【毕业学位论文】（Word原稿）水箱+管网分时变频恒压供水系统设计

南京林业大学学士学位论文 题 目： 水箱 +管网分时变频 恒压供水系统 二 O 一 二 年 五 月 十八 日 摘要 随着城市土地资源越来越紧张，建筑物越建越高，这样自来水公司的直供水水压不能送到 8楼及以上用户，必然要增压供水。要增压供水必然需要耗费能源，如何使增压供水在满足用户需求的基础上使得设备运行能耗最低。同时现今人们追求高质量的生活品质，对于水的要求也不断加强。 最近二十年来，供水行业广泛使用的自动化技 术主要包括变频调速节能技术、过程控制技术、 场总线技术等等 ,根据其类型的不同分南京林业大学学士学位论文 - 2 - 为：无负压供水系统，无塔变频供水系统，双模变频供水系统，数控气压式供水系统和超静音管中泵变频供水系统等，国内的供水系统相对于国外的供水系统相比明显处于落后的地位的。 水箱 +管网分时变频恒压供水系统 保证了供水的质量，以 主机的控制系统满足了系统的控制功能，提高了系统的可靠性。满足了城镇用户对于水压不管是在高峰还是在非高峰时段的需求。同时本系统的成本适中，适合在城市供水系统的广泛应用。本 系统可以实现的效果是在非高峰的时刻（可以在人机界面里面自由设定），打开进水阀，让管网的部分水流向水箱，同时管网向用户供水。当是峰值时间时，系统切换至水箱供水，若在水箱供水期间，水位到达最低限位则自动切换到管网供水。完全可以满足高楼层的供水。 关键字： 压供水 分时供水 南京林业大学学士学位论文 LC nd nd of of so its to to of to in of is of of is In of LC so be o he so in is it in of of It in at in 京林业大学学士学位论文 - 4 - 目 录 一、绪论 . - 6 - （一）任务来源 . - 6 - （二）工艺过程 . - 6 - （三）系统控制要求 . - 7 - （四）方案比较 . - 7 - 1. 与无塔变频供水系统比较 . - 7 - . - 8 - 3、气压罐供水 . - 8 - 二 简介 . - 9 - （一） 产生和定义 . - 9 - 产生 . - 9 - 定义 . - 9 - （二） 应用 . - 9 - . - 10 - . - 10 - . - 10 - . - 10 - （三） 系统组成 . - 10 - 结构 . - 10 - 各组成元素的构成及功能 . - 11 - 三、方案分析 . - 11 - （一）对 选取 . - 11 - （二）对扩展模块的选取 . - 13 - 四系统硬件设计 . - 14 - （一）系统整体的硬件选型与分析 . - 14 - . - 14 - 2. 频器 . - 15 - . - 16 - . - 17 - . - 18 - （二）主电路图 . - 19 - . - 19 - . - 20 - . - 21 - . - 22 - （三）控制电路图 . - 23 - . - 23 - . - 24 - （四）地址分配表 . - 25 - 五、软件设计 . - 27 - (一 )根据设计要求编写的恒压供水的水泵控制梯形图（见附录） . - 27 - 南京林业大学学士学位论文 - 5 - （二）下图为主程序 . - 31 - （三）组态技术的应用 . - 33 - . - 33 - 通信参数设置 . - 33 - . - 35 - . - 35 - . - 36 - . - 37 - . - 37 - （四）程序的仿真 . - 38 - （五） 整定 . - 39 - （六）水泵的调速 . - 40 - 6 总结与体会 . - 41 - 本文主要的工作如下： . - 41 - 致谢 . - 42 - 参考文献 - 44 - 南京林业大学学士学位论文 一、绪论 （一）任务来源 随着我国三十年的城市发展，城市土地资源越来越紧张，建筑物越建越多越建越高，这样城市自来水公司的直供水水压不能送到 6层及以上用户对于压力的需求，必然要增压供水压力，才能满足用户需求。