南京林業(yè)大學學士學位論文 南京林業(yè)大學 本科畢業(yè)設計（論文） 題 目： 水箱 +管網分時變頻 恒壓供水系統 學 院： 機械電子工程學院 專 業(yè)： 自動化 學 號： 080304106 學生姓名： 何向泉 指導教師： 唐桂忠 職 稱： 講師 二 O 一 二 年 五 月 十八 日 南京林業(yè)大學學士學位論文 - 2 - 摘要 隨著城市土地資源越來越緊張，建筑物越建越高 ，這樣自來水公司的直供水水壓不能送到 8樓及以上用戶，必然要增壓供水。要增壓供水必然需要耗費能源，如何使增壓供水在滿足用戶需求的基礎上使得設備運行能耗最低。同時現今人們追求高質量的生活品質，對于水的要求也不斷加強。 最近二十年來，供水行業(yè)廣泛使用的自動化技術主要包括變頻調速節(jié)能技術、過程控制技術、 場總線技術等等 ,根據其類型的不同分為：無負壓供水系統，無塔變頻供水系統，雙模變頻供水系統，數控氣壓式供水系統和超靜音管中泵變頻供水系統等，國內的供水系統相對于國外的供水系統相 比明顯處于落后的地位的。 水箱 +管網分時變頻恒壓供水系統 保證了供水的質量，以 主機的控制系統滿足了系統的控制功能，提高了系統的可靠性。滿足了城鎮(zhèn)用戶對于水壓不管是在高峰還是在非高峰時段的需求。同時本系統的成本適中，適合在城市供水系統的廣泛應用。本 系統可以實現的效果是在非高峰的時刻（可以在人機界面里面自由設定），打開進水閥，讓管網的部分水流向水箱，同時管網向用戶供水。當是峰值時間時，系統切換至水箱供水，若在水箱供水期間，水位到達最低限位則自動切換到管網供水。完全可以滿足高樓層的供水。 關鍵字： 壓供水 分時供水 南京林業(yè)大學學士學位論文 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 京林業(yè)大學學士學位論文 - 4 - 目 錄 一、緒論 . - 6 - （一）任務來源 . - 6 - （二）工藝過程 . - 6 - （三）系統控制要求 . - 7 - （四）方案比較 . - 7 - 1. 與無塔變頻供水系統比較 . - 7 - . - 8 - 3、氣壓罐供水 . - 8 - 二 簡介 . - 9 - （一） 產生和定義 . - 9 - 產生 . - 9 - 定義 . - 9 - （二） 應用 . - 9 - . - 10 - . - 10 - . - 10 - . - 10 - （三） 系統組成 . - 10 - 結構 . - 10 - 各組成元素的構成及功能 . - 11 - 三、方案分析 . - 11 - （一）對 選取 . - 11 - （二）對擴展模塊的選取 . - 13 - 四系統硬件設計 . - 14 - （一）系統整體的硬件選型與分析 . - 14 - . - 14 - 2. 頻器 . - 15 - . - 16 - . - 17 - . - 18 - （二） 主電路圖 . - 19 - . - 19 - . - 20 - . - 21 - . - 22 - （三）控制電路圖 . - 23 - . - 23 - . - 24 - （四）地址分配表 . - 25 - 五、軟件設計 . - 27 - (一 )根據設計要求編寫的恒壓供水的水泵控制梯形圖（見附錄） . - 27 - 南京林業(yè)大學學士學位論文 - 5 - （二）下圖為主程序 . - 31 - （三）組態(tài)技術的應用 . - 33 - . - 33 - 通信參數設置 . - 33 - . - 35 - . - 35 - . - 36 - . - 37 - 的腳本程序 . - 37 - （四）程序的仿真 . - 38 - （五） 整定 . - 39 - （六）水泵的調速 . - 40 - 6 總結與體會 . - 41 - 本文主要的工作如下： . - 41 - 致謝 . - 42 - 參考文獻 - 44 - 南京林業(yè)大學學士學位論文 一、緒論 （一）任務來源 隨著我國三十年的城市發(fā)展，城市土地資源越來越緊張，建筑物越建越多越建越高，這樣城市自來水公司的直供水水壓不能送到 6層及以上用戶對于壓力的需求，必然要增壓供水壓力，才能滿足用戶需求。