《樓宇自動化技術(shù)實訓》結(jié)業(yè)論文-智能建筑給排水控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、樓宇自動化技術(shù)實訓樓宇自動化技術(shù)實訓 結(jié)業(yè)論文結(jié)業(yè)論文 專專 業(yè)：業(yè)： 電氣工程及其自動化電氣工程及其自動化 班班 級：級： 電氣電氣 08-4 姓姓 名：名： 學學 號：號： 信息技術(shù)學院電氣工程系信息技術(shù)學院電氣工程系 2011 年年 11 月月 12 日日 智能建筑給排水控制系統(tǒng)的設(shè)計 摘要摘要：隨著計算機技術(shù)、信息通信技術(shù)等電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展、進步， 建筑物中設(shè)備的自動化程度越來越高。同時，隨著城市建設(shè)步伐的加快越來 越多的高層建筑為城市增添了現(xiàn)代化氣息。智能建筑技術(shù)正是在這樣的背景下 得到蓬勃發(fā)展的，本文在討論智能建筑的基礎(chǔ)上，對一幢二十六層綜合樓，樓 高 81m 的建筑的給排水

2、控制系統(tǒng)進行了研究。針對該高層商住樓用水，結(jié)合智 能建筑的特點，對該建筑的給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)，進行了初步探討。給排水系 統(tǒng)主要由水泵、水池、電機及閥門等組成。采用變頻器進行壓力調(diào)節(jié)，采用可 編程邏輯控制器進行邏輯控制。變頻器、可編程邏輯控制器作為系統(tǒng)控制的核 心部件，時刻跟隨管網(wǎng)壓力與給定壓力的偏差變化，經(jīng)變頻器內(nèi)部 PID 運算， 通過可編程控制器控制，變頻和工頻，自動控制水泵投入的臺數(shù)和電機轉(zhuǎn)速， 實現(xiàn)閉環(huán)自動調(diào)節(jié)恒壓變量供水，在保持恒壓下達到控制流量的目的。給排水 系統(tǒng)的監(jiān)控是通過計算機對系統(tǒng)中的各種水位、水泵工作狀態(tài)和管網(wǎng)壓力進行 實時監(jiān)測，按照一定要求控制水泵的運行方式、臺數(shù)和相應閥

3、門的動作，以達 到需水量和供水量之間的平衡、污水的及時排放，實現(xiàn)水泵高效、低耗的最優(yōu) 化控制，達到經(jīng)濟運行的目的； 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：智能建筑；給水系統(tǒng)；排水系統(tǒng)；變頻調(diào)器；PLC。 目錄目錄 1 緒論.- 1 - 1.1 智能建筑.- 1 - 1.1.1 智能建筑的概念及特點.- 1 - 1.2 變頻器.- 2 - 1.2.1 變頻器的原理.- 2 - 1.2.2 變頻器的應用.- 2 - 1.3 PLC.- 3 - 1.3.1 PLC 的產(chǎn)生與發(fā)展.- 3 - 1.3.2 PLC 的特點.- 3 - 2 給水系統(tǒng).- 4 - 2.1 組成.- 4 - 2.1.1 給水系統(tǒng)的組成.- 4 - 2

4、.1.2 控制系統(tǒng)的組成.- 5 - 2.1.3 水泵的選用.- 6 - 2.2 給水系統(tǒng)監(jiān)控原理.- 9 - 2.2.1 給水系統(tǒng)中監(jiān)控的物理量.- 9 - 2.2.2 恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能.- 9 - 2.2.3 自動監(jiān)測及報警.- 12 - 3 排水系統(tǒng).- 13 - 3.1 組成.- 13 - 3.2 排水系統(tǒng)的控制.- 13 - 4 硬件與軟件.- 14 - 4.1 硬件.- 14 - 4.1.1 P LC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計.- 14 - 4.1.2 可編程控制器選擇.- 15 - 4.1.3 變頻器選擇.- 16 - 4.1.4 控制電路設(shè)計.- 16 - 4.1.5 系統(tǒng)流程

5、.- 16 - 4.1.6 系統(tǒng)操作.- 17 - 4.2 軟件.- 18 - 4.2.1 軟件配置.- 18 - 4.2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計.- 20 - 5 結(jié)束語.- 23 - 參考文獻.- 24 - 1 緒論緒論 1.1 智能建筑智能建筑 1.1.1 智能建筑的概念及特點智能建筑的概念及特點 1、智能建筑的概念 “智能建筑”一詞，誕生于 20 世紀 80 年代初，它是信息時代 的必然產(chǎn)物。美國智能建筑學會定義“智能建筑”是將結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、 服務及運營相互聯(lián)系全面綜合，并達到最佳組合，所獲得的高效率、 高功能與高舒適性的大樓。從發(fā)展的角度來看，應強調(diào)智能大廈是 多學科、多技術(shù)系統(tǒng)集成的特

