《楼宇自动化技术实训》结业论文-智能建筑给排水控制系统的设计.doc
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1、 楼宇自楼宇自动动化技化技术实训术实训 结业论结业论文文 专专 业:业: 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班班 级:级: 电气电气 08-4 姓姓 名:名: 学学 号:号: 信息技信息技术术学院学院电电气工程系气工程系 2011 年年 11 月月 12 日日 智能建筑给排水控制系统的设计 摘要摘要:随着计算机技术、信息通信技术等电子信息技术的不断发展、进步, 建筑物中设备的自动化程度越来越高。同时,随着城市建设步伐的加快越来 越多的高层建筑为城市增添了现代化气息。智能建筑技术正是在这样的背景下 得到蓬勃发展的,本文在讨论智能建筑的基础上,对一幢二十六层综合楼,楼 高 81m 的建筑的给排
2、水控制系统进行了研究。针对该高层商住楼用水,结合智 能建筑的特点,对该建筑的给水系统、排水系统,进行了初步探讨。给排水系 统主要由水泵、水池、电机及阀门等组成。采用变频器进行压力调节,采用可 编程逻辑控制器进行逻辑控制。变频器、可编程逻辑控制器作为系统控制的核 心部件,时刻跟随管网压力与给定压力的偏差变化,经变频器内部 PID 运算, 通过可编程控制器控制,变频和工频,自动控制水泵投入的台数和电机转速, 实现闭环自动调节恒压变量供水,在保持恒压下达到控制流量的目的。给排水 系统的监控是通过计算机对系统中的各种水位、水泵工作状态和管网压力进行 实时监测,按照一定要求控制水泵的运行方式、台数和相应
3、阀门的动作,以达 到需水量和供水量之间的平衡、污水的及时排放,实现水泵高效、低耗的最优 化控制,达到经济运行的目的; 关键词关键词:智能建筑;给水系统;排水系统;变频调器;PLC。 目录目录 1 绪论.- 1 - 1.1 智能建筑- 1 - 1.1.1 智能建筑的概念及特点.- 1 - 1.2 变频器- 2 - 1.2.1 变频器的原理.- 2 - 1.2.2 变频器的应用.- 2 - 1.3 PLC.- 3 - 1.3.1 PLC 的产生与发展.- 3 - 1.3.2 PLC 的特点.- 3 - 2 给水系统.- 4 - 2.1 组成- 4 - 2.1.1 给水系统的组成.- 4 - 2.1
4、.2 控制系统的组成.- 5 - 2.1.3 水泵的选用.- 6 - 2.2 给水系统监控原理- 9 - 2.2.1 给水系统中监控的物理量.- 9 - 2.2.2 恒压供水系统的结构及功能.- 9 - 2.2.3 自动监测及报警.- 12 - 3 排水系统.- 13 - 3.1 组成- 13 - 3.2 排水系统的控制- 13 - 4 硬件与软件.- 14 - 4.1 硬件- 14 - 4.1.1 P LC 控制系统硬件设计- 14 - 4.1.2 可编程控制器选择.- 15 - 4.1.3 变频器选择.- 16 - 4.1.4 控制电路设计.- 16 - 4.1.5 系统流程.- 16 -
5、 4.1.6 系统操作- 17 - 4.2 软件.- 18 - 4.2.1 软件配置- 18 - 4.2.2 控制系统软件设计- 20 - 5 结束语.- 23 - 参考文献.- 24 - - 1 - 1 绪论绪论 1.1 智能建筑智能建筑 1.1.1 智能建筑的概念及特点智能建筑的概念及特点 1、智能建筑的概念 “智能建筑”一词,诞生于 20 世纪 80 年代初,它是信息时代 的必然产物。美国智能建筑学会定义“智能建筑”是将结构、系统、 服务及运营相互联系全面综合,并达到最佳组合,所获得的高效率、 高功能与高舒适性的大楼。从发展的角度来看,应强调智能大厦是 多学科、多技术系统集成的特点,即智
6、能建筑是指利用系统集成的 方法,将智能计算机技术、通信技术、信息技术与建筑艺术有机结 合,通过对设备的自动监控,对信息资源的管理和对使用者的信息 服务及其与建筑物的优化组合,获得投资合理、适合信息社会需要 并且具有安全、高效、舒适、便利和灵活特点的建筑物。 2、智能建筑的特点 (1)智能建筑创造了安全、健康、舒适宜人和能提高工作效率的 办公和居住环境; (2)节能:利用最新技术节约能源; (3)能满足多种用户对不同环境功能的要求; (4)现代技术化的通信手段与办公条件。 - 2 - 1.2 变频器变频器 1.2.1 变频器的原理变频器的原理 变频调速的基本原理 异步电动机的同步转速,即旋转磁场