要增压供水必然需要耗费能源，如何使增加供水压力在满足用户需求的基础上使得设备运行能耗最低，达到压力的设定值。 近几年我国的供水系统随着控制技术 的发展也有了很大的进步为提供供水的可靠性和稳定性，结合水箱供水和管网直供的优点，水池或水箱式恒压变频供水设备和无负压管网叠压变频供水设备两种模式供水，可根据自来水进水流量及压力及水泵运行的频率自动切换，此种运行方式不但避免了市政管网负压的产生 ,并且保证了供水的连续性也提高了稳定性 ,这是通用型无负压供水设备无法做到的。运行成本低，高效节能可充分利用市政管网供水压力，补多少，差多小，不产生负压，与传统水池式变频供水设备相比可节能 30%80%。定时换新功能：控制系统定时对水池水箱或中的水自动进行换新，以保持水 池或水箱中的水的新鲜程度 【 5】 。运行可靠：停电可维持市政管网水压供水；当用水高峰或自来水停水时，由水池或水箱供水，大大提高用户用水的可靠性，完全符合自来水供水规范。保护功能齐全：具有完美的过载、短路、过压、欠压、缺相、过流、短路、水源缺水等自动保护功能。在异常情况下能进行信号报警、自检、故障判断等。 占地少安装方便：整套设备只有一组供水控制柜和水泵机组，安装非常简单方便。延长设备的使用寿命：对泵组均能可靠的实现软启动，减低对管网和电网的冲击，并且实现水泵轮流运转，大大延长了电机及水泵的使用寿命。设备比传统水 池或水箱或变频供水设备的寿命大大提高 【 6】 。 由于触摸屏技术、组态技术的发展，使远程监控更加人性化。所以本系统也涉及触摸屏技术的控制。组态软件建立工程。制作出很好的 （二） 工艺 水箱管网分时变频器恒压供水系统，采用 水池（水箱）式变频供水设备和无负压管网叠压变频供水设备两种模式供水，可根据自来水进水压力及流量自动切换，此种运行方式不但避免了市政管网负压的产生 ,并且保证了供水的连续性。分时给水箱进水，在用水高峰时段不进水。只用水箱对用户供水。在非高峰时段，开进水阀进水。正常用水时用水泵直接抽管网的水。系统 特别增加排污阀，以防水箱水受污染，及时更新。 南京林业大学学士学位论文 - 7 - 图 1艺流程图 （三）系统控制要求 控制系统主要是实现的目的是为了使供水系统不管在用水峰值时间，还是在非用水峰值时间，都能满足用户对于水压的要求。同时本系统使用触摸屏技术与组态技术，使远程监控更加便捷更富有人性化。本系统使用管网供水与水箱供水相结合的供水方式，结合管网供水和水箱供水的优点。在非峰值用水时，使用管网供水。在峰值供水时，使用管网供水加水箱供水共同供水的方式 。本系统完全可以满足用户对于水压的需求。 （四）方案比较 1. 与无塔变频供水系统比较 无塔变频供水系统的 工作原理是根据用户用水量变化 以及水压恒定的要求 自动调节运行 水泵运行的频率和水泵之间的切换 ，使 用户管网的水压 保持 设定值 。当用户用水量 很 小 ， 一台水泵出水量 足以满足 ，系统 =依据 用水量变化 使 一台水泵 运行于 变频 状态 ，当用水量增加时 用户 管 网 内压力下降，这时压力传感器把检测到的信号传送给 （ 京林业大学学士学位论文 - 8 - 微机控制单元，判断 运行状态，进行 节 ， 通过模拟信号 输出 到变频器， 进而 控制水泵，使转速加快以保证系统压力 值等于设定值 ， 同理 当用水量减少时，使水泵转速减慢， 为了使压力等于设定值 。