高层建筑恒压供水控制系统设计

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

ABSTRACT

In recent years, with the rapid development of real estate industry, the traditional floor water supply technology gradually can not meet people's growing demand, a new kind of mature technology of constant pressure water supply is being widely used. Changing the system's main function is in water, can satisfy the demand of the water, and can maximally save resources, extend equipment 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, MICROMASTER 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 pressure 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 inverter 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 real-time monitoring function.

KEY WORDS ：constant pressure water supply, pressure transmitter, PLC, frequency converter and the configuration monitor

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 (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 (10)

3.2资源分配 (12)

3.2.1 PLC的I/O分配 (12)

3.2.2 MICROMASTER变频器参数分配 (13)

3.3电路接线图 (14)

第4章软件设计 (17)

4.1软件设计的常用方法 (17)

4.2程序流程图 (18)

4.3 PID运算 (25)

4.4 各模块梯形图设计 (25)

4.5程序调试 (26)

第5章组态监控界面设计 (28)

5.1 King View组态王 (28)

5.2监控画面设计 (28)

5.3水压显示设计 (30)

结论 (31)

致谢 (32)

参考文献 (33)

附录 (34)

附录1：梯形图程序 (34)

附录2：外文文献 (40)

附录3：中文译文 (47)

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，上位机可以实时显示供水的压力或液位，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。

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±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。硬件电路的结构、设备组成都比较固定，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0~10V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。

2.4.2 PLC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，供水量不够，需要增加水泵的转速；当压力值偏高时，水量供大于求，需要降低水泵的转速，同时工频状态的水泵延时工作一段时间；时间到，压力值仍然偏高，那么停止这台工频水泵，最后使得供水管道内的水压趋于恒定。

（2）控制信号输出

○1数字量输出：包括控制水泵工频运行、变频运行等交流接触器的启动、停止信号。

○2通信输出：利用PLC的PID运算指令，将采集到的水压转为标准值，该标准值作为控制信号输入到MM420变频器的通信端口。变频器的输出功率改变，便控制了水泵的转速。

2.4.3组态监控部分

组态王软件作为一个开放型的通用工业监控软件，支持与国内外常见的PLC、智能模块、智能仪表、变频器、数据采集板卡等（如：西门子PLC、莫迪康PLC、欧姆龙PLC、三菱PLC、研华模块等）通过常规通讯接口（如串口方式、USB接口方式、以太网、总线、GPRS等）进行数据通讯[2]。采用组态王软件开发监控项目，能够极大限度地增强用户生产控制能力、保证产品的质量、降低成本和能耗。

2.5设计框图

根据以上的功能分析和方案设计，可以得出，系统总体设计框图如下：

图2.2 系统总体框图

第3章硬件设计

3.1硬件选型

3.1.1 PLC及其扩展模块选型

根据高层建筑恒压供水系统以上的功能需求，从可靠性、经济性、可开发性等方面考虑，选择西门子S7-200系列的PLC作为本系统的核心控制器。又因为高层建筑恒压供水系统的输入/输出端口较少，但控制过程比较复杂，所以选择CPU226作为控制系统的主机，它的主要特性如表3.1所示：

表3.1 S7-200系列PLC CPU226主要特性

此外，还需用到模拟量输入/输出模块EM235，该模块内含有A、B、C、D 4路模拟量输入口和一路模拟量输出口，对应的功能是4路模拟量输入和1路模拟量输出。图3.1介绍的是模拟量扩展模块的接线方法，X表示的是4路模拟量输入的任意一路，如果输入的是电压信号，那么需要把正极接入X＋端口、负极接入X－端口；如果输入的是电流信号，需要将RX和X＋短接处理后接入

电流输入信号的“＋”端口[3]。对于没有连接传感器的通道，需要把X＋和X－进行短接处理[3]。EM235模块常用特性如表3.2[3]。

图3.1 EM235模块接线图

表3.2 EM235的常用特性

使用EM235扩展模块时，还需注意DIP开关的设置，如表3.3所示。

表3.3 用DIP开关设置EM235扩展模块

3.1.2 变频器选型

在控制三相交流电动机速度的领域里，MICROMASTER系列变频器是使用最多而且性价比最高的。本变频器由微处理器控制，具有缺省的工厂设置参数，它是给众多简单的电动机控制系统供电的理想变频驱动装置[5]。因此，我们可以把它用于更高级的电动机控制系统，前提是设置电机的额定电压、功率、转速以及USS通讯部分的相关参数。MICROMASTER既可用于单机驱动系统，也可集成到“自动化系统”中，主要优点有以下几个方面：

(1)结构紧凑，易于安装和调试[5]