6、點，即智能建筑是指利用系統(tǒng)集成的 方法，將智能計算機技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)與建筑藝術(shù)有機結(jié) 合，通過對設(shè)備的自動監(jiān)控，對信息資源的管理和對使用者的信息 服務及其與建筑物的優(yōu)化組合，獲得投資合理、適合信息社會需要 并且具有安全、高效、舒適、便利和靈活特點的建筑物。 2、智能建筑的特點 (1)智能建筑創(chuàng)造了安全、健康、舒適宜人和能提高工作效率的 辦公和居住環(huán)境； (2)節(jié)能：利用最新技術(shù)節(jié)約能源； (3)能滿足多種用戶對不同環(huán)境功能的要求； (4)現(xiàn)代技術(shù)化的通信手段與辦公條件。 1.2 變頻器變頻器 1.2.1 變頻器的原理變頻器的原理 變頻調(diào)速的基本原理 異步電動機的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)

7、速為： n0=60f1p 改變異步電動機的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速， 實現(xiàn)調(diào)速運行。 式中 n0同步轉(zhuǎn)速(r/min)； f1定子頻率(Hz)； p磁極對數(shù)。 而異步電動機的軸上輸出的轉(zhuǎn)速為 n=n0(1-s)= 60f1/p(1-s) 式中 s異步電動機的轉(zhuǎn)差率，s= (n0-n)/n0 1.2.2 變頻器的應用變頻器的應用 這里主要介紹變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應用。恒壓供水是指 不管用戶端用水量大小，總保持管網(wǎng)中水壓基本恒定，這樣既可滿 足用戶對水的需求，又不使電動機空轉(zhuǎn)而造成電能浪費。為實現(xiàn)上 述目標，需要變頻器根據(jù)給定壓力信號和反饋壓力信號來調(diào)節(jié)水泵 轉(zhuǎn)速，從而控制管網(wǎng)中水壓恒定。

8、 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)均為閉環(huán)系統(tǒng)，用 PLC 方式控制。有的 系統(tǒng)供水管網(wǎng)比較大，所控制的水泵臺數(shù)也比較多，則可采取總線 控制方式，在系統(tǒng)內(nèi)形成局域網(wǎng)，以提高自動化程度和生產(chǎn)效率。 1.3 PLC 1.3.1 PLC 的產(chǎn)生與發(fā)展的產(chǎn)生與發(fā)展 1969 年美國成功研制了第一臺可編程序控制器 PDP14，20 世 紀 80 年代中期到 20 世紀 90 年代中期，超大規(guī)模集成電路使 PLC 完全計算機化。CPU 開始采用 32 位微處理器，數(shù)學運算和數(shù)據(jù)處 理能力大大提高，增加了運算控制，PID 控制。聯(lián)網(wǎng)能力加強 PLC 向標準化，系列化發(fā)展。20 世紀 90 年代中期至今。主要特點： CP

9、U 使用 16 位和 32 位微處理器，運算速度更快，具有大批量數(shù)據(jù) 處理能力，出現(xiàn)了智能化模塊，可以對各種復雜系統(tǒng)進行控制。編 程語言除了梯形圖和語句表語言之外，還增加了高級語言。同計算 機的發(fā)展類似，目前 PLC 正朝著小型、簡易、價格低廉的方向發(fā)展。 1.3.2 PLC 的特點的特點 1 、可靠性高 PLC 平均無故障時間可以達到 30 萬小時（約 34 年） 。可以毫不 夸張地說，到目前為止沒有任何一種工業(yè)控制設(shè)備可以達到 PLC 這 樣高的可靠性。 隨著器件水平的提高，PLC 的可靠性還在繼續(xù)提 高尤其是近來開發(fā)出的多機冗余系統(tǒng)和表決系統(tǒng)則更進一步增加 了 PLC 的可靠性。 2、環(huán)

10、境適應性強 PLC 具有良好的環(huán)境適應性，可應用于十分惡劣的工業(yè)現(xiàn)場。 電源瞬間斷電的情況下，仍可正常工作，具有很強的抗空間電磁干 擾的能力，可以抗峰值高達 1000V、脈寬 10 微秒的矩形波空間電磁 干擾，具有良好的抗振能力和抗沖擊能力。一般對環(huán)境溫度要求不 高，在環(huán)境溫度-2065、相對濕度為 3585情況下都可正 常工作。 3、 PLC 具有監(jiān)控功能。 利用編程器或監(jiān)視器可以對 PLC 的運行狀態(tài)、內(nèi)部數(shù)據(jù)進行監(jiān) 視或修改。PLC 控制系統(tǒng)的維護非常簡單。利用 PLC 的診斷功能和 監(jiān)控功能，可以迅速查找到故障點，對大多數(shù)故障都可以及時予以 排除。 2 給水系統(tǒng)給水系統(tǒng) 2.1 組成組