当用水量大于一台泵出水时，第一台泵切换到工频运行，第二台泵开始变频调速运行，用 户用 水量于两台泵出水量，能自动停止一台或二台泵运行。 与本系统相少水塔的供水方式，不能结合水箱供水系统的的优点。在峰值用水时，对于用户的水压需求可能无能为力。所以本系统相对于无塔变频供水有着明显的优势。 水箱供水系统的工作原理是塔 一般 居民区 里蓄水作用，有些还是水厂生产工艺的一个重要组 成部分。用于储水和配水的高耸结构，用来保持和调节给水管网中的水量和水压。主要由水柜、基础和连接两者的支筒或支架组成。 与水箱管网分时变频恒压供水系统相比 ， 无塔供水。占地小，节能，自动化程度高 。 3、气压罐供水 气压罐给水设备用于消防供水系统，在工程实践中已屡见不鲜。气压供水由于体积小、技术简单、不受高度限制等特点，近几年来己在高层建筑中采用，但由于此方式存在着调节量小、水泵启动频繁、对电器设备要求较高等缺点，因而使这种供水系统的发展受到限制。 对于本类控制系统而言，有很多的控制方式可以实现本系的控制，总线控 制方式还是利用纯硬件的触发都是可以的，但是总线控制方式特别是利用 用 很方便程序员的编程。 目前工业控制系统中最成功的现场总线之一，并且在工业得到了广泛的应用与实践。主要是因为它是不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线体系，几乎大多数的自动化设备均可通过同样的接口协议进行信息的交换即（ 议）。 ，适合远距离通信，有很高的数 据性能，合适远程 I/允许高速度周期性的小批量数据通信，适用于对时间要求非常苛刻的自动化控制系统中，正因为这个原因可方便地使用不同厂家生产的控制测量系统相互连接成通讯网络，进而组成系统。 南京林业大学学士学位论文 - 9 - 二 简介 （一） 产生和定义 产生 上个世纪二十年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其各种触点等按一定的逻辑关系连接起来组成工业控制系统，控制各种生产机械系统，利用这些系统控制生产过程，这就是大家熟悉的传统的继电器控制系统。由于它结构简单、价格适宜、容易学习，能满足大部分工业控制 场合电气顺序逻辑控制的要求，因此在工业控制领域中一直占据主导地位。同时继电接触器控制系统具有明显的缺点：设备体积大、可靠性差、动作速度慢、功能弱。在实际应用中难于实现较复杂的控制；特别是由于它是靠硬连接线逻辑构成的系统，接线非常复杂，当生产工艺或对需要改变时，原有的接线和控制柜就要更换，这往往是很复杂的，所以灵活性、通用性较差。 到上个世纪 60 年代，由于小型计算机的出现和大规模生产的发展，人们曾试图用小型计算机来实现工业控制的要求；但由于价格、输入、输出电路信号及容量不匹配、编程技术复杂等原因，一直未能得到 在工业控制领域推广应用。 上个世纪 60年代末， 据 新的汽车生产流水线控制系统提出的具体要求，研制开发出世界上第一台 在 司汽车生产线上应用。取得巨大的成功。这是世界上第一台 号为 们把它称做可编程序控制器（ ,简称 定义 今为止，人们还未能对其下一个十分准确的定义。国际电工委员会曾于上个世纪八十年代对可编程控制器的定义是： “ 一种数字运算操作的电子系统，专为工业控制环境而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部具有存储逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 （二） 应用 南京林业大学学士学位论文 - 10 - 当今世界上有 200 多厂家生产 300多品种 用在粮食加工、汽车、金属/矿山化学 /制药、纸浆 /造纸等行业。 