(2)牢固的EMC设计[5]

(3)对控制信号的响应是快速和可重复的[5]

(4)参数设置的范围很广，确保它可对广泛的应用对象进行配置[5]

(5)采用模块化设计，配置非常灵活[5]

(6)脉宽调制的频率高，因而电动机运行的噪音低[5]

(7)详细的变频器状态信息和信息集成功能[5]

(8)有多种可选件供用户选用：用于与PC 通讯的通讯模块，基本操作面板（BOP），高级操作面板（AOP），用于进行现场总线通讯的PROFIBUS 通讯模块[5]

(9)磁通电流控制（FCC），改善了动态响应和电动机的控制特性[5]

(10)快速电流限制（FCL）功能，实现正常状态下的无跳闸运行[5]

(11)内置的直流注入制动[5]

(12)加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能[5]

(13)具有比例，积分（PI）控制功能的闭环控制[5]

(14)多点V/f 特性[5]

(15)过电压/欠电压保护[5]

(16)变频器过热保护[5]

3.1.3 压力传感器选型

设定供水压力经验数据：平房供水压力P=0.12MPa；楼房供水压力[5]：

P=（0.08+0.04×楼层数）MPa

根据45米楼层高度，楼层数为15，则P=（0.08+0.04×15）=0.68 MPa。

压力传感器选用诺仪牌NY-BPS308V0-10扩散硅压力传感器，该压力传感器准确度高，稳定性好，体积小，重量轻，安装、调试、维护方便，适用于测量无较强腐蚀性的液体、气体、粘稠流体等。表3.4所示为它的常用参数。

表3.4 NY-BPS308V0-10扩散硅压力传感器参数

3.1.4 水泵选型

水泵的选型，要从输送流量、扬程、管网布置等因素出发。输送流量直接关系到整个系统的运行能力。选择时，需根据最大流量同时兼顾正常流量。扬程一般要用放大5%——10%余量来选择。通过查阅文献，得到2000——2012年全国用水总量情况及2000——2012年全国用水结构[6]，分别如图3.2、3.3。

图3.2

图3.3

2012年我国人口总数13.54亿，可以算出人均日生活用水量为：728.8÷(13.54×366)≈0.1473m。180户居民，平均一户4人，则一天总用水量为：0.147×180×4=105.843m。考虑到一些不可控因素，选择总用水量为120立方米。由于居民生活用水存在高峰期，一般为12时到2时、19时到21时，总共5个小时，则水泵的最大流量为120÷5=243m/h。根据楼高45米，可以选择扬程为60米的水泵。即选择的水泵为GDL型65GDL24-12×5立式多级管道离心泵，如图3.4。该款水泵的技术参数如下：

流量：243

m/h；

扬程：60m；

功率：7.5kw；

吸程：6m；

转速：2900r/min；

工作压力：≤2.5Mpa。

图3.4水泵实物图

3.2资源分配

3.2.1 PLC的I/O分配

（1）数字量输入

本系统中，需要的数字输入量共10个，包括各种控制按键、开关等，如表3.2所示。

表3.5 数字量分配

（2）模拟量输入

因为采集了压力传感器反馈的数据，所以模拟量从EM235模块输入，具体分配如表3.6。

表3.6 模拟量分配

输入地址输入设备

AIW0 压力传感器

（3）数字量输出

系统主要的输出设备有6个交流接触器，分配如表3.7。

表3.7 数字量输出分配

输出地址输出设备输出地址输出设备Q0.0 1#泵工频接触器Q0.3 2#泵变频接触器

Q0.1 1#泵变频接触器Q0.4 3#泵工频接触器

Q0.2 2#泵工频接触器Q0.5 3#泵变频接触器

3.2.2 MICROMASTER变频器参数分配

在本控制系统中，PLC和MICROMASTER变频器采用了USS通信方式，首先需要对变频器的参数进行设置，如表3.8所示。

表3.8 变频器参数设置

3.3电路接线图

主电路部分使用了6个交流接触器，每两个交流接触器作为一组，分别对应电机的两种工作模式：工频运行和变频运行。KM1、 KM3、 KM5分别为电动机M1 、M2 、M3工频交流接触器，KM0、 KM2 、KM4分别为电动机M1、M2、M3 变频变频交流接触器。

热继电器(FR)是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中起到的作用是电动机的过载保护。

熔断器（FU）作为电路中的一种简单的短路保护装置,在使用中，当电流超

过允许值时，产生的热量会把和主电路串接的熔体熔化，这样就可以切断电路，防止电气设备短路和严重过载。

图3.5主电路接线图

控制电路部分如图3.6所示：