11、成 2.1.1 給水系統(tǒng)的組成給水系統(tǒng)的組成 給水模擬系統(tǒng)組成示意如下圖 2.1 所示： 市網(wǎng)自來水 水流開關(guān) 液位計 電磁閥 生活用水 壓力變送器 三通閥水 泵 止回閥 蓄水池 變頻調(diào)速器 壓差開關(guān) 2.1 給水系統(tǒng)示意圖 由蓄水池、液位計、電磁閥、水泵、電機、止回閥、三通閥、 壓力變送器、變頻調(diào)速器、壓差開關(guān)等組成。 2.1.2 控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)的組成 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理如圖 2.2 所示，它主要是由 PLC、變頻 器、PID 調(diào)節(jié)器、壓力傳感器、液位傳感器、動力控制線路以及水 泵等組成。用戶通過控制柜面板上的指示燈和按鈕、轉(zhuǎn)換開關(guān)來了 解和控制系統(tǒng)的運行。 蓄水池 用戶 液位計

12、壓力傳送 器 變頻控制單元 城市管網(wǎng)水源 調(diào)節(jié)閥給水泵止回閥 圖 2.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理圖 給水泵設(shè)置 3 臺，采用變頻控制，可實現(xiàn)不間斷恒壓供水。采 用手動自動混合控制及監(jiān)控方式，滿足智能建筑對建筑給排水的 基本控制要求的實現(xiàn)。 2.1.3 水泵的選用水泵的選用 通過對該樓用水量的計算來選擇合適的水泵。查閱新編建筑 給水排水工程師手冊住宅中二類建筑的用水定額在 130L/pd300L/pd 之間，在本設(shè)計中取用最高標準 300L/pd， 時變化系數(shù) Kh=2.5，用水時間 T=24h。每戶為 3 人，用水人數(shù)為： 3*11*23=759 人。 本建筑 12 層不供水，住房區(qū)每層有 11

13、 套住房，3 層：其 中 5 戶配有一個衛(wèi)生間（有浴盆一只 N=1.0，洗臉盆一只 N=0.75 和 坐便器一具 N=0.5）和一個廚房（洗滌盆一只 N=1.0,單閥水嘴） ；其 中 6 戶有 2 個衛(wèi)生間和一個廚房。426 層：其中 4 戶為一個衛(wèi)生間 和一個廚房；其中 7 戶為 2 個衛(wèi)生間和一個廚房。 最高日用水量 Qd=m* qd=759*3001000=222.70m3/d 最高日最高時用水量 Qh=Kh* QdT=2.5*222.7024=23.20m3/h 考慮管網(wǎng)漏失水量和未預見水量之和按最高日用水量的 10%計； Kh=1.0。 所以：最高日用水量 Qd=222.70*(1+

14、10%)=245.0 m3/d 最高日最高時用水量 Qh=23.20*(1+10%)=25.52 m3/h 1、水泵的選擇 水池和泵房設(shè)于地下室內(nèi)，水泵直接將水抽到給水系統(tǒng)中。水 泵出水量按最大時用水量的 1.1 倍來確定。即 Qb=1.1*25.52=27.8m3/h 查給水鋼管水利計算表得： 當水泵出水量為 27.8 m3/h（8.6L/s）時，水泵的幾個水力參數(shù) 如下表： 表 2. 1 水泵參數(shù)表 管徑(mm)流速(m/s)i (kPa/m)管長(m)水頭損失(kPa) 吸水管DN=50mm0.630.223.000.66 壓水管DN=40mm1.070.8182.566.83 計算水泵

15、揚程： Hb = H1+H2+Hh H1貯水池最高水位至水箱進水口所需的靜壓力 kPa。 H1=65.20(2.05)=67.25m=672.5kPa H2水泵吸水管和出水管至水箱進水口的總水頭損失，其中給 水管網(wǎng)局部水頭損失為沿程水頭損失的 30%，故 H2=1.3*(0.66+66.83)=1.3*67.49=87.74kPa H h水箱進水口的流出水頭，取為 20kPa 水泵的揚程為：Hb=H1+H2+Hh=672.5+87.74+20=780.24 kPa=78m H2O 水泵的出水量為 27.8 m3/h 。 據(jù)此選得： 型號為 40MS8-4.0 的多級離心泵 3 臺，2 用 1