7、的转速为: n0=60f1p 改变异步电动机的供电频率,可以改变其同步转速, 实现调速运行。 式中 n0同步转速(r/min); f1定子频率(Hz); p磁极对数。 而异步电动机的轴上输出的转速为 n=n0(1-s)= 60f1/p(1-s) 式中 s异步电动机的转差率,s= (n0-n)/n0 1.2.2 变频器的应用变频器的应用 这里主要介绍变频器在恒压供水系统中的应用。恒压供水是指 不管用户端用水量大小,总保持管网中水压基本恒定,这样既可满 足用户对水的需求,又不使电动机空转而造成电能浪费。为实现上 述目标,需要变频器根据给定压力信号和反馈压力信号来调节水泵 转速,从而控制管网中水压恒
8、定。 变频调速恒压供水系统均为闭环系统,用 PLC 方式控制。有的 系统供水管网比较大,所控制的水泵台数也比较多,则可采取总线 - 3 - 控制方式,在系统内形成局域网,以提高自动化程度和生产效率。 1.3 PLC 1.3.1 PLC 的产生与发展的产生与发展 1969 年美国成功研制了第一台可编程序控制器 PDP14,20 世 纪 80 年代中期到 20 世纪 90 年代中期,超大规模集成电路使 PLC 完全计算机化。CPU 开始采用 32 位微处理器,数学运算和数据处 理能力大大提高,增加了运算控制,PID 控制。联网能力加强 PLC 向标准化,系列化发展。20 世纪 90 年代中期至今。
9、主要特点: CPU 使用 16 位和 32 位微处理器,运算速度更快,具有大批量数据 处理能力,出现了智能化模块,可以对各种复杂系统进行控制。编 程语言除了梯形图和语句表语言之外,还增加了高级语言。同计算 机的发展类似,目前 PLC 正朝着小型、简易、价格低廉的方向发展。 1.3.2 PLC 的特点的特点 1 、可靠性高 PLC 平均无故障时间可以达到 30 万小时(约 34 年) 。可以毫不 夸张地说,到目前为止没有任何一种工业控制设备可以达到 PLC 这 样高的可靠性。 随着器件水平的提高,PLC 的可靠性还在继续提 高尤其是近来开发出的多机冗余系统和表决系统则更进一步增加 了 PLC 的
10、可靠性。 - 4 - 2、环境适应性强 PLC 具有良好的环境适应性,可应用于十分恶劣的工业现场。 电源瞬间断电的情况下,仍可正常工作,具有很强的抗空间电磁干 扰的能力,可以抗峰值高达 1000V、脉宽 10 微秒的矩形波空间电磁 干扰,具有良好的抗振能力和抗冲击能力。一般对环境温度要求不 高,在环境温度-2065、相对湿度为 3585情况下都可正 常工作。 3、 PLC 具有监控功能。 利用编程器或监视器可以对 PLC 的运行状态、内部数据进行监 视或修改。PLC 控制系统的维护非常简单。利用 PLC 的诊断功能和 监控功能,可以迅速查找到故障点,对大多数故障都可以及时予以 排除。 2 给水
11、系统给水系统 2.1 组成组成 2.1.1 给水系统的组成给水系统的组成 给水模拟系统组成示意如下图 2.1 所示: - 5 - 市网自来水 水流开关 液位计 电磁阀 生活用水 压力变送器 三通阀水 泵 止回阀 蓄水池 变频调速器 压差开关 2.1 给水系统示意图 由蓄水池、液位计、电磁阀、水泵、电机、止回阀、三通阀、 压力变送器、变频调速器、压差开关等组成。 2.1.2 控制系统的组成控制系统的组成 变频恒压供水系统原理如图 2.2 所示,它主要是由 PLC、变频 器、PID 调节器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及水 泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了 解和
12、控制系统的运行。 - 6 - 蓄水池 用户 液位计 压力传送 器 变频控制单元 城市管网水源 调节阀给水泵止回阀 图 2.2 变频恒压供水系统原理图 给水泵设置 3 台,采用变频控制,可实现不间断恒压供水。采 用手动自动混合控制及监控方式,满足智能建筑对建筑给排水的 基本控制要求的实现。 2.1.3 水泵的选用水泵的选用 通过对该楼用水量的计算来选择合适的水泵。查阅新编建筑 给水排水工程师手册住宅中二类建筑的用水定额在 130L/pd300L/pd 之间,在本设计中取用最高标准 300L/pd, 时变化系数 Kh=2.5,用水时间 T=24h。每户为 3 人,用水人数为: 3*11*23=75
