高层建筑供水控制系统设计.doc
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1、学 号: 题目类型: 设计 (设计、论文、报告)桂林理工大学GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY本科毕业设计(论文)题 目: 高层建筑供水控制系统设计 学 院: 机械与控制工程学院 专业(方向): 控 制 班 级: 自动化09-3班 学 生: 陈 秋 指导教师: 孙 旋 2013 年 5 月 23 日 摘 要随着社会的发展与进步,人民的生活水平也跟着提高了许多,我们对生活用水的要求也越来越高,主要表现在供水需求这个方面上。所以保障生活供水系统运行的稳定性和安全性是当今供水系统的首要任务。基于我国能源紧缺的现状,节水节能势在必行。供水系统是建筑中不可缺少重要的组成部分,
2、本论文设计的目的是通过结合现代化的自动控制技术,进行合理的选择供水方式变频恒压供水,实现高层建筑供水系统的节水节能各项性能的优化,使我们建筑的能耗降低到最低水平。本文基于PLC的变频恒压供水系统是采用压力传感器、变频器及水泵机组和其它测量仪表组成闭环控制系统,系统能根据水管压力对供水量进行自动调节,从而实现恒压供水。关键词:PLC; 恒压; 变频器 ; 高层建筑; 节能; 供水系统Design of High-rise Building Frequency Constant Pressure Water Supply System Student: CHEN Qiu Teacher: SUN
3、XuanABSTRACT:As we all know, water is the important material in our daily life and it can affect our quality of life. With the development and progress of society, peoples living standard has improved a lot. So our water requirement also getting higher and higher, mainly aspects of water demand. So
4、the thief task is to make sure our water supply system more and more stability.According to the shortage of energy in our country, energy-saving is imperative. High-rise building water supply system is an important part of the building. The purpose of this thesis is to choose the way reasonable for
5、water supply (frequency constant pressure water supply )by modern automatic technology, so as to realize optimize every function of the system and reduce energy consumption of buildings. The frequency constant pressure water supply system based on PLC is a closed loop control system that consist of
6、pressure sensor, transducer and the pump unit and the other instrument, it can adjust the water supply automatically according to the pipe pressure so as to realize the constant pressure water supply.Key words : PLC;constant pressure transducer ; high-rise building; energy-saving 目 次摘要Abstract1 引言 1
7、1.1课题的提出21.2课题研究的背景与现状 21.2.1建筑供水系统的研究背景 21.2.2建筑供水系统的研究现状 31.2.3变频恒压供水系统的国内外研究现状 31.3 课题设计的任务以及要求 52 恒压供水系统解析62.1 恒压供水系统概念62.2 恒压供水系统的特性62.3 系统控制方案的比较及确定 73 系统硬件设计93.1 控制系统的组成 93.2 系统控制过程分析10 3.2.1 控制系统流程框图 10 3.2.2 系统控制流程解析 11 3.3 控制系统电路设计 12 3.3.1 主电路设计 12 3.3.2 PLC的选型 13 3.3.3 控制回路设计 143.4 变频器的特