16、備。MS 泵型是 引進日本先進技術(shù)制造的雙蝸殼單吸多級分段式離心泵，供輸送清 水及物理、化學性質(zhì)類似于水的液體，液體最高溫度不得超過 80； MS 型泵適用于農(nóng)田灌溉、工廠及城鎮(zhèn)給水；特別適用于高層建筑 及高級賓館給水。該泵的性能和安裝尺寸見下表所示： 表 2.2 MS 型多級離心泵性能 型號流量 Q（m3/h） 揚程 H(m)轉(zhuǎn)速 n（r/min） 電機功率 （KW） 必須氣蝕余量 40MS8-4.015.078.414504.03.0 MS 型多級離心泵外形及安裝尺寸 該泵底座直徑為 320mm，進水口成水平方向，出水口垂直向上。 吸水管距底座高 H1=225 mm, 壓水管出口距底座高

17、H2=400mm。 水泵基礎(chǔ)定為邊長 350mm 的正方形，基礎(chǔ)深度 H=30d=540mm。 2、引入管及水表選擇 水表的選擇 高區(qū)管網(wǎng)管段設(shè)計流量為 8.4L/s=27.2m3/h 中區(qū)管網(wǎng)管段設(shè)計流量為 10.1L/s=36.4m3/h 據(jù)建筑給水排水工程附錄 1-1，選用水表為 LXL-80N 水平 螺翼式水表，其技術(shù)參數(shù)如下表： 表2.3 LXL-80N水平螺翼式水表技術(shù)參數(shù) 型號公稱口 徑（） 計量等 級 最大流量 （m3/h） 公稱流量 （m3/h） 分界流量 （m3/h） 最小流量 （m3/h） 最小讀數(shù) （m3/h） 最大讀數(shù) （m3/h） LXL-80N80A8040123

18、.20.01 2.2 給水系統(tǒng)監(jiān)控原理給水系統(tǒng)監(jiān)控原理 2.2.1 給水系統(tǒng)中監(jiān)控的物理量給水系統(tǒng)中監(jiān)控的物理量 （1）液位信號 1）控制液位 2）報警液位 3）指示液位 4）信號 液位； （2）流量信號：流量信號一般是用來對系統(tǒng)給、用水量的大小 進行觀察和計量； （3）運行狀態(tài)信號：在給排水系統(tǒng)中都設(shè)有水泵等運轉(zhuǎn)設(shè)備， 了解這些設(shè)備的運行狀態(tài)是十分必要的。 2.2.2 恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能恒壓供水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能 本系統(tǒng)采用兩套電機 水泵對水網(wǎng)進行恒壓供水 ,每臺電機 均可工作在變頻方式或工頻方式 ,但變頻調(diào)速器每次僅驅(qū)動一臺電 機。變頻調(diào)速器根據(jù)實際水壓的變化 ,不斷地調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速 ,

19、通過調(diào) 節(jié)流量達到恒定水壓的目的。另外 ,可編程序控制器根據(jù)當前水泵 的供水情況對其進行合理切換 ,實現(xiàn)最佳匹配。本 PLC 變頻調(diào)速恒 壓供水系統(tǒng)主要可以完成的功能有:手動和自動切換功能 ,水泵投入 運行方式任選功能。 給水系統(tǒng)監(jiān)原理圖如下圖 2.3 所示 壓力 設(shè)定 壓力傳感 器 變頻器調(diào) 速器 PID供水泵 供水管 網(wǎng) 偏差 2.3 給水系統(tǒng)監(jiān)控原理 圖 利用 P LC 控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)開發(fā)的全自動恒壓供水系 統(tǒng) ,管道內(nèi)水壓恒定 ,既可以滿足供水要求 ,避免出現(xiàn)供水事故 ,還 可節(jié)約電能。系統(tǒng)采用壓力閉環(huán)控制 ,自動修正被控變量出現(xiàn)偏離 的能力，可以修正元件參數(shù)變化以及外界擾動引

20、起的誤差，控制精 度高。 閉環(huán)恒壓供水的 PID 調(diào)節(jié)：在供水過程中 ,水泵轉(zhuǎn)速的變化可 以調(diào)節(jié)水量 ,但是轉(zhuǎn)速降低 ,流量減小 ,壓力也相應降低 ,為了保證 流量并維持一定的供水壓力 ,最大限度地節(jié)約電能 ,我們必須建立閉 環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在水泵的出口側(cè) ,檢測壓力變化 ,一旦偏離設(shè)定壓 力 ,系統(tǒng)就自動響應 ,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 ,維持相應壓力下的供水量。該閉環(huán) 恒壓供水系統(tǒng) ,主要由變頻器、 可編程序控制器及傳感器組成。調(diào) 節(jié)原理圖如下圖 2.4 所示: 設(shè)定值 水壓變頻器 壓力傳感器 電機水泵 圖 2.4 PID 調(diào)節(jié)原理 為了保持供水管道的壓力恒定， 就必須實時檢測管道壓力并回 饋給供水控制器