13、9 人。 本建筑 12 层不供水,住房区每层有 11 套住房,3 层:其 - 7 - 中 5 户配有一个卫生间(有浴盆一只 N=1.0,洗脸盆一只 N=0.75 和 坐便器一具 N=0.5)和一个厨房(洗涤盆一只 N=1.0,单阀水嘴) ;其 中 6 户有 2 个卫生间和一个厨房。426 层:其中 4 户为一个卫生间 和一个厨房;其中 7 户为 2 个卫生间和一个厨房。 最高日用水量 Qd=m* qd=759*3001000=222.70m3/d 最高日最高时用水量 Qh=Kh* QdT=2.5*222.7024=23.20m3/h 考虑管网漏失水量和未预见水量之和按最高日用水量的 10%计;
14、 Kh=1.0。 所以:最高日用水量 Qd=222.70*(1+10%)=245.0 m3/d 最高日最高时用水量 Qh=23.20*(1+10%)=25.52 m3/h 1、水泵的选择 水池和泵房设于地下室内,水泵直接将水抽到给水系统中。水 泵出水量按最大时用水量的 1.1 倍来确定。即 Qb=1.1*25.52=27.8m3/h 查给水钢管水利计算表得: 当水泵出水量为 27.8 m3/h(8.6L/s)时,水泵的几个水力参数 如下表: 表 2. 1 水泵参数表 管径(mm)流速(m/s)i (kPa/m)管长(m)水头损失(kPa) 吸水管DN=50mm0.630.223.000.66
15、压水管DN=40mm1.070.8182.566.83 计算水泵扬程: - 8 - Hb = H1+H2+Hh H1贮水池最高水位至水箱进水口所需的静压力 kPa。 H1=65.20(2.05)=67.25m=672.5kPa H2水泵吸水管和出水管至水箱进水口的总水头损失,其中给 水管网局部水头损失为沿程水头损失的 30%,故 H2=1.3*(0.66+66.83)=1.3*67.49=87.74kPa H h水箱进水口的流出水头,取为 20kPa 水泵的扬程为:Hb=H1+H2+Hh=672.5+87.74+20=780.24 kPa=78m H2O 水泵的出水量为 27.8 m3/h 。
16、 据此选得: 型号为 40MS8-4.0 的多级离心泵 3 台,2 用 1 备。MS 泵型是 引进日本先进技术制造的双蜗壳单吸多级分段式离心泵,供输送清 水及物理、化学性质类似于水的液体,液体最高温度不得超过 80; MS 型泵适用于农田灌溉、工厂及城镇给水;特别适用于高层建筑 及高级宾馆给水。该泵的性能和安装尺寸见下表所示: 表 2.2 MS 型多级离心泵性能 型号流量 Q(m3/h) 扬程 H(m)转速 n(r/min) 电机功率 (KW) 必须气蚀余量 40MS8-4.015.078.414504.03.0 MS 型多级离心泵外形及安装尺寸 该泵底座直径为 320mm,进水口成水平方向,
17、出水口垂直向上。 吸水管距底座高 H1=225 mm, 压水管出口距底座高 H2=400mm。 水泵基础定为边长 350mm 的正方形,基础深度 - 9 - H=30d=540mm。 2、引入管及水表选择 水表的选择 高区管网管段设计流量为 8.4L/s=27.2m3/h 中区管网管段设计流量为 10.1L/s=36.4m3/h 据建筑给水排水工程附录 1-1,选用水表为 LXL-80N 水平 螺翼式水表,其技术参数如下表: 表2.3 LXL-80N水平螺翼式水表技术参数 型号公称口 径() 计量等 级 最大流量 (m3/h) 公称流量 (m3/h) 分界流量 (m3/h) 最小流量 (m3/
18、h) 最小读数 (m3/h) 最大读数 (m3/h) LXL-80N80A8040123.20.01999999 2.2 给水系统监控原理给水系统监控原理 2.2.1 给水系统中监控的物理量给水系统中监控的物理量 (1)液位信号 1)控制液位 2)报警液位 3)指示液位 4)信号 液位; (2)流量信号:流量信号一般是用来对系统给、用水量的大小 进行观察和计量; (3)运行状态信号:在给排水系统中都设有水泵等运转设备, 了解这些设备的运行状态是十分必要的。 2.2.2 恒压供水系统的结构及功能恒压供水系统的结构及功能 - 10 - 本系统采用两套电机 水泵对水网进行恒压供水 ,每台电机 均可工
