基于plc的高层住宅小区自动供水系统设计

基于plc的高层住宅小区自动供水系统设计内容摘要：

电压。 当用水量达到 Qmax 时，水泵全速运行，出口阀门全开，达到了满负荷运转，水泵的特性曲线 n0和用水管路曲线 A0 交汇于 b点，此时水泵的出口压力为 H＇，末端服务压力刚好为 H0。 当用水量从 Qmax 减少到 Q1 的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。 10 水泵变频调速节电原理图 1．水泵全速运行，靠控制 水泵出水口阀门 来控制；此时，管路阻力特性曲线变陡（ A2），水泵的工况点由 b点上滑到 c点，而水管所需要的扬程将由 b点下滑到 d 点，这样， c 点和 d点扬程的差值即为水泵 全速运行的能量浪费。 2． 水泵变速运行，靠泵出口压力恒定来控制；此时，当用水量由 Qmax 下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。 单由于采用泵恒定出口压力恒定工作方式工作，所以其工况点始终在 H＇上平移。 在用水量达到 Q1 时，相应的水泵特性曲线为 nx，而管路的特性曲线将向上平移到 A1，两线交点 e 即为此 时工况点。 这样，在水量减少到 Q1 时，将导致管网最不利点水压升高到 H1， H1＞ H0，则 h1为水泵的浪费能量。 3 水泵变速运行，靠管网最不利点压力恒定来控制；此时，当用水量由 Qmax 减少到 Q1 时，水泵降低转速，水泵的特性曲线变为 n1，其工况点为 d点，正好落在管路特性曲线 A0 上，这样可使水泵工作点始终沿 A0 滑动。 管网的服务压力H0 恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。 此方案与泵出口恒压供水相比，其能耗降低了 h1。 通过比较三种方案，我们可以知道水泵的节水不仅与水泵的运行方式有关，还和水管水压的采集地 点有关。 由上面的比较，我们可以清楚的了解到水泵变速运行， 靠管网最不利点压力恒定来控制的方式是最节能的供水方式。 11 供水系统中的 PID 控制 在 工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。 PID 控制 问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这 时应用 PID 控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。 PID 控制 就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。 例（ P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 （ I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个自动控制系统， 如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统。 为了消除稳态误差，在控制器中必须引入 “ 积分项 ”。 积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。 这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。 因此，比例 +积分 (PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 （ D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中 可能会出现振荡甚至失稳。 其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后 (delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化 “ 超前 ” ，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制器中仅引入 “ 比例 ” 项是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是 “ 微分项 ” ，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例 +微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至 12 为负值，从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例 +微分 (PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 在本次设计的控制系统当中， PID 技术主要是通过 PLC的 PID 处理模块来完成，所计算的对象主要是变频器的工作频率，根据这些采样所得进行 PID 运算，从而控制变频器饿输出频率。 第三章 系统的硬件设计 硬件 选择 水泵 的选择 选泵的依据： 根据 工程所需的水量和水压 及其变化规律。 选泵的原则要求：在满足最不利的工 况的条件下，考虑各种工况，尽可能的节约投资减少能耗。 从技术上对流量 Q、扬程 H进行合理的计算，对水泵台数和型号进行选定、满足客户的水量和 水压的要求。 从经济和管理上对水泵台数和工作方式进行选定。 此外，根据 建筑给水排水设计规范 GB 500152020 增压设备和水房 选择生活给水系统加压水泵的时候，应遵守下列规定： Q～ H特性曲线，应是随流量的增大，扬程逐渐下降的曲线。 ，水泵应在高效 的 区 内运行。 ，备用泵的供水能力不应小于最大一台运行水泵的供水能力。 水泵应自动切换交替运行。 综上所述，本系统采用三台相同规格的水泵，其中一台是备用水泵。 根据 建筑给水排水设计 规范 GB 500152020 各种住宅参数如 表 1 所示 表 1 各种住宅参数 住宅类别 卫生器具设置标准 用水定额（ L/人 D 小时变化系数 普通住宅Ⅰ 大便器、洗涤盆 85— 150 — 普通住宅Ⅱ 大便器、洗脸盆、洗涤盆、洗衣机、热水器和淋浴设施 130—— 300 — 13 普通住宅Ⅲ 大便器、洗脸盆、洗涤盆、洗衣机、集中热水供应和淋浴设施 180— 320 — 别墅 大便器、洗脸盆、洗涤盆、洗衣机、洒水栓，集中热水供应和淋浴设施 等等 200— 350 — 按照 2020 户小区计算，其中普通住宅Ⅰ 600 户，普通住宅Ⅱ 600户，普通住宅Ⅲ 600 户，别墅 200 户。 