qh=23.20*(1+10%)=25.52m3/h-33-\n山东职业学院1、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1.1倍来确定。即Qb=1.1*25.52=27.8m3/h查给水钢管水利计算表得：当水泵出水量为27.8m3/h（8.6L/s）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(m/s)i(kPa/m)管长(m)水头损失(kPa)吸水管DN=50mm0.630.223.000.66压水管DN=40mm1.070.8182.566.83计算水泵扬程：Hb〉=H1+H2+HhH1—贮水池最高水位至水箱进水口所需的静压力kPa。H1=65.20－(－2.05)=67.25m=672.5kPaH2—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=1.3*(0.66+66.83)=1.3*67.49=87.74kPaHh—水箱进水口的流出水头，取为20kPa∴水泵的扬程为：Hb=H1+H2+Hh=672.5+87.74+20=780.24kPa=78mH2O水泵的出水量为27.8m3/h。据此选得：型号为40MS×8-4.0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80℃；MS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3.2MS型多级离心泵性能型号流量Q（m3/h）扬程H(m)转速n（r/min）电机功率（KW）必须气蚀余量（m）40MS×8-4.015.078.414504.03.0-33-\n山东职业学院MS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=225mm,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=540mm。2、引入管及水表选择①水表的选择高区管网管段设计流量为8.4L/s=27.2m3/h中区管网管段设计流量为10.1L/s=36.4m3/h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3.3LXL-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（m3/h）公称流量（m3/h）分界流量（m3/h）最小流量（m3/h）最小读数（m3/h）最大读数（m3/h）LXL-80N80A8040123.20.019999993.2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，即根据水池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。给水系统监控3.3给水系统监控原理3.3.1给水系统中监控的物理量（1）液位信号1）控制液位2）报警液位3）指示液位4）信号液位；（2）流量信号：流量信号一般是用来对系统给、用水量的大小进行观察和计量；-33-\n山东职业学院（3）运行状态信号：在给排水系统中都设有水泵等运转设备，了解这些设备的运行状态是十分必要的。3.3.2恒压供水系统的结构及功能本系统采用两套电机—水泵对水网进行恒压供水,每台电机均可工作在变频方式或工频方式,但变频调速器每次仅驱动一台电机。变频调速器根据实际水压的变化,不断地调整水泵转速,通过调节流量达到恒定水压的目的。另外,可编程序控制器根据当前水泵的供水情况对其进行合理切换,实现最佳匹配。本PLC变频调速恒压供水系统主要可以完成的功能有:手动和自动切换功能,水泵投入运行方式任选功能。给水系统监原理图如下图3.3所示压力设定值压力传感器变频器调速器PID供水泵供水管网偏差—3.3给水系统监控原理图利用PLC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3.4所示:-33-\n山东职业学院设定值水压变频器压力传感器—电机水泵e图3.4PID调节原理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PID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PID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-33-\n山东职业学院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。3.3.3自动监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3.6所示至用户供水网低位报警下限超高限报警P11水池水泵图3.6自动检测及报警示意-33-\n山东职业学院第4章排水系统4.1排水系统概念及组成4.1.1排水系统的概念排水系统：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。4.1.2排水系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4.1所示生活污水图4.1排水系统示意图下限液位上限液位高限液位液位计城市管网废水回收池水泵电机止回阀4.2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。