要增壓供水必然需要耗費能源，如何使增加供水壓力在滿足用戶需求的基礎上使得設備運行能耗最低，達到壓力的設定值。 近幾年我國的供水系統隨著控制技術的發(fā)展也有了很大的進步為提供供水的可靠性和穩(wěn)定性，結合水箱供水和管網直供的優(yōu)點，水池或水箱 式恒壓變頻供水設備和無負壓管網疊壓變頻供水設備兩種模式供水，可根據自來水進水流量及壓力及水泵運行的頻率自動切換，此種運行方式不但避免了市政管網負壓的產生 ,并且保證了供水的連續(xù)性也提高了穩(wěn)定性 ,這是通用型無負壓供水設備無法做到的。運行成本低，高效節(jié)能可充分利用市政管網供水壓力，補多少，差多小，不產生負壓，與傳統水池式變頻供水設備相比可節(jié)能 30%80%。定時換新功能：控制系統定時對水池水箱或中的水自動進行換新，以保持水池或水箱中的水的新鮮程度 【 5】 。運行可靠：停電可維持市政管網水壓供水；當用水高峰或自來水停 水時，由水池或水箱供水，大大提高用戶用水的可靠性，完全符合自來水供水規(guī)范。保護功能齊全：具有完美的過載、短路、過壓、欠壓、缺相、過流、短路、水源缺水等自動保護功能。在異常情況下能進行信號報警、自檢、故障判斷等。 占地少安裝方便：整套設備只有一組供水控制柜和水泵機組，安裝非常簡單方便。延長設備的使用壽命：對泵組均能可靠的實現軟啟動，減低對管網和電網的沖擊，并且實現水泵輪流運轉，大大延長了電機及水泵的使用壽命。設備比傳統水池或水箱或變頻供水設備的壽命大大提高 【 6】 。 由于觸摸屏技術、組態(tài)技術的發(fā)展，使遠程監(jiān)控更 加人性化。所以本系統也涉及觸摸屏技術的控制。組態(tài)軟件建立工程。制作出很好的 （二） 工藝 水箱管網分時變頻器恒壓供水系統，采用 水池（水箱）式變頻供水設備和無負壓管網疊壓變頻供水設備兩種模式供水，可根據自來水進水壓力及流量自動切換，此種運行方式不但避免了市政管網負壓的產生 ,并且保證了供水的連續(xù)性。分時給水箱進水，在用水高峰時段不進水。只用水箱對用戶供水。在非高峰時段，開進水閥進水。正常用水時用水泵直接抽管網的水。系統特別增加排污閥，以防水箱水受污染，及時更新。 南京林業(yè)大學學士學位論文 - 7 - 圖 1藝流程圖 （三）系統控制要求 控制系統主要是實現的目的是為了使供水系統不管在用水峰值時間，還是在非用水峰值時間，都能滿足用戶對于水壓的要求。同時本系統使用觸摸屏技術與組態(tài)技術，使遠程監(jiān)控更加便捷更富有人性化。本系統使用管網供水與水箱供水相結合的供水方式，結合管網供水和水箱供水的優(yōu)點。在非峰值用水時，使用管網供水。在峰值供水時，使用管網供水加水箱供水共同供水的方式。本系統完全可以滿足用戶對于水壓的需求。 （四）方案比較 1. 與無塔變頻供水系統比較 無塔變頻供水系統的 工作原理是根據用戶用水量變化 以及水壓恒定的要求 自動調節(jié)運行 水泵運行的頻率和水泵之間的切換 ，使 用戶管網的水壓 保持 設定值 。當用戶用水量 很 小 ， 一臺水泵出水量 足以滿足 ，系統 =依據 用水量變化 使 一臺水泵 運行于 變頻 狀態(tài) ，當用水量增加時 用戶 管 網 內壓力下降，這時壓力傳感器把檢測到的信號傳送給 （ 京林業(yè)大學學士學位論文 - 8 - 微機控制單元，判斷 運行狀態(tài)，進行 節(jié) ， 通過模擬信號輸出 到變頻器， 進而 控制水泵，使轉速加快以保證系統壓力 值等于設定值 ， 同理 當用水量減少時，使水 泵轉速減慢， 為了使壓力等于設定值 。