1、 北方民族大学 学士学位论文 论文题目 :高层建筑恒压供水 控制 系统 设计 院 (部 )名 称 :电气信息工程学院 学 生 姓 名 :张颖鹏 专 业 :测控技术与仪器 学 号 :20110274 指导教师姓名 :石万里 论文提交时间 :2015 年 5 月 14日 论文答辩时间 :2015 年 5 月 23日 学位授予时间 : 北方民族大学教务处制 北方民族大学 学士学位论文 高层建筑恒压供水 控制 系统设计 I 摘 要 在近些年 ， 随着 房地产 行业 的迅猛发展 ， 传统的楼层 给水技术 逐渐地不能够满足人们日益增长的需求， 一种 新型成熟的恒压供水技术 正在 被广泛应用。 这种系统的主
2、要功能是不论用水量如何变化，始终可以满足用户用水的需求，同时可以最大限度地节省能源、延长设备寿命 1。作者通过了大量的学习和查阅资料，发现恒压供水系统自动化程度较高、稳定满足居民最大需求的功能。采用西门子S7-200 系列的 PLC 作为控制器、 MICROMASTER 变频器驱动水泵、并辅以组态监控是一个很好的方案 1。 本系统使用一台变频器拖动三台水泵电机的切换。其中， 1 号泵、 2 号泵作为日常供水机组，设计了“ 倒泵 ”功能 ， 3 号泵作为消防紧急用水备用泵。使用压力传感器对供水管网水压进行持续的检测，检测值转换为 0 10V 电压信号反馈到 PLC，通过 PLC 内部的 PID
3、梯形图 程序进行 运算。然后，利用 USS 通讯线，把该控制信号输入到了 MICROMASTER420 变频器通信端口，变频器的输出频率改变，从而输出控制水泵的转速信号，最后达到控制供水管网中压力恒定的要求。系统设有组态监控上位机并与 PLC 连接，实现供水系统的 水压实时监控功能。 关键字 :恒压供水，压力传感器， PLC，变频器，组态监控 北方民族大学 学士学位论文 高层建筑恒压供水 控制 系统设计 II ABSTRACT In recent years, with the rapid development of real estate industry, the traditional
4、 floor water supply technology gradually can not meet peoples growing demand, a new kind of mature technology of constant pressure water supply is being widely used. Changing the systems main function is in water, can satisfy the demand of the water, and can maximally save resources, extend equipmen
5、t life 1. The author through a large number of learning consult, found that in order to be able to realize the constant pressure water supply system is a high degree of automation, stable and meet the demand of residents biggest function, adopting Siemens series S7-200 PLC as the controller, MICROMA
6、STER inverter control and configuration monitoring 1 is a good solution. This system USES a switching frequency inverter drive three pump motor. Among them, the no. 1, no. 2 pump as a daily water supply unit, design the function of “pump“, no. 3 pump for fire emergency standby pump with water. Use p
7、ressure sensor for continuous water supply pipe network pressure detection, the readings can be converted into 0 10 v voltage feedback signal to PLC, through the PID ladder diagram procedure of PLC internal operations. Then, using the USS communication line, the control signal input to MICROMASTER i
8、nverter communication port, the inverter output frequency change, thus the output control pump speed signal, and finally reached the requirements of control in the water supply pipe network pressure constant. System with PC and PLC configuration monitoring connections, water supply system of the rea
9、l-time monitoring function. KEY WORDS ： constant pressure water supply, pressure transmitter, PLC, frequency converter and the configuration monitor 北方民族大学 学士学位论文 高层建筑恒压供水 控制 系统设计 1 目 录 第 1 章 前言 . 1 1.1 研究的目的和意义 . 1 1.2 系统的功能要求 . 2 1.3 课题研究方法 . 2 第 2 章 系统设计的原理与基本结构 . 3 2.1 系统功能需求分析 . 3 2.2 可行性理论分析 .