4.3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-33-\n山东职业学院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。5mM3~排水泵L1L2L3图4.2排水控制图电机10m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4.2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。-33-\n山东职业学院第5章硬件与软件5.1硬件5.1.1PLC控制系统硬件设计恒压供水控制系统由可编程序控制器、变频器、执行机构和传感器等构成。PLC作为控制单元,根据现场信号和系统工作状态控制两台水泵的起动和停止,控制变频器的起动和停止,变频器根据压力给定和实测压力调节输出频率,改变水泵转速,控制管网压力,并将变频器工作状态输出到PLC。　5.1.2可编程控制器选择S7-200的模拟量I/O模块1、模拟量输入模块EM231EM231具有４路模拟量输入，输入信号可以是电压也可以是电流，其输入与PLC具有隔离。输入信号的范围可以由SW1、SW2和SW3设定。2、模拟量输出模块EM232EM232具有2路模拟量输出，输出信号可以是电压也可以是电流，其输入与PLC具有隔离。3、模拟量混合模块EM235EM235具有４路模拟量输入和１路模拟量输出。它的输入信号可以是不同量程的电压或电流。其电压、电流的量程是由开关SW1、SW2到SW6设定。EM235有１路模拟量输出，其输出可以是电压也可以是电流。S7-200的通讯模块S7-200系列PLC除了CPU226本机集成了二个通信口以外，其它均在其内部集成了一个通信口，通信口采用了RS-485总线。除此以外各PLC还可以接入通信模块，以扩大其接口的数量和联网能力。CPU226的基本配置由CPU226基本单元组成的基本配置可以组成1个24点数字量输入和16点数字量输出的小型系统。-33-\n山东职业学院输入点地址为：I0.0～I0.7I1.0～I1.7I2.0～I2.7输出点地址为：Q0.0～Q0.7Q1.0～Q1.7S7-200的扩展配置S7-200的扩展配置是由S7-200的基本单元（CPU222、CPU224和CPU226）和7-200的扩展模块组成，最多可以扩展7个模块。其扩展模块的数量受两个条件约束。一个条件是基本单元能带扩展模块的数量，另一个条件是基本单元的电源承受扩展模块消耗5VDC总线电流的能力。CPU226特殊指标本机I/O:24入／16出数字量I/O物理区:128入／120出模拟量I/O物理区:28／7或14出内置高速计数器:６个（30KHｚ）内置模拟电位器:2个（８位）实时时钟:内置RS-485通讯接口(PPI…):2个提供5VDC电流:1000ｍＡ因此，可编程序控制器采用SIEMENS的S7-200系列CPU-226主机，I/O点数为40点(24个输入点和16个输出点)，具有两个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。模拟量I/O模块选择模拟量混合模块EM235，４路模拟量输入和１路模拟量输出。它的输入信号可以是不同量程的电压或电流。其电压、电流的量程是由开关SW1、SW2到SW6设定。EM235-33-\n山东职业学院有１路模拟量输出，其输出可以是电压也可以是电流。既有输入又有输出还具有较高的精度。PLC编程采用STEP7-Micro/WIN编程软件，它提供一个完整的编程环境，可进行离线编程和在线连接和调试，并能实现梯形图与语句表的互相转换。主要检测元件有光电开关、压力检测开关，共计12个输入信号。执行部件有电机、变频调速器、报警器等，共三个输出点。PLC主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制变频器完成压力调节等功能。两台水泵由变频器直接驱动，进行恒压控制，变频器的起动、停止分为手动和PLC控制。控制面板上设有一个手动/自动转换开关，PLC对该开关的状态实时检测，当选择手动功能时，PLC只进行检测报警，由人工通过面板上的按钮和开关进行水泵的起、停和切换。当选择自动功能时，所有控制、报警均由PLC完成。两台电机的工频启动占用PLC的两个输入点;变频器的极限频率检测信号占用PLC的两个输入点(分别为频率下限到达和频率上限到达);遇有紧急情况和发生供电相序故障等需要紧急停车时,系统设有一个急停按钮,占用PLC的一个输入点,以控制整个系统的全线停车;系统分自动和手动两种工作方式,由一个选择开关控制,选择开关连接PLC的一个输入点,因此,该控制系统中共占用PLC的七个开关量输入信号。整个控制系统所需的输入P输出点数量共为11个点。5.1.3变频器选择变频器选用SIEMENS的MM系列或ABB的ACS-400系列风机/泵类专用变频器，它们具有RS-485通讯接口，性价比较高。PLC通过自由通讯口方式与变频器通讯，控制变频器的运行，读取变频器自身的电压、电流、功率、频率、累计运行时间和过压、过流、过负荷等全部报警信息等参数，并通过触摸屏显示出来，这比通过外部端口控制变频器的运行具有较高的可靠性，节省了PLC宝贵的I/O端口，又获的了大量变频器的信息。