21、，使其構(gòu)成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。用的控制器是 P I D 調(diào)節(jié)為主要手段。 一般情況下，PID 方式的調(diào)節(jié)器就能夠滿足供 水管壓力的穩(wěn)定調(diào)節(jié)。然而，這種類型的閉環(huán)系統(tǒng) 也存在著一些難 以解決的問題，比如在系統(tǒng)的動態(tài)運行過程中， 水泵 電機的速 度會經(jīng)常出現(xiàn)過調(diào)量，甚至不穩(wěn)定，這些都對整個的供水設(shè)備具有 很大的破壞性 ， 還會減小整個系統(tǒng)的效率。目前，針對于供水系 統(tǒng)的調(diào)節(jié)器設(shè)計都對 P I D 調(diào)節(jié)算法進行了一定程度的改進，并且 在 PID 算法的參數(shù)設(shè)定時做了大量工作。 在供水系統(tǒng)中使用水泵的目的,是向各末端水龍頭連續(xù)穩(wěn)定地供 給適當水壓的水。因此 ,不論供水量多少 ,必須控制水泵的壓力恒定。

22、使用變頻調(diào)速的水泵 ,其壓力控制常采用出口水壓一定控制。壓力 傳感器裝在水泵附近的主出水管內(nèi) ,將感受到的壓力轉(zhuǎn)化為電信號 作為反饋信號。變頻器內(nèi)置 PID 調(diào)節(jié)器作為壓力調(diào)節(jié)器。PID 調(diào)節(jié) 器將來自壓力傳感器的壓力反饋信號與出口壓力給定值比較運算 , 其結(jié)果作為頻率指令輸送給變頻器 ,調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速使出口壓力保 持一定。根據(jù)供水管網(wǎng)壓力的變化 ,通過變頻器實現(xiàn)自動跟蹤來控 制水泵電機的轉(zhuǎn)速 ,使供水管網(wǎng)中保持恒定的壓力 ,以達到高效供水 及高效節(jié)能目的。 2.2.3 自動監(jiān)測及報警自動監(jiān)測及報警 在低位蓄水池處可設(shè)一液位傳感器或壓力傳感器來檢測水池液 面位置。當水池水位上升至上限（停泵水位

23、）時，傳感器向現(xiàn)場控 制器送出信號，現(xiàn)場控制器給水泵機組輸送信號，使水泵自動停機。 當水位低于所設(shè)的低位報警水位時，系統(tǒng)報警。這種壓力傳感器可 以通過壓力連續(xù)檢測水池液位，并把信號送入現(xiàn)場控制器中，而停 泵和報警液位的設(shè)定是可改變的。示意圖如下圖 2.5 所示 至用戶 供水 網(wǎng) 低位報警 下限 超高限報警 P 1 1 水池 水泵 圖 2.5 自動檢測及報警示意 3 排水系統(tǒng)排水系統(tǒng) 3.1 組成組成 排水系統(tǒng)由液位計，現(xiàn)場控制器及水泵電機設(shè)備。示意圖如下 圖 3.1 所示 生活污水 圖 3.1 排水系統(tǒng)示意圖 下限液位 上限液位 高限液位 液位計 管網(wǎng)廢水回收池 水泵電機 止回閥 3.2 排水

24、系統(tǒng)的控制排水系統(tǒng)的控制 原理：根據(jù)污廢水集井的水位控制排水泵的啟停。當集水井的 水位達到上限時，啟動相應的水泵；當水位達到高限時，連鎖啟動 相應的備用泵。 工作原理 集水井設(shè)三個液位計檢測液面位置，分別是下限液位 LA、上限 液位 LB、和高限液位 LC，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)集水井水位變化控制工作 泵的啟停，液位信號送入現(xiàn)場控制，當集水井中水位達到上限時， 控制器啟動排水泵運行，直到水位下降至下限時停止排水泵運行。 當污水流量較大，水位達到高限時，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報警信號，提醒 值班人員注意，同時備用水泵投入運行。 5m M 3 排水泵 L 1 L 2 L3 圖 3.2 排水控制圖 電 機 10m 其中

25、液位計采用浮球液位計，當水位上升到上限液位高度如圖 3.2 所示 10m 時,開關(guān)閉合接通電機，排水泵運行開始排水;當水排到一 定水位比如 5m 水位下降到下限液位時開關(guān)自動斷開，電機停轉(zhuǎn)停 止排水。 4 硬件與軟件硬件與軟件 4.1 硬件硬件 4.1.1 P LC 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 恒壓供水控制系統(tǒng)由可編程序控制器、 變頻器、 執(zhí)行機構(gòu)和 傳感器等構(gòu)成。P LC 作為控制單元 ,根據(jù)現(xiàn)場信號和系統(tǒng)工作狀態(tài) 控制兩臺水泵的起動和停止,控制變頻器的起動和停止 ,變頻器根據(jù) 壓力給定和實測壓力調(diào)節(jié)輸出頻率 ,改變水泵轉(zhuǎn)速 ,控制管網(wǎng)壓力 , 并將變頻器工作狀態(tài)輸出到 P LC。 4