10、 3 2.3 总体方案设计 . 3 2.4 各模块方案设计 . 4 2.4.1 水压采集 . 4 2.4.2 PLC 控制部分 . 4 2.4.3 组态监控部分 . 5 2.5 设计框图 . 5 第 3 章 硬件设计 . 6 3.1 硬件选型 . 6 3.1.1 PLC 及其扩展模块选型 . 6 3.1.2 变频器选型 . 8 3.1.3 压力传感器选型 . 9 3.1.4 水泵选型 . 9 3.2 资源分 配 . 11 3.2.1 PLC 的 I/O 分配 . 11 3.2.2 MICROMASTER 变频器参数 分配 . 12 3.3 电路接线图 . 13 第 4 章 软件设计 . 16
11、4.1 软件设计的常用方法 . 16 4.2 程序流程图 . 16 4.3 PID 运算 . 24 北方民族大学 学士学位论文 高层建筑恒压供水 控制 系统设计 2 4.4 各模块梯形图设计 . 24 4.5 程序调试 . 25 第 5 章组态监控界面设计 . 26 5.1 King View 组态王 . 26 5.2 监控画面设计 . 26 5.3 水压显示设计 . 28 结论 . 29 致谢 . 30 参考文献 . 31 附录 . 32 附录 1：梯形图程序 . 32 附录 2：外文文献 . 38 附录 3：中文译文 . 44 北方民族大学 学士学位论文 高层建筑恒压供水 控制 系统设计
12、1 第 1章 前言 1.1 研究的目的和意义 水资源的供给在人类文明的延续里历来是一个战略性的话题。在 我国，生活建筑逐渐高层化。 然而具有 讽刺意味的是 ，长期以来我们的市政供水、高层建筑供水等方面一直 不太能够满足居民的需求，原因就是我们 的技术跟不上时代的 发展 ，自动化程度比较低。在下班、节假日的时候，属于用水高峰期，水的供给量需求更高；而在用水低峰期，用水供过于求，管压对设备的维护的影响需要注意。人们曾经尝试过多种多样的供水方式，直到恒压供水技术出现以前。 恒速泵 +水塔的供水方式曾经被广泛应用。 需要投入 的工程 面积大，水质不能够得到保证，投资多，水压恒定也没有办 法实现 ，极大
13、地影响了 居民的生活质量 。 如果采取阀门控制调节流量来维持管压，那么将会有大量的电能浪费，这对于住户也是一个不可取因素。这种方式下 ，当 水泵电机直接工频起动或者制动，就会 带来水锤效应，对管网、阀门等也具有破坏性的影响 。 近些年 以来 ，出现 了 一种新型成熟的交流电机无极调速技术 变频调速技术。 据统计，如果把变频调速技术用在 供水行业中， 不仅能够实现恒压，而且节能效果相当可观， 这也很好地响应了国家 “ 节能减排 ” 的倡导 。变频恒压供水系统同其它供水方式相比较，除了具有显著的节能效果外，还有以下的显而易见的优势： 1、通过设置变频器参数 ，直接 改变的 是 电 动机的变频 输入
14、 电源频率，间接则达到了调节水泵转速，改变了水泵出口压力，比靠调节阀门的控制方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。 2、当水泵工作在变频模式，它的出口流量大于额定流量时，可以 控制水 泵降低转速甚至，避免了 水泵持续高负荷工作， 降低了维护费用， 延长了使用周期 。 3、水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成水泵系统的喘振，彻底消除水锤现象。 4、设计了恒压自动控制模式，同时 可以与上位机通讯， 上位机 可以实时 显北方民族大学 学士学位论文 高层建筑恒压供水 控制 系统设计 2 示供水的压力
15、或液位，因此 不需要操作人员频繁在 一线 操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力管理 成本 。 1.2 系统的功能要求 任务是设计一套具有上位机监控功能的高层建筑物恒压供水系统的控制部分，主要针对高层建筑物。需要实现的 功能是 用户用水量的发生 变化时，控制系统随之进行水泵的工频 /变频 控制， 须保持供水水压恒定。计算机监控部分要主要实现的 功能有： 水泵 工作状态的实时显示、 供水水压的监控和发生火灾时的报警显示。 可编程控制器有 两方面的作用： 一是控制变频器和用水高峰期补水泵和 消防紧急 用水辅助泵 的工作；二是把系统 的输入、输出量、传感器采集的数据 等各种寄存器 用 RS485 传