5.1.4控制电路设计在控制电路设计中，系统自动/手动转换。控制系统中每台水泵的变频接触器和工频接触器、各水泵的变频接触器在电气上的连锁，防止系统中出现一台水泵工频和变频电源同时接通或多台水泵同时接通变频电源的现象。5.1.5系统流程为方便调试和编程，系统控制器采用模块化编程，主要由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警模块组成。当系统处于手动运行时，按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制水泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。自动运行模块包括系统的初始化、开机命令的检测、数据采集子程序、控制量运算子程序、置初值子程序、电机控制子程序等。模块流程图如下图5.1所示-33-\n山东职业学院信号数据采集子程序PID运算子程序置初值置初值子程序电机控制子程序N5.1模块流程图其中：数据采集子程序完成对主水管压力的数据采集。控制量运算子程序完成变频器控制量的计算和控制量的输出，控制量的计算按PID控制规律进行。5.1.6系统操作合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频图5.1-33-\n山东职业学院模块流程图频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz，1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推；如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。若有电源瞬时停电的情况，则系统停机；待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。同时在自动供水的过程中，PLC实时检测水池水位，若水位低于设定的报警水位时，蜂鸣器发出缺水报警信号；若水位低于设定的停机水位时，停止全部水泵工作，防止水泵干抽，并发出停机报警信号；若水池水位高于设定的水池上限水位时，自动关断水池给水管电动阀门。变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。5.2软件5.2.1软件配置S7-200的数据区•数字量输入映像区(I区)位：I0.0、…I15.7字节：IB0、IB1、…IB15字：IW0、IW2、…IW14双字：ID0、ID4、…ID12•数字量输出映像区(Q区)位：Q0.0、…Q15.7字节：QB0、QB1、…QB15字：QW0、QW2、…QW14双字：QD0、QD4、…QD12•模拟量输入映像区(AI区)字：AIW0、AIW2、…AIW30•模拟量输出映像区(AQ区)字：AQW0、AQW2、…AQW30•变量存储器区(V区)位：V0.0、V0.1、…V5119字节：VB0、VB1、…VB5119字：VW0、VW2、…VW5118双字：VD0、VD4、…VD5116•位存储器区(M区)位：M0.0、M0.1、…M31.7字节：MB0、MB1、…MB31字：MW0、MW2、…MW30双字：MD0、MD4、…MD28•顺序控制继电器区(S区)-33-\n山东职业学院位：S0.0、S0.1、…S31.7字节：SB0、SB1、…SB31字：SW0、SW2、…SW30双字：SD0、SD4、…SD28•局部存储器区(L区)位：L0.0、L0.1、…L63.7字节：LB0、LB1、…LB63字：LW0、LW2、…LW62双字：LD0、LD4、…LD60•定时器存储器区(T区)T0、T1、…T255•计数器存储器区(C区)C0、C1、…C255•高速计数器区(HSC区)HSC0、HSC1、HSC2、HSC3、HSC4、HSC5•累加器区(AC区)AC0，AC1，AC2，AC3•特殊存储器区(SM区)SM0.0、SM0.1、…SM19,也可以用字节、字、双字表示。5.2.2　控制系统软件设计供水系统工作过程：该控制系统根据要求可以选择手动状态和自动状态两种工作方式。选择手动工作状态时,可以分别通过按钮控制水泵单独在工频下运行与停止,主要用于水泵定期检修临时供水。选择自动工作状态时,完全由PLC软件控制运行。根据供水管网中用水量和压力变化适时调整工频运行的水泵和变频运行的水泵频率。自动工作时,1)PLC首先利用变频器软启动一台加压泵,实现单泵变频供水,此时,安装在管网上的传感器将实测的管网压力反馈进变频器,与预先通过变频器面板设定的给定压力进行比较,通过变频器内部PID运算,调节变频器输出频率。2)在用水高峰期,水流量较大,变频器输出频率接近工频,而管网压力仍达不到压力设定,则PLC将当前工作的变频泵由变频切换到工频,并关断变频器;经过短时间的延时(程序设计为5s),变频器重新启动,PLC将变频器切换到另一台泵,由变频器软启动该泵,实现一台工频、-33-\n山东职业学院一台变频双泵供水。当用水量再增多变频器输出频率又接近工频时,则会切断变频器,并把变频的那台泵转为工频运转,实现双泵都以工频运转供水。3)为防止用水量较小时,一台水泵长期不工作而可能导致其生锈,设计了单泵变频定时切换(即定时倒泵),在一台水泵连续工作长时间(程序设计为10h)时,而另一台水泵不工作时,PLC将变频器切换到另一台水泵,使两台水泵能够交替工作按要求进行供水。