每户按照 人计算。 普通住宅Ⅰ 每人日最高用水 150 L/人 d，时变系数 取 最高 日最大小时 用水量 （ *600**） /24= m3 /h 普通住宅Ⅱ 每人日最高用水 300 L/人 d，时变系数取 最高日最大小时用水量（ *600**） /24= m3 /h 普通住宅Ⅲ 每人日最高用水 320L/人 d，时变系数取 最高日最大 小时用水量（ *600**） /24= m3 /h 别墅 每人日最高用水 350L/人 d，时变系数取 最高日最大小时用水量（ *600**） /24= m3 /h 整个小区的最高日最大小时用水量为 +++= /h 由于系统采用 2用 1备方案，每台电机的余量为 20% 所以 Qh=（ 2*）=。 假设 小区给水泵站的管路总的长度为 L=3000m，吸水井最低水位与最不利点地 形高差 HST=1m，自由水压 =25m，在最大流量时从泵站至最不利点的管路水头损失 ∑ h=，安全水头 H 安全 =，泵站内部水头损失 h 泵站 =2m， 水泵站的扬程 H/m=HST+Hc+∑ h+h 泵站 +H 安全 =1+25++2+= 根据清水泵的参数，选择 IS125100200B，该清水泵的具体参数如表 2所示 ： 表 2 IS125100200B 的参数 型号 转速 流量 扬程 效率 电机功率 14 r/min m3/h m % kW IS125100200B 2900 174 38 77 30 变频器的选择 在 采用变频器驱动异步电动机调速 系统中， 当 异步电动机确定后，通常 可以通过 异步电动机的额定电流来选择变频器，或者 也可以 根据异步电动机实际运行中的电流 的 最大 值来选择变频器。 此外， 变频器容量的计算方式和选择方法 还与运行方式 有关。 选择变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量，变频器的容量应按运行 过程中可能出现的最大工作电流来选择。 变频器的运行一般有以下几种方式。 1变频器容量的计算 由于变频器传给电动机的 电流 是脉冲电流，其脉动值比工频供电时电流要大 ，因此选择 变频器 的容量 要 留有适当的余量。 此时，变频器应同时满足以下三个条件： CN ()cosφMKPP KVA (1) CNI ( )MKI A (2) 式中： PM、 cosφ 、 UM、 IM 分别为电动机 输入 功率、 功率因数 (取 )、电压 (V)、电流 (A)。 K：电流波形的修正系数 (PWM 方式取 ～ ) PCN：变频器的额定容量 (KVA) ICN：变频器的额定电流 (A) 式中 IM 如按电动机实际运行中的最大电流来选择变频器时，变频器的容量可以适当缩小。 根据式 (1) CN ()cosφMKPP KVA 得 :PCN≥ *30/=42(KVA) 根据式 (2) ICN≥ KIM (A)得 : ICN≥ *=(A) 选择 三菱的变频器 15 PLC 的选择 PLC 的基本组成 从广义上说， PLC 是 一种工业控制计算机，只不过比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适用于控制要求的编程语言。 所以 PLC与计算机控制系统十分相似，也具有中央处理器（ CPU）、存储器、输入输出接口、电源等。 1中央处理器单元（ Central Processing Unit， CPU） 中央处理器单元是 PLC 的核心部分，它包括微处理器和控制接口电路。 微处理器是 PLC 的运算和控制中心，由它实现逻辑运算、数字运算，协调控制系统内部各部分的工作。 它的运算是按照系统程序所赋予的任务进行的。 其主要任务有：控制从编程器输入的用 户程序和数据的接收与存储；用扫描的方式通过输入部件接收现场的状态或数据，并存入映像寄存器或数据存储器中；诊断电源、 PLC内部电路的工作故障和编程中的语法错误等； PLC 进入运行状态后，从存储器逐条读取用户指令，经过命令解释后按指令规定的任务进行数据传递、逻辑运算或数字运算等；根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经由输出部件实现输出、制表打印或数据通信等功能。 PLC常用的微处理器主要有通用微处理器、单片机、位片式微处理器。 一般来说，小型 PLC 大多采用 8位微处理器或单片机作为 CPU，如 ZA80A， 8085， 8031 等，具有价格低，普及通用性好等优点。 对于中型 PLC，大多采用 16 位微处理器或单片机作为 CPU，如Intel8086， Intel196 系列单片机，具有集成度高，运行能力快，可靠性高等优点。 对于大型 PLC，大多数采用高速位片式微处理器，它具有高灵敏性，速度快、效率高的优点。 2存储器（ memory） PLC 系统中的存储器配有系统程序存储器和用户程序存储器。 1 系统存储器用于存放 PLC 生产厂商编写的系统程序，并固化在 PROM 或 EPROM存贮器中，用户不可访问和更改。 系统程序相当于个人计算 机的操作系统，它关系到 PLC 的性能。 系统程序包括系统监视程序、用户指令解释程序、标准程序模块、系统调用管理等程序以及各种系统参数等。 2用户程序寄存器 16 用户程序寄存器可分为三部分：用户程序区、数据区、系统区。 用户程序区用于存储用户经编程器输入的程序。 为了调试和修改方便，总是先把用户程序存储到随机存储器 RAM 中，经过运行考核，修改完善，达到设计要求后。 再把它固化到 EPROM 中，代替 RAM 使用。 数据区用于存放 PLC 在运行过程中所用的和生成的各种工作数据。 数据区包括输入、输出数据映像寄存区，定时器、计数器的预置值 和当前值的数据等。 系统区主要存放 CPU的组态数据，例如，输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表分配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等。 3输入输出单元（ Input/Output Unit） 输入、输出单元是可编程序控制器的 CPU 与现场输入、输出装置或其他外部设备之间的连接接口部件。 输入单元将现场的输入信号，经过输入单元接口电路的转换，变换为中央处理器能接收和识别的信号，送给中央处理器进行运算；输出单元则将中央处理器输出的低压信号变换为控制器件所能接受 的电压、电流信号，以驱动电磁阀、电磁开关等。 所有的输入、输出单元均带有光耦合电路，其目的是把 PLC 与外界隔离开来，以提高 PLC 的抗干扰能力。 通常， PLC 的输入单元有：直流，交流和交直流输入单元； PLC 的输出单元有：晶体管输出方式、晶。