26、.1.2 可編程控制器選擇可編程控制器選擇 S7-200 的模擬量 I/O 模塊 1 、模擬量輸入模塊 EM231 EM231 具有路模擬量輸入，輸入信號可以是電壓也可以是電 流，其輸入與 PLC 具有隔離。輸入信號的范圍可以由 SW1、SW2 和 SW3 設(shè)定。 2 、模擬量輸出模塊 EM232 EM232 具有 2 路模擬量輸出，輸出信號可以是電壓也可以是電 流，其輸入與 PLC 具有隔離。 3、 模擬量混合模塊 EM235 EM235 具有路模擬量輸入和路模擬量輸出。它的輸入信號 可以是不同量程的電壓或電流。其電壓、電流的量程是由開關(guān) SW1、SW2 到 SW6 設(shè)定。EM235 有路模

27、擬量輸出，其輸出可以 是電壓也可以是電流。 S7-200 的通訊模塊 S7-200 系列 PLC 除了 CPU226 本機集成了二個通信口以外， 其它均在其內(nèi)部集成了一個通信口，通信口采用了 RS-485 總線。除 此以外各 PLC 還可以接入通信模塊，以擴大其接口的數(shù)量和聯(lián)網(wǎng)能 力。 S7-200 的擴展配置 S7-200 的擴展配置是由 S7-200 的基本單元 （CPU222、CPU224 和 CPU226）和 7-200 的擴展模塊組成，最多 可以擴展 7 個模塊。其擴展模塊的數(shù)量受兩個條件約束。一個條件 是基本單元能帶擴展模塊的數(shù)量，另一個條件是基本單元的電源承 受擴展模塊消耗 5V

28、 DC 總線電流的能力。 4.1.3 變頻器選擇變頻器選擇 變頻器選用 SIEMENS 的 MM 系列或 ABB 的 ACS-400 系列風 機/泵類專用變頻器，它們具有 RS-485 通訊接口，性價比較高。 PLC 通過自由通訊口方式與變頻器通訊，控制變頻器的運行，讀取 變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率、累計運行時間和過壓、過 流、過負荷等全部報警信息等參數(shù)，并通過觸摸屏顯示出來，這比 通過外部端口控制變頻器的運行具有較高的可靠性，節(jié)省了 PLC 寶 貴的 I/O 端口，又獲的了大量變頻器的信息。 4.1.4 控制電路設(shè)計控制電路設(shè)計 在控制電路設(shè)計中，系統(tǒng)自動/手動轉(zhuǎn)換。控制系統(tǒng)中每臺水

29、泵 的變頻接觸器和工頻接觸器、各水泵的變頻接觸器在電氣上的連鎖， 防止系統(tǒng)中出現(xiàn)一臺水泵工頻和變頻電源同時接通或多臺水泵同時 接通變頻電源的現(xiàn)象。 4.1.5 系統(tǒng)流程系統(tǒng)流程 為方便調(diào)試和編程，系統(tǒng)控制器采用模塊化編程，主要由手動 運行模塊、自動運行模塊和故障診斷與報警模塊組成。當系統(tǒng)處于 手動運行時，按下按鈕啟動或停止水泵，可根據(jù)需要分別控制水泵 的啟停。該方式主要供檢修及變頻器故障時用。自動運行模塊包括 系統(tǒng)的初始化、開機命令的檢測、數(shù)據(jù)采集子程序、控制量運算子 程序、置初值子程序、電機控制子程序等。模塊流程圖如下圖 4.1 所示 信號 數(shù)據(jù)采集子程序 PID 運算子程序 置初值 置初值

30、子程序 控制子程序 N 4.1 模塊流程圖 4.1.6 系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作 合上自動開關(guān)后，1#泵電機通電，變頻器輸出頻圖 5.1 模塊流 程圖頻率從 0Hz 上升，同時 PID 調(diào)節(jié)器接收到自壓力傳感器的標準 信號，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器， 如壓力不夠，則頻率上升到 50Hz，1#泵由變頻切換為工頻，啟 2# 變頻，變頻器逐漸上升頻率至給定值，加泵依次類推；如用水量減 小，從先啟的泵開始減，同時根據(jù) PID 調(diào)節(jié)器給的調(diào)節(jié)參數(shù)使系統(tǒng) 平穩(wěn)運行。若有電源瞬時停電的情況，則系統(tǒng)停機；待電源恢復正 常后，系統(tǒng)自動恢復運行，然后按自動運行方式啟動 1#泵變頻，直 至在給定水