无论控制单泵变频工作还是双泵一台工频一台变频工作或双泵都工频工作,始终控制管网压力与给定压力值保持一致,实现恒压变量供水。PID指令S7-200CPU提供PID回路指令(成比例、积分、微分循环)，进行PID计算。PID回路的操作取决于存储在回路表内的9个参数。如表5.1所示，当PID指令被允许时，PID指令根据回路表中的数据进行PID（比例、积分和微分）运算，并得到输出控制量。水箱需要维持一定的水位，该水箱里的水以变化的速度从水箱的出水管中流出。因而需要有一个水泵以不同的速度通过水箱的进水管向水箱供水，以维持水位不变。本供水系统的设定值是水箱满水位的75%时的水位，过程变量是由漂浮在水面的水位测量仪给出。输出值是进水泵的速度，可以从允许最大值的0%变到l00%。设定值可以预先设定后直接输入回路表中，过程变量是来自水位表的单极性模拟量，回路输出值也是一个单极性模拟量，用来控制水泵速度。这个模拟量的范围是0.0～l.0，分辨率为1/32000（标准化）。本工程的特点是在系统中，水泵的机械惯性比较大，故系统仅采用比例和积分控制。其增益和时间常数可以通过工程计算初步确定。实际上还需要进一步调整以达到最优控制效果。初步确定的增益和时间常数为：Kc=0.25，Ts=0.1秒，Ti=30分,系统启动时，关闭出水口，用手动控制进水泵速度，使水位达到满水位的75﹪，然后打开出水口，同时水泵控制由手动方式切换到自动方式。I0.0位控制手动方式的切换，0代表手动，1代表自动。当工作在手动方式下，可以把水泵的速度（0.0～1.0之间的实数）之间写入回路表中的输出寄存器（VD108）。应用PID指令控制系统时，要注意积分作用引起的超调问题。为了避免这一现象，可以加一些保护，例如，当过程变量达到甚至超过设定值时，可以限制输出值在某一定范围之内。表5.1回路表偏移地址域格式类型说明0过程变量PVn双字-实数输入过程变量，在0.0～1.0之间4设置值SPn双字-实数输入-33-\n山东职业学院设定值，在0.0～1.0之间8输出Mn双字-实数输入／输出输出，在0.0～1.0之间12增益Kc双字-实数输入增益，可为正数或负数16采样时间Ts双字-实数输入采样时间，以秒为单位，必须为正数20积分时间Ti双字-实数输入积分时间，以分钟为单位，必须为正数24微分时间Td双字-实数输入微分时间，以分钟为单位，必须为正数28积分前项MX双字-实数输入／输出积分前项前值，在0.0～1.0之间32过程变量前值PVn-1双字-实数输入／输出最近一次PID运算的过程变量该程序仅有自动控制方式的设计。其中主程序OBl的功能是PLC首次运行时利用SM0.l调用初始化程序SBR0。程序说明主程序OB1在PLC上电后调用送PID参数子子程序SBR0的功能是形成PID的回路表，建立100毫秒的定时中断并且开中断。中断程序INT0的功能是输入水箱的水面高度AIW0的值，并送入回路表。I0.0=l时进行PID“自动”控制，把PID运算的输出值送到AQW0中,从而控制进水泵的速度，以保持水箱的水面高度。-33-\n山东职业学院-33-\n山东职业学院参考文献[1]阎俊爱，骈永福,智能建筑技术与设计[M]．北京:清华大学出版社,2005.21~23.[2]张晓明．智能建筑的发展与展望[J]．建筑科学，2008，1(2):4~5.[3]政斌，金海城，周炳强，等．变频调速变压变流量供水设备的研2001,(2):47~53．[4]王增长．建筑给水排水工程(第5版)[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005．123~130.[5]金传伟，毛宗源.变频调速技术在水泵控制系统中的应用[J].电子技术应用,2000(19):38~39.[6]徐德，孙同景.可编程序控制器PLC的应用技术[M].济南：山东科技出版社，2000.6~8.[7]殷混义，吴建华.PLC原理与实践[M].北京:清华大学出版社，2008.[8]秦益霖.西门子S7-200PLC应用技术.北京：电子工业出版社，2007.[9]黄贤武，郑筱霞.传感器与应用[M].长沙：国防工业出版社，1997.[10]魏永光，刘存.现代传感器技术[M].沈阳：东北大学出版社，2001.-33-\n山东职业学院结束语通过本次毕业设计，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。本次毕业设计，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。变频恒压供水系统在工业和生活中有很广阔的应用前景，除了具有明显的节能效果外，还具有操作方便、容易、维护量小的特点，变频器的软启动功能也减少了对电网的冲击，使设备运行方式更趋于合理，设备的自动化水平得到提高。费用低。总之，采用变频恒压供水系统是一种技术先进、经济实用的选择。通过该设计，我学会了如何确定以上各系统的设计方案。方案的设计是在结合已知设计资料的基础上确定的，方案设计新颖，具有一定的适用性。在计算过程中，一些计算公式、计算方法以及一些表示形式，是通过翻阅参考文献及一些设计资料完成的，设计计算过程合理，设计计算思路清晰明了，计算结果及论证过程具有一定的说服力，设计成果具有一定的正确性。通过本次设计，我觉得自己的专业基础知识还不够扎实，时间的安排不够合理，实践的能力还很欠缺，在以后的工作学习中会逐步改善。-33-