16、给 上位机 ， 实现计算机对系统运行状态的监控。使用压力传感器对供水水压进行连续检测，原理 是压电转换， 检测到的压力信号转换成 0 10V电压信号后送给可编程控制器（ PLC）， PLC 通过 PID 运算梯形图 程序 进行 数据处理 。处理后 ，数据通过通讯传给变频器， 控制主水泵电机的运行频率，从而调节供水量。 1.3 课题研究方法 （ 1）通过大量实验，对西门子 S7-200 系列 PLC、 MICROMASTER420 变频器的原理和功能有了一定的了解，为自己的设计提供了详实有据的参考。 （ 2）充分利用图书馆的相关资料、中国知网的文献以及通过网络查询，对本课题进行足够深的了解，积累
17、了丰富的参考资料，为具体模块的电路设计提供了充足的理论准备。 （ 3）以本设计需要实现的功能出发，向指导老师请教，从已有的设计案例中，学习选择，取人所长，尽最大努力实现功能要求 ，同时发现 有待 开发的 附加功能 。 北方民族大学 学士学位论文 高层建筑恒压供水 控制 系统设计 3 第 2章 系统设计的原理与基本结构 2.1 系统功能需求分析 本系统以西门子 S7-200 PLC CPU226 为核心，对于高层建筑实现恒压供水。系统需要的主要技术指标如下： (1)实现 45 米高， 180 居民的住宅楼给水，包括生活、消防用水； (2)当用户用水量变化时，允许系统存在供水压力波动 ，但须 在
18、2之内； (3)在上位机上可以显示系统供水压力和系统运行状态。 2.2 可行性理论分析 本次设计的高层建筑恒压供水系统需要适用于生活用水以及消防用水的供水要求，设计时需要考虑以下因素 : (1)供水系统的控制对象是用户供水管网的水压，它是一个过程控制量，对控制作用的响应具有滞后性。 (2)不同的用户在用水量和用水扬程等方面存在着较大的差异， 在系统硬件选型、设计 、 制作 时 ， 需要 考虑到最大 用 水量 和 用水扬程 。 (3)在变频恒压供水系统中，如果单单采用 一台泵作常用泵，那么长期高负荷的工作将会损坏设备， 因此需要 设计 “ 倒泵 ” 功能，即水压持续过高时，断开一台常用泵，另一台
19、 水泵 变频 工作 。 (4)由于系统还需实现 显示和监控等功能，所以水泵的电气控制柜，应该设计具有远程数据通讯接口，供水的相关数据进行实时传送，然后与组态监控软件相连。为方便远程 操作， PLC与变频器 最 好 用 USS通讯 。 (5)假如压力传感器检测到的水压持续大于设定值，那么需要考虑切除水泵运行的梯形图程序，不然会产生很大的管道维护费用。 2.3 总体方案设计 高层建筑恒压供水系统的设计，主要包括三个方面，硬件电路的简单设计、PLC 电气控制部分以及组态监控界面的设计，系统组成如图 2.1。硬件电路的结北方民族大学 学士学位论文 高层建筑恒压供水 控制 系统设计 4 构、设备组成都比
20、较固定，由压力传感器、供水管道、水泵、三相电机、变频器及其他辅助设备组成； PLC 电气控制部分采用西门子 S7-200 系列 PLC CPU226；组态监控界面采用组态王进行设计，上位机通过 RS485 线与 PLC 进行连接，实现功能调试、实时监控。 2.4 各模块方案设计 2.4.1 水压采集 通过压力传感器，将水压转化为 010V 电信号，传入 EM235 模拟量扩展模块，在 PLC 主机中进行数据处理后，传给 MICROMASTER420 变频器控制三相电机。水压变化是系统的控制输入量，它的准确度直接决定了系统的精度和可靠性，因此，压力传感器的选型至关重要。 2.4.2PLC 控制部分 本系统中 PLC 控制部分主要涉及两个方面：信号输入和控制信号输出。 （ 1）信号输入： 1 开关量输入：是手动工作方式下的输入检测，包括启动按钮、急停按钮、水泵工频运行按钮、水泵变频运行按钮，方便系统的维修检测。 2 管道水压输入检测：该输入信号为模拟量输入，当压力值偏低时，供水传感器 变频器 图 2.1 恒压供水系统组成示 意图 供水管系 PLC 电脑