8、点 174 系统软件设计 184.1 软件设计的目的 184.2 编程软件介绍 184.3 程序设计方法 18 4.3.1 各部分的控制流程图 19 4.3.2 系统各部分子程序设计 20 4.3.3 子程序梯形图 214.4 PID控制算法 23 4.4.1 PID算法流程图 23 4.4.2 PID控制算法的含义 244.4.3 PID控制算法的特点 255 系统节能原理分析265.1变频调速原理 265.2 变频调速供水系统的节能原理 266 总结28致谢29参考文献30附录1 321 引言1.1 课题的提出 水是人们日常生活中不可缺乏的物质之一,生命的循环、社会经济的发展都离不开它,可
9、见水资源的重要性。电力也是极其重要的能源,使用起来清洁、便利,既是工业生产的重要能源,也是人们日常生活中必不可少的一种生活能源。一旦出现电力供应不足或是电力中断的现象,不仅经济的发展会受到很大影响,同时也会给我们的正常生活带来许多不便。既然水电在我们生活中占这么重要的位置,它们却是不可再生资源,然而现在国内外的水电资源又是怎样的一个状况呢? 据相关文献1得知,全球有139万亿立方米水,其中有97.3是咸水,只有2.7是淡水,而在这之中又有69的淡水是以冰雪形式存在,所以难以开发利用,这样一来只有很少部分的水可供人们使用,具有直接经济效益。水的数量虽在一定时期内是保持平衡的,但这个时间和空间范围
10、却又是非常有限的,现在世界上约23的国家都不同程度地出现水危机现象。 我国是水资源十分短缺的国家之一,尽管水资源总量达到28000亿立方米左右,但人均水资源量仅占世界平均水平的14。再者由于我国地区分布十分不均,有80%的水资源分布在耕地只占全国耕地面积的13左右的南方,所以水土资源分配严重不平衡。因此,总的水资源可利用量并不是很大,缺水将成为严重制约我国经济社会发展的重要因素之一。更糟的是,随着工业的飞速发展现在的水质极其不容乐观。据国家有关部分统计,我国每年的工业废水和城镇生活污水排放总量已达到631亿吨,按我国16亿的人口算平均每人每年向河流排放40吨的废水。以长江流域为例,在废污水排放
11、中,工业废水和生活污水分别占75%和25%。 我国的电力资源又是如何的呢?随着工业和经济的高速发展,我国电力需求量日益增多,供需矛盾日趋突出。我们来看以下的这些资料:2004年一季度,全国用电量4805亿千瓦时,与2003年同期相比增长16.4%。从区域用电量增长情况看,经济发达的长江、珠江三角洲地区用电量依然保持高速增长。在2005年一季度全国就有24个电网出现拉闸限电现象,比2004年同期新增加了8个电网。但值得注意的是,现阶段我国人均能源消费量只有世界人均能源消费水平的一半。2000年中国人均发电量为1081千瓦时,日本的人均发电量为8529千瓦时,是中国的8倍左右;美国为14199千瓦
12、时,是中国的13倍多。虽然说现在我国的装机水平有了很大的提升,即使到2020年,我国的人均装机水平也只有0.6千瓦,这个水平只相当于2000年美国人均装机水平的20%、日本人均装机水平的29%。在我国目前人均能源和电力消费水平还已经很低的情况下,能源和电力供需矛盾已经非常明显,如果我们在未来发展中向发达国家看齐,“能源和电力可持续发展的任务将更为艰巨” 2。 本课题为高层建筑供水系统设计,近年来我国城市生活用水量呈逐年递增趋势,主要体现在居民用水和公共建筑用水方面。基于我国水电能源紧缺的现状,高层建筑供水必须达到节水节能的要求。 1.2 课题研究的背景与现状 1.2.1 建筑供水系统的研究背景
13、在过去高层建筑使用得最多的供水方式是高位水箱供水,但当建筑高度超过一定限度时, 低区部分则会由于供水压力过大带来以下几个问题:1) 当水龙头开启时很容易喷射溅水;2) “管道及配件长时间耐压过高极易损坏检修频繁”;3) 下层水龙头实际流量比设计流量大致使管道内流速增加产生振动、噪声和水量浪费以及容易使顶层水龙头产生负压抽吸现象。 1.2.2 建筑供水系统的研究现状 对于高层建筑,市政管网的水压基本不能满足高区部分生活用水的要求,因此绝大多数建筑都采用分区给水方式,即低区部分直接由市政管网供水,而高区部分则由水泵加压供水,这种方式在现在还很普遍。中国是个能源需求大国,而建筑能耗却占了总能耗的 1
14、/3,其中99%的建筑存在能耗浪费现象。因此,国家有关部门已经把建筑节能作为新时期建设的一项重要任务。选择合理的给水方式是高层建筑生活给水系统设计的关键,它直接关系到生活给水系统的使用效果和工程造价。 1.2.3 变频恒压供水系统的国内外研究现状 变频恒压供水技术是在变频调速技术发展之后逐渐发展起来的。早期国外生产的变频器功能主要限定在压频比控制、频率控制、正反转控制、升降速控制、起制动控制、起制动控制及各种保护功能。在变频恒压供水系统中,变频器仅作为执行机构,为了保证供水量需求大小不同时管网压力的恒定,则要在变频器外部提供压力控制器和压力传感器,对压力进行闭环控制。据网上相关资料,国外的恒压