當用水量大于一臺泵出水時，第一臺泵切換到工頻運行，第二臺泵開始變頻調速運行，用 戶用 水量于兩臺泵出水量，能自動停止一臺或二臺泵運行。 與本系統相少水塔的供水方式，不能結合水箱供水系統的的優(yōu)點。在峰值用水時，對于用戶的水壓需求可能無能為力。所以本系統相對于無塔變頻供水有著明顯的優(yōu)勢。 水箱供水系統的工作原理是塔 一般 居民區(qū) 里蓄水作用，有些還是水廠生產工藝的一個重要組成部分。用于儲水和配水的高聳結構，用來保持和調節(jié)給水管網中的水量和水壓。主要由水柜、基礎和 連接兩者的支筒或支架組成。 與水箱管網分時變頻恒壓供水系統相比 ， 無塔供水。占地小，節(jié)能，自動化程度高 。 3、氣壓罐供水 氣壓罐給水設備用于消防供水系統，在工程實踐中已屢見不鮮。氣壓供水由于體積小、技術簡單、不受高度限制等特點，近幾年來己在高層建筑中采用，但由于此方式存在著調節(jié)量小、水泵啟動頻繁、對電器設備要求較高等缺點，因而使這種供水系統的發(fā)展受到限制。 對于本類控制系統而言，有很多的控制方式可以實現本系的控制，總線控制方式還是利用純硬件的觸發(fā)都是可以的，但是總線控制方式特別是利用 用 很方便程序員的編程。 目前工業(yè)控制系統中最成功的現場總線之一，并且在工業(yè)得到了廣泛的應用與實踐。主要是因為它是不依賴于生產廠家的、開放式的現場總線體系，幾乎大多數的自動化設備均可通過同樣的接口協議進行信息的交換即（ 議）。 ，適合遠距離通信，有很高的數據性能，合適遠程 I/O 系統。它允許高速度周期性的小批量數據通信，適用于對時間要求非?？量痰?自動化控制系統中，正因為這個原因可方便地使用不同廠家生產的控制測量系統相互連接成通訊網絡，進而組成系統。 南京林業(yè)大學學士學位論文 - 9 - 二 簡介 （一） 產生和定義 產生 上個世紀二十年代起，人們把各種繼電器、定時器、接觸器及其各種觸點等按一定的邏輯關系連接起來組成工業(yè)控制系統，控制各種生產機械系統，利用這些系統控制生產過程，這就是大家熟悉的傳統的繼電器控制系統。由于它結構簡單、價格適宜、容易學習，能滿足大部分工業(yè)控制場合電氣順序邏輯控制的要求，因此在工業(yè)控制領域中一直占據主導地位。同時繼電接觸器控制系統具 有明顯的缺點：設備體積大、可靠性差、動作速度慢、功能弱。在實際應用中難于實現較復雜的控制；特別是由于它是靠硬連接線邏輯構成的系統，接線非常復雜，當生產工藝或對需要改變時，原有的接線和控制柜就要更換，這往往是很復雜的，所以靈活性、通用性較差。 到上個世紀 60 年代，由于小型計算機的出現和大規(guī)模生產的發(fā)展，人們曾試圖用小型計算機來實現工業(yè)控制的要求；但由于價格、輸入、輸出電路信號及容量不匹配、編程技術復雜等原因，一直未能得到在工業(yè)控制領域推廣應用。 上個世紀 60年代末， 據 新的汽車生產流水線控制系統提出的具體要求，研制開發(fā)出世界上第一臺 在 司汽車生產線上應用。取得巨大的成功。這是世界上第一臺 號為 們把它稱做可編程序控制器（ ,簡稱 定義 今為止，人們還未能對其下一個十分準確的定義。國際電工 委員會曾于上個世紀八十年代對可編程控制器的定義是： “ 一種數字運算操作的電子系統，專為工業(yè)控制環(huán)境而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部具有存儲邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程；而有關的外圍設備，都應按易于與工業(yè)系統連成一個整體，易于擴充其功能的原則設計。 （二） 應用 南京林業(yè)大學學士學位論文 - 10 - 當今世界上有 200 多廠家生產 300多品種 用在糧食加工、汽車、金屬/礦山化學 /制藥、紙漿 /造紙等行業(yè)。 可分成以下幾種類型： 制造業(yè)是典型的工業(yè)類型之一，在該領域主要對物體進行品質處理、形狀加工、組裝，以形狀、位置、速度、力等機械量和邏輯控制為主。由于 得它在制造業(yè)領域中的大型控制系統中得到了廣泛的應用。 這是 如塑料機械、印刷機械、包裝機械、組合機車、磨床、電鍍流水線及電梯控制等。這些設備對控制系統的要求大都屬于邏輯順序控制，所以這也是最適合 使用領域。在這里 來取代傳統的繼電器順序控制，應 用于單機控制、多機群控等 【 7】 。 流程工業(yè)是工業(yè)類型中的重要類別，如造紙、石油、電力、化工等，其特點是對物體（氣體、液體為主）進行連續(xù)加工。過程控制系統中以流量、壓力、溫度、物位等參數進行自動調節(jié)為主（例如 制），大部分場合還有防爆要求。 為適應高精度的位置控制，現在的 今工業(yè)自動化領域基于 運動控制系統和其他的工業(yè)控制手段相比，功能更強、裝置體積更小、速度更快、價格更低、操作更方便 【 14】 。 （三） 系統組成 結構 能和指令系統也不盡相同，但結構與工作原理則大同小異，通常由主機、輸入 /輸出接口、電源擴展器接口和外部設備接口等幾個主要部分組成的。所示： 南京林業(yè)大學學士學位論文 - 11 - 圖 2硬件系統結構 各組成元素的構成及功能 （ 1） 神經中樞的作用，主要由運算器、控制器、寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態(tài)總線構成， 元還包括外圍芯片、總線接口及有關電路。 （ 2） I/O 模塊 氣回路與 接口，是通過 入輸出部分（ I/O）完成的。 I/O 種類有開關量輸入（ 開關量輸出（ 模擬量輸出（ 模擬量輸入等。 （ 3）內存 （ 4）電源模塊 源用于為 模塊的集成電路提供工作電源。同時，有的還為輸入電路提供 24源輸入類型有：交流電源（ 22010直流電源（常用的為 24 三、方案分析 （一）對 選取 圖展示一臺 列 有良好的擴展性、緊湊的設計、強大的指令、低廉的價格等優(yōu)點，使得 3】 。此外，因為具有豐富的 型和電壓等級列 被用來使用解決用戶遇到的各種問 題時，具有很強的適應性和選擇南京林業(yè)大學學士學位論文 - 12 - 性，使其具有廣泛的。 圖 37型圖 塊包括 1 個中央處理器單元（ 電源以及多個數字量 I/O 點，這些都被集成在一個緊湊、獨立的 8】 。 些采集信號經過 塊執(zhí)行程序處理，處理后得到的信號傳送給輸出部分，此時輸入部分至輸出控制信號控制工業(yè)過程中的設備。 機的主要部分，它負責執(zhí)行程序、存儲數據，以便更好的對工業(yè)自動控制任務或過程進行控制 . 7應在 塊可以增加 （ 可以提供其通訊功能。 工作模式（運行或停止），本機的 I/O 的當前狀態(tài)，以及檢查出來的系統錯誤。 圖 4展示了一個基本的 包括 1個 塊，一臺個人計算機（ 編程軟件，以及一條 訊電纜。為了使用 必須以下一種設備：一條 纜；一塊 一個通訊處理器（ 多點接口（ 纜。 南京林業(yè)大學學士學位論文 - 13 - 圖 37統 （二）對擴展模塊的選取 ： 共有 3種產品，即 8點和 16點 8點 輸出混合模塊 有 6 種產品。其中 入 /出的有 3 種， 繼電器輸出的有三種，它們對應的輸入 /輸出點數分別為 4 點、 8 點和 16點。 有 5 種產品，即 8 點 4 點 8 點 8 點繼電器和 4點繼電器。 輸出擴展模塊 4 個模擬輸入， 1個模擬輸出） 經過對于 I/終選擇 由于設計的系統共有開關量輸入點 17 個，開關量輸出 5 個點；模擬量輸入點 4 個、模擬量輸出點 1個。