制造业是典型的工业类型之一，在该领域主要对物体进行品质处理、形状加工、组装，以形状、位置、速度、力等机械量和逻辑控制为主。由于 得它在制造业领域中的大型控制系统中得到了广泛的应用。 这是 如塑料机械、印刷机械、包装机械、组合机车、磨床、电镀流水线及电梯控制等。这些设备对控制系统的要求大都属于逻 辑顺序控制，所以这也是最适合 这里 来取代传统的继电器顺序控制，应用于单机控制、多机群控等 【 7】 。 流程工业是工业类型中的重要类别，如造纸、石油、电力、化工等，其特点是对物体（气体、液体为主）进行连续加工。过程控制系统中以流量、压力、温度、物位等参数进行自动调节为主（例如 制），大部分场合还有防爆要求。 为适应高精度的位置控制，现在的 今工业自动化领域基于 控制系统和其他的工业控制手段相比，功能更强、装置体积更小、速度更快、价格更低、操作更方便 【 14】 。 （三） 系统组成 结构 能和指令系统也不尽相同，但结构与工作原理则大同小异，通常由主机、输入 /输出接口、电源扩展器接口和外部设备接口等几个主要部分组成的。所示： 南京林业大学学士学位论文 - 11 - 图 2硬件系统结构 各组成元素的构成及功能 （ 1） 神经中枢的作用，主要由运算器、控制器、寄存器及实现 它们之间联系的数据、控制及状态总线构成， 元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。 （ 2） I/O 模块 气回路与 接口，是通过 入输出部分（ I/O）完成的。 I/O 种类有开关量输入（ 开关量输出（ 模拟量输出（ 模拟量输入等。 （ 3）内存 （ 4）电源模块 源用于为 模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24源输入类型有：交流电源（ 22010直流电源（常用的为 24 三、方案分析 （一）对 选取 图展示一台 列 有良好的扩展性、紧凑的设计、强大的指令、低廉的价格等优点，使得 3】 。此外，因为具有丰富的 列 被用来使用解决用户遇到的各种问 题时 ，具有很强的适应性和选择南京林业大学学士学位论文 - 12 - 性，使其具有广泛的。 图 37型图 块包括 1 个中央处理器单元（ 电源以及多个数字量 I/O 点，这些都被集成在一个紧凑、独立的 8】 。 些采集信号经过 块执行程序处理，处理后得到的信号传送给输出部分，此时输入部分至输出控制信号控制工业过程中的设备。 机的主要部分，它负责执行程序、存储数据，以便更好的对工业自动控制任务或过程进行控制 . 7应在 （ 可以提供其通讯功能。 工作模式（运行或停止），本机的 I/O 的当前状态，以及检查出来的系统错误。 图 4展示了一个基本的 包括 1个 块，一台个人计算机（ 编程软件，以及一条 讯电缆。为了使用 必须以下一种设备 ：一条 缆；一块 提供一根通讯电缆 :一个通讯处理器（ 多点接口（ 缆。 南京林业大学学士学位论文 - 13 - 图 37统 （二）对扩展模块的选取 ： 共有 3种产品，即 8点和 16点 8点 输出混合模块 有 6 种产品。其中 入 /出的有 3 种， 继电器输出的有三种，它们对应的输入 /输出点数分别为 4 点、 8 点和 16点。 有 5 种 产品，即 8 点 4 点 8 点 8 点继电器和 4点继电器。 输出扩展模块 4个模拟输入， 1个模拟输出） 经过对于 I/终选择 由于设计的系统共有开关量输入点 17 个，开关量输出 5 个点；模拟量输入点 4 个、模拟量输出点 1个。参照西门子 用主机为 24 入 /6继电器输出）一台，加上 一台扩展模块 个模拟量输入，一个模拟量输出 )，这样的配置比较经济。 