31、壓值上穩(wěn)定運行。同時在自動供水的過程中，PLC 實時 檢測水池水位，若水位低于設(shè)定的報警水位時，蜂鳴器發(fā)出缺水報 警信號；若水位低于設(shè)定的停機水位時，停止全部水泵工作，防止 水泵干抽，并發(fā)出停機報警信號；若水池水位高于設(shè)定的水池上限 水位時，自動關(guān)斷水池給水管電動閥門。變頻自動功能是該系統(tǒng)最 基本的功能，系統(tǒng)自動完成對多臺泵軟起動、停止、循環(huán)變頻的全 部操作過程。 4.2 軟件軟件 4.2.1 軟件配置軟件配置 S7-200 的數(shù)據(jù)區(qū) 數(shù)字量輸入映像區(qū)(I 區(qū)) 位：I0.0、I15.7 字節(jié)：IB0、IB1、IB15 字：IW0、IW2、IW14 雙字：ID0、ID4、ID12 數(shù)字量輸出映

32、像區(qū)(Q 區(qū)) 位： Q0.0、Q15.7 字節(jié)： QB0、 QB1、 QB15 字： QW0、 QW2、 QW14 雙字： QD0、 QD4、 QD12 模擬量輸入映像區(qū)(AI 區(qū)) 字： AIW0、AIW2、AIW30 模擬量輸出映像區(qū)(AQ 區(qū)) 字： AQW0、AQW2、AQW30 變量存儲器區(qū)(V 區(qū)) 位： V0.0、V0.1、V5119 字節(jié)： VB0、VB1、VB5119 字： VW0、VW2、VW5118 雙字： VD0、VD4、VD5116 位存儲器區(qū)(M 區(qū)) 位： M0.0、M0.1、M31.7 字節(jié)： MB0、MB1、MB31 字：MW0、MW2、MW30 雙字： M

33、D0、MD4、MD28 順序控制繼電器區(qū)(S 區(qū)) 位： S0.0、S0.1、S31.7 字節(jié)： SB0、SB1、SB31 字： SW0、SW2、SW30 雙字： SD0、SD4、SD28 局部存儲器區(qū)(L 區(qū)) 位： L0.0、L0.1、L63.7 字節(jié)： LB0、LB1、LB63 字： LW0、LW2、LW62 雙字： LD0、LD4、LD60 定時器存儲器區(qū)(T 區(qū)) T0、T1、T255 計數(shù)器存儲器區(qū)(C 區(qū)) C0、C1、C255 高速計數(shù)器區(qū)(HSC 區(qū)) HSC0、HSC1、HSC2、HSC3、HSC4、HSC5 累加器區(qū)(AC 區(qū)) AC0，AC1，AC2， AC3 特殊存儲

34、器區(qū)(SM 區(qū)) SM0.0、SM0.1、SM19,也可以用字節(jié)、字、雙字表示。 4.2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 供水系統(tǒng)工作過程：該控制系統(tǒng)根據(jù)要求可以選擇手動狀態(tài)和 自動狀態(tài)兩種工作方式。選擇手動工作狀態(tài)時 ,可以分別通過按鈕 控制水泵單獨在工頻下運行與停止 ,主要用于水泵定期檢修臨時供 水。選擇自動工作狀態(tài)時 ,完全由 P LC 軟件控制運行。根據(jù)供水管 網(wǎng)中用水量和壓力變化適時調(diào)整工頻運行的水泵和變頻運行的水泵 頻率。自動工作時 ,1) P LC 首先利用變頻器軟啟動一臺加壓泵 ,實 現(xiàn)單泵變頻供水 ,此時 ,安裝在管網(wǎng)上的傳感器將實測的管網(wǎng)壓力反 饋進變頻器 ,與預先通

35、過變頻器面板設(shè)定的給定壓力進行比較 ,通過 變頻器內(nèi)部 PID 運算 ,調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率。2)在用水高峰期 ,水 流量較大 ,變頻器輸出頻率接近工頻 ,而管網(wǎng)壓力仍達不到壓力設(shè)定 ,則 P LC 將當前工作的變頻泵由變頻切換到工頻 ,并關(guān)斷變頻器;經(jīng)過 短時間的延時(程序設(shè)計為 5 s) ,變頻器重新啟動 ,P LC 將變頻器切換 到另一臺泵 ,由變頻器軟啟動該泵 ,實現(xiàn)一臺工頻、 一臺變頻雙泵 供水。當用水量再增多變頻器輸出頻率又接近工頻時 ,則會切斷變 頻器 ,并把變頻的那臺泵轉(zhuǎn)為工頻運轉(zhuǎn) ,實現(xiàn)雙泵都以工頻運轉(zhuǎn)供水。 3)為防止用水量較小時 ,一臺水泵長期不工作而可能導致其生銹 ,設(shè)