15、供水工程在设计时都采用一台变频器带一台水泵机组的方式,因而增加了投资成本。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统技术的成熟,系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点和显著的节能效果逐渐被大家发现和认可,国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器。将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上,通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。只要搭载配套的恒压供水单元,便可直接控制多个内置的电磁接触器工作,可构成最多7台水泵的供水系统,完全可以满足现代化的高层建筑供水需求。这类设备虽微化了电路结构,降低了设备成本,但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性,系
16、统的动态性能和稳定性不高,与别的监控系统和组态软件难以实现数据通信,并且限制了带负载的容量,因此在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程时,大多采用国外的变频器控制水泵的转速、管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制;有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件来实现;有的却采用单片机及相应的软件来实现。但从系统的动态性能指标、稳定性能指标、抗扰性的程度以及开放性综合技术指标来说,还远远未能达到所有用户的要求。例如原深圳华为电气公司和成都希望集团(森兰变频器)推出了功率为5.5kw一22kw的恒压供水专用变频器,它无需外接PLC和PID调节器,最多可完成4台水泵的循
17、环切换、定时起、停和定时循环,该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现,但其输出接口限制了带负载容量,同时操作不方便且不具有数据通信功能,因此只适用于小容量及控制要求不高的供水场所3。可以看出,目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中,对于能适应各种用水场合,结合现代控制技术、网络和通讯技术的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得还不够透彻,所以有待进一步研究改善系统的性能,使其能更好地应用于生活以及生产实践。1.3 课题设计的任务以及要求 本论文设计研究以一栋高层建筑的生活供水系统为控制对象、基于PLC的供水控制系统,使系统达到比较理想的性能指标,实现用户对供水质量
18、的要求,总体效果要优于目前普遍的供水系统,设计的内容包括系统硬件和软件两个大方面。系统设计要达到的要求是:1) 首先能提高供水的质量和稳定性,不能够因为水压的波动造成不同程度的供水故障;2) 其次系统能自动根据管网的压力控制水泵的启停进而调节水管内的水压,最终实现任何时段的恒压供水;3) 第三个要求是在系统恒压的基础是实现节水节能。2 恒压供水系统解析2.1 恒压供水系统概念从字面上我们就可以知道系统的关键词是“恒压”,也就是指无论供水管网中用水量发生什么样的变化,出口压力总能保持不变的供水方式,供水管网的出口压力值是根据用户需求确定的。像这种供水方式的系统就称为恒压供水系统。 2.2 恒压供
19、水系统的特性 恒压供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统中管道阀门开度不变为前提,表明水泵在某一转速下扬程(H)与流量(Q)之间的关系曲线f(Q),如图2-1所示。由图2-1我们可以看出,流量(Q)越大,反之扬程(H)就越小。因为在阀门开度和水泵转速均不变的情况下,流量(Q)的大小主要取决于用户的实际用水情况,因此,扬程特性所反映的是扬程(H)与用水流量(Q)之间的关系;而管道阻力特性是以水泵的转速不变为前提,表明阀门在某一开度下,扬程(H)与流量(Q)之间的关系:H=fQ(u),管道阻力特性反映的是水泵能量用来克服系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可以得知,在同
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