19、作在变频方式或工频方式 ,但变频调速器每次仅驱动一台电 机。变频调速器根据实际水压的变化 ,不断地调整水泵转速 ,通过调 节流量达到恒定水压的目的。另外 ,可编程序控制器根据当前水泵 的供水情况对其进行合理切换 ,实现最佳匹配。本 PLC 变频调速恒 压供水系统主要可以完成的功能有:手动和自动切换功能 ,水泵投入 运行方式任选功能。 给水系统监原理图如下图 2.3 所示 压力 设定 压力传感 器 变频器调 速器 PID供水泵 供水管 网 偏差 2.3 给水系统监控原理 图 利用 P LC 控制技术和变频调速技术开发的全自动恒压供水系 统 ,管道内水压恒定 ,既可以满足供水要求 ,避免出现供水事
20、故 ,还 可节约电能。系统采用压力闭环控制 ,自动修正被控变量出现偏离 的能力,可以修正元件参数变化以及外界扰动引起的误差,控制精 度高。 闭环恒压供水的 PID 调节:在供水过程中 ,水泵转速的变化可 以调节水量 ,但是转速降低 ,流量减小 ,压力也相应降低 ,为了保证 流量并维持一定的供水压力 ,最大限度地节约电能 ,我们必须建立闭 - 11 - 环自动调节系统。在水泵的出口侧 ,检测压力变化 ,一旦偏离设定压 力 ,系统就自动响应 ,调节转速 ,维持相应压力下的供水量。该闭环 恒压供水系统 ,主要由变频器、 可编程序控制器及传感器组成。调 节原理图如下图 2.4 所示: 设定值 水压变频
21、器 压力传感器 电机水泵 图 2.4 PID 调节原理 为了保持供水管道的压力恒定, 就必须实时检测管道压力并回 馈给供水控制器,使其构成压力闭环控制系统。用的控制器是 P I D 调节为主要手段。 一般情况下,PID 方式的调节器就能够满足供 水管压力的稳定调节。然而,这种类型的闭环系统 也存在着一些难 以解决的问题,比如在系统的动态运行过程中, 水泵 电机的速 度会经常出现过调量,甚至不稳定,这些都对整个的供水设备具有 很大的破坏性 , 还会减小整个系统的效率。目前,针对于供水系 统的调节器设计都对 P I D 调节算法进行了一定程度的改进,并且 在 PID 算法的参数设定时做了大量工作。
22、 在供水系统中使用水泵的目的,是向各末端水龙头连续稳定地供 给适当水压的水。因此 ,不论供水量多少 ,必须控制水泵的压力恒定。 使用变频调速的水泵 ,其压力控制常采用出口水压一定控制。压力 - 12 - 传感器装在水泵附近的主出水管内 ,将感受到的压力转化为电信号 作为反馈信号。变频器内置 PID 调节器作为压力调节器。PID 调节 器将来自压力传感器的压力反馈信号与出口压力给定值比较运算 , 其结果作为频率指令输送给变频器 ,调节水泵的转速使出口压力保 持一定。根据供水管网压力的变化 ,通过变频器实现自动跟踪来控 制水泵电机的转速 ,使供水管网中保持恒定的压力 ,以达到高效供水 及高效节能目
23、的。 2.2.3 自动监测及报警自动监测及报警 在低位蓄水池处可设一液位传感器或压力传感器来检测水池液 面位置。当水池水位上升至上限(停泵水位)时,传感器向现场控 制器送出信号,现场控制器给水泵机组输送信号,使水泵自动停机。 当水位低于所设的低位报警水位时,系统报警。这种压力传感器可 以通过压力连续检测水池液位,并把信号送入现场控制器中,而停 泵和报警液位的设定是可改变的。示意图如下图 2.5 所示 - 13 - 至用户 供水 网 低位报警 下限 超高限报警 P 1 1 水池 水泵 图 2.5 自动检测及报警示意 3 排水系统排水系统 3.1 组成组成 排水系统由液位计,现场控制器及水泵电机设
24、备。示意图如下 图 3.1 所示 - 14 - 生活污水 图 3.1 排水系统示意图 下限液位 上限液位 高限液位 液位计 管网废水回收池 水泵电机 止回阀 3.2 排水系统的控制排水系统的控制 原理:根据污废水集井的水位控制排水泵的启停。当集水井的 水位达到上限时,启动相应的水泵;当水位达到高限时,连锁启动 相应的备用泵。 工作原理 集水井设三个液位计检测液面位置,分别是下限液位 LA、上限 液位 LB、和高限液位 LC,监控系统根据集水井水位变化控制工作 泵的启停,液位信号送入现场控制,当集水井中水位达到上限时, 控制器启动排水泵运行,直到水位下降至下限时停止排水泵运行。 当污水流量较大,
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