參照西門子 用主機為 24入 /6繼電器輸出）一臺，加上一臺擴展模塊 個模擬量輸入，一個模擬量輸出 )，這樣的配置比較經濟。 南京林業(yè)大學學士學位論文 - 14 - 四系統 硬件設計 （一）系統整體的硬件選型與分析 （ 1） 流量 水泵的流量大致決定于泵的口徑，流量 Q（米 3吵）可用式（ 1出下表 1可作為估算用。 Q=60 dv/4 式中 ）； /秒），流速一般設在 1 3米 /秒之內， 表 徑與流量、流速的關系 口徑 毫米（英寸） 流量（米 /秒） 流 速（米 /秒） 標準 最大 標準 最大 25(40(50(65(80(100(125(4 2）揚程的另一種稱水頭，它意思是指被輸送的單位重量的液體從水泵進口到出口所增加的能量，單位為米。 泵的揚程大小取決于泵的結構 (如葉輪直徑的大小，葉片的彎曲情況等、轉速。目前對泵的壓頭尚不能從理論上作出精確的計算，一般用實驗方法測定。 所謂揚程是指所需揚程，而并不是提水高度，明確這一點對選 擇水泵尤為重要。水泵揚程大約為提水高度的 。 （ 3）功率是指機械在單位時間（每秒）內做功的大小，單位用千瓦表示。 在水泵銘牌或有關資料上，常見有 有效功率 、 配套功率 軸功率 【 2】 。 效率是表示水泵能量利用的指標。 配套功率是指帶動水泵正常工作的動力機應具有的功率。 軸功率是指水泵運轉時，由動力機傳遞給水泵軸上的功率。 有效功率是指水流經過水泵時所獲得的能量，即水泵傳給水流的凈功率。 允許吸上真空高度是指水面到抽水泵體葉輪的最大高程差 轉速 n 是指泵軸（葉輪）每分鐘的轉數，常用轉分鐘表示。水泵的額 南京林業(yè)大學學士學位論文 - 15 - 定轉速，一般為 485、 730、 1450、 2900轉分鐘。 所以我選擇的水泵型 號為： 高層建筑給水泵 ）。 根據系統節(jié)能、經濟的要求選用 4 臺 10機控制四臺水泵進行供水。其中兩臺直接抽管網，兩臺抽水箱，當用水高峰時且水箱有水時四臺水泵運行以滿足水壓要求，用水低峰時兩臺水泵運行，用水正常時兩臺水泵運行，實現節(jié)能目的 【 4】 。 2. 頻器 （ 1）選擇 110且 準傳動可以 方便 的購買、安裝、配置和使用，可節(jié) 省 相當多的時間；這種傳動具有帶 公共的用戶和過程接口；公共的軟件工具用于 選型、調試和維護 、 公共的備件 。 準傳動用于廣泛的工業(yè) 控制 領域。典型的應用包括風機、水泵和恒轉矩 等 應用，例如傳送帶 等 。 準傳動在需要快速安裝、調試和使用以及無特殊工程要求的 控制 場合是一種理想的選擇。 特點有 u u 助手型控制盤 、 u 用于降低諧波的專利技術：變感式電抗器 、 u 矢量控制 、 u 專為惡劣環(huán)境設計的涂層板 、 u 內置的 場總線及多種內部安裝的總線適配器 、 u 認證 、 u 證 、 10 一款杰出的低壓交流傳動產品?？梢院唵蔚馁徺I，安裝，配置和使用，可節(jié)省相當多的時間 【 9】 。 （ 2）應用領域 動應用于廣泛的工業(yè)領域，適用各類型負載。 針對風機、水泵應用做了特別的優(yōu)化，典型的應用包括恒壓供水，冷卻風機，地鐵和隧道通風機等等。 （ 3） 變頻器特點 緊湊的尺寸 、 集成所有器件 、 內置諧波濾波器 、 多功能的制動選項 、 友好的用戶接口，通用的連接與通訊 、 寬范圍的功率和電壓 、 堅固可靠的主電路設計 、 所有端子都為工業(yè)級應用設計 、 世界范圍的認證： 。 本 系統選用 帶電接點式的壓力傳感器，其水壓檢測范圍為。 0 測精度為士 0. 01M 傳感器將 0 1 M 圍的壓力對應轉換成 020電 流信號，反饋進 為壓力反饋 值 ,然后經過 部的 塊進行運算，運算結果從 唯一的模塊輸出到變頻器，然后通過變頻器帶動水泵轉動，進而來改南京林業(yè)大學學士學位論文 - 16 - 變進水量，向著滿足用戶需要的水壓變化 。該傳感器 相 比