36、計了單泵變頻定時切換(即定時倒泵) ,在一臺水泵連續(xù)工作長時間(程 序設(shè)計為 10 h)時 ,而另一臺水泵不工作時 ,P LC 將變頻器切換到另 一臺水泵 ,使兩臺水泵能夠交替工作按要求進行供水。無論控制單 泵變頻工作還是雙泵一臺工頻一臺變頻工作或雙泵都工頻工作 ,始 終控制管網(wǎng)壓力與給定壓力值保持一致 ,實現(xiàn)恒壓變量供水。 PID 指令 S7-200 CPU 提供 PID 回路指令(成比例、積分、微分循環(huán))，進 行 PID 計算。PID 回路的操作取決于存儲在回路表內(nèi)的 9 個參數(shù)。 當 PID 指令被允許時，PID 指令根據(jù)回路表中的數(shù)據(jù)進行 PID（比 例、積分和微分）運算，并得到輸出控

37、制量。水箱需要維持一定的 水位，該水箱里的水以變化的速度從水箱的出水管中流出。因而需 要有一個水泵以不同的速度通過水箱的進水管向水箱供水，以維持 水位不變。本供水系統(tǒng)的設(shè)定值是水箱滿水位的 75 % 時的水位， 過程變量是由漂浮在水面的水位測量儀給出。輸出值是進水泵的速 度，可以從允許最大值的 0 % 變到 l00 % 。設(shè)定值可以預先設(shè)定后 直接輸入回路表中，過程變量是來自水位表的單極性模擬量，回路 輸出值也是一個單極性模擬量，用來控制水泵速度。這個模擬量的 范圍是 0.0l.0 ，分辨率為 1/32000（標準化） 。本工程的特點是在 系統(tǒng)中，水泵的機械慣性比較大，故系統(tǒng)僅采用比例和積分控

38、制。 其增益和時間常數(shù)可以通過工程計算初步確定。實際上還需要進一 步調(diào)整以達到最優(yōu)控制效果。初步確定的增益和時間常數(shù)為： Kc=0.25，Ts=0.1 秒，Ti=30 分,系統(tǒng)啟動時，關(guān)閉出水口，用手動控 制進水泵速度，使水位達到滿水位的 75，然后打開出水口，同時 水泵控制由手動方式切換到自動方式。I0.0 位控制手動方式的切換， 0 代表手動，1 代表自動。當工作在手動方式下，可以把水泵的速度 （0.01.0 之間的實數(shù)）之間寫入回路表中的輸出寄存器（VD108） 。 應用 PID 指令控制系統(tǒng)時，要注意積分作用引起的超調(diào)問題。為了 避免這一現(xiàn)象，可以加一些保護，例如，當過程變量達到甚至超

39、過 設(shè)定值時，可以限制輸出值在某一定范圍之內(nèi)。該程序僅有自動控 制方式的設(shè)計。其中主程序 OBl 的功能是 PLC 首次運行時利用 SM0.l 調(diào)用初始化程序 SBR0。 程序說明：主程序 OB1 在 PLC 上電后調(diào)用送 PID 參數(shù)子子程 序 SBR0 的功能是形成 PID 的回路表，建立 100 毫秒的定時中斷并 且開中斷。中斷程序 INT0 的功能是輸入水箱的水面高度 AIW0 的 值，并送入回路表。I0.0=l 時進行 PID“自動”控制，把 PID 運算的輸 出值送到 AQW0 中,從而控制進水泵的速度，以保持水箱的水面高度。 5 結(jié)束語結(jié)束語 本次設(shè)計，主要是針對智能建筑給水排水

40、控制系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè) 計內(nèi)容主要是給水控制系統(tǒng)和排水控制系統(tǒng)。利用變頻調(diào)速恒壓供 水系統(tǒng)具有節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點。采用 PLC 作為 控制器，硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依 據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保 持水壓恒定以滿足用水要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)在工業(yè)和生活中有 很廣闊的應用前景，除了具有明顯的節(jié)能效果外，還具有操作方便、 容易、維護量小的特點，變頻器的軟啟動功能也減少了對電網(wǎng)的沖 擊，使設(shè)備運行方式更趨于合理，設(shè)備的自動化水平得到提高。費 用低?？傊捎米冾l恒壓供水系統(tǒng)是一種技術(shù)先進、經(jīng)濟實用的 選擇。通過該設(shè)計，我學會了如何確定以上各系統(tǒng)的設(shè)計方案。方 案的設(shè)計是在結(jié)合已知設(shè)計資料的基礎(chǔ)上確定的，方案設(shè)計新穎， 具有一定的適用性。在計算過程中，一些計算公式、計算方法以及 一些表示形式，是通過翻閱參考文獻及一些