南京林业大学学士学位论文 - 14 - 四系统硬件设计 （一）系统整体的硬件选型与分析 （ 1） 流量 水泵的流量大致决定于泵的口径，流量 Q（米 3吵）可用式（ 1出下表 1 可作为估算用。 Q=60 dv/4 式中 ）； /秒），流速一般设在 1 3米 /秒之内， 表 径与流量、流速的关系 口径 毫米（英寸） 流量（米 /秒） 流速（米 /秒） 标准 最大 标准 最大 25(40(50(65(80(100(125(4 2）扬程的另一种称水头，它意思是指被输送的单位重量的液体从水泵进口到出口所增加的能量，单位为米。 泵的扬程大小取决于泵的结构 (如叶轮直径的大小，叶片的弯曲情况等、转速。目前对泵的压头尚不能从理论上作出精确的计算，一般用实验方法测定。 所谓扬程是指所需扬程，而并不是提水高度，明确这一点对选 择水泵尤为重要。水泵扬程大约为提水高度的 。 （ 3）功率是指机械在单位时间（每秒）内做功的大小，单位用千瓦表示 。 在水泵铭牌或有关资料上，常见有 有效功率 、 配套功率 轴功率 【 2】 。 效率是表示水泵能量利用的指标。 配套功率是指带动水泵正常工作的动力机应具有的功率。 轴功率是指水泵运转时，由动力机传递给水泵轴上的功率。 有效功率是指水流经过水泵时所获得的能量，即水泵传给水流的净功率。 允许吸上真空高度是指水面到抽水泵体叶轮的最大高程差 转速 轮）每分钟的转数，常用转分钟表示。水泵 的额 南京林业大学学士学位论文 - 15 - 定转速，一般为 485、 730、 1450、 2900转分钟。 所以我选择的水泵型号为： 高层建筑给水泵 ）。 根据系统节能、经济的要求选用 4 台 10机控制四台水泵进行供水。其中两台直接抽管网，两台抽水箱，当用水高峰时且水箱有水时四台水泵运行以满足水压要求，用水低峰时两台水泵运行，用水正常时两台水泵运行，实现节能目的 【 4】 。 2. 频器 （ 1）选择 110且 准传动可以 方便 的购买、安装、配置和使用，可节 省 相当多的时间；这 种传动具有带 公共的用户和过程接口；公共的软件工具用于 选型、调试和维护 、 公共的备件。 准传动用于广泛的工业 控制 领域。典型的应用包括风机、水泵和恒转矩 等 应用，例如传送带 等 。 准传动在需要快速安装、调试和使用以及无特殊工程要求的 控制 场合是一种理想的选择。 特点有 u u 助手型控制盘 、 u 用于降低谐波的专利技术：变感式电抗器 、 u 矢量控制 、 u 专为恶劣环境设计的涂层板 、 u 内置的 场总线及多种内部安装的总线适配器 、 u 认证 、 u 证 、 10 一款杰出的低压交流传动产品。可以简单的购买，安装，配置和使用，可节省相当多的时间 【 9】 。 （ 2）应用领域 动应用于广泛的工业领域，适用各类型负载。 针对风机、水泵应用做了特别的优化，典型的应用包括恒压供水，冷却风机，地铁和隧道通风机等等。 （ 3） 变频器特点 紧凑的尺寸 、 集成所有器件 、 内置谐波滤波器 、 多功能的制动选项 、 友好的用户接口 ，通用的连接与通讯 、 宽范围的功率和电压 、 坚固可靠的主电路设计 、 所有端子都为工业级应用设计 、 世界范围的认证： 。 本 系统选用 带电接点式的压力传感器，其水压检测范围为。 0 测精度为士 0. 01M 传感器将 0 1 M 围的压力对应转换成 020电 流信号，反馈进 为压力反馈 值 ,然后经过 部的 块进行运算，运算结果从 唯一的模块输出到变频器，然后通过变频器带动水泵转动，进而来改南京林业大学学士学位论文 - 16 - 变进水量，向着满足用户需要的水压变化 。该传感器 相 比 于 碳膜式的传感器 ： 价格便宜 。可靠性好。 同时 可以 在传感器或者利用软件设定值 设定水压的上、下限压力值，上、下限压力值分别设