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基于PLC的高层小区恒压供水监控系统设计与应用

内容摘要

作为一个人口众多的工业和农业大国，中国遭受着水和能源资源的相对短缺。随着城市的扩张和人口生活水平的提高，对城市供水系统的质量和效率的要求也在增加。本文围绕国内多数高层小区用户供水需求问题，考虑节能性与鲁棒性等特性，提出了在线调控参数的算法模型，建立仿真模型展开分析，并基于PLC实现了工变频与增减泵调节控制，完成了恒压供水监控系统设计并搭建了硬件平台，有效解决了小区供水问题。本文研究的主要内容概括如下：基于我国城市高层小区供水的需求，提出了相关的控制目标与要求，并给出了相应的恒压供水监控系统的架构。针对时变性、非线性的供水系统中水泵性能做了分析，对阀门开度与变频调速调节方式的能耗进行对比分析，研究表明恒压供水系统中变频调速节能性更好，对复杂供水系统中泵组并联时的流量与能耗进行了分析，并确定了供水系统的近似等效数学模型。

关键词：恒压供水系统，PLC，监控系统，模糊PID控制

目录

TOC\o1-3\h\z\u内容摘要 1

1绪论 3

1.1课题的背景及意义 3

1.2国内外发展现状 3

1.2.1国外恒压供水系统发展现状 3

1.2.2我国恒压供水系统发展现状 4

1.3本文的主要内容 4

2恒压供水监控系统的总体设计 5

2.1恒压供水监控系统的生产工艺概述 5

2.1.1变频恒压供水节能原理分析 6

2.1.2恒压供水系统中并联泵组特性分析 8

2.1.3变频恒压供水系统特点与理论模型 8

2.1.4供水系统控制策略分析 9

2.2恒压供水监控系统控制需求分析 10

2.3总体设计方案 12

2.4系统器件选型 12

3系统硬件设计 16

3.1整体模型架构设计 16

3.2供电电路的设计 17

3.2.1关键电路设计 17

3.2.2控制电路图 18

3.3I/O分配 19

4软件程序设计 20

4.1系统控制总体设计 20

4.2各模块的程序设计 21

5结论 23

参考文献 24

1绪论

1.1课题的背景及意义

随着国民经济的快速发展与城镇居民人口数量激增，高层建筑越来越多，但我国城镇供水系统并没有实现高度的自动化，且在工业用水或者是生活用水等方面，供水系统落后，大部分是用恒速泵作为动力来源，运用水塔，密封气压罐或高位水箱来供水，这些方式不但控制效率低，且不能实时反馈，对能源和水资源有着很大的浪费，已经不能满足现阶段的供水需求。在水资源和能源都紧缺的时代，在管理、调度、监控和智能化的要求下，供水系统性能提升就尤为关键。节能与珍惜水资源是国家可持续发展的必要举措，也是保护环境的重要举措，对企业或者普通个体提高经济来源来说都是至关重要的，目前生活生产中电机使用广泛，其重要性不言而喻，因此电机的使用耗能占比高，在欧洲，电机类设备占总能耗的70%左右，我国水泵电机在工业和生活领域中总能耗也占30%。

对于供水系统中水泵节能优化的研究就相当重要。随着现代供水系统朝着智能性，节能性发展后，变频技术与PLC技术结合的恒压供水方式就成了主流的恒压供水方案，其在监控性能，管理维护以及实用扩展性上相较于传统方式优势更明显。在高层小区供水性能日益严苛的需求下，为提升系统的鲁棒性以及智能化程度，其研究重心就放在了控制算法策略上，传统的PID控制已经满足不了现代城市复杂供水环境。后来渐渐盛行的模糊PID控制（FuzzyPIDcontrol），在系统调节能力以及稳定性方面更佳，也是目前在供水系统中主流实用的控制方式。本文的目标就是为了解决高层小区中相关需求问题，在对比分析选择合适的控制策略后，运用PLC技术以及变频技术来实现高质量的恒压供水。本课题对城镇居民生活水平改善，降低能耗，节约人力物力方面意义重大，对于城镇小区二次供水的改造也有借鉴意义。

1.2国内外发展现状

1.2.1国外恒压供水系统发展现状

国外现阶段的恒压系统大多配备了先进的自动化控制系统，并采取PLC集散控制，将集中与就地控制策略相互结合，从而保证水泵的独立性。其在供水系统中大多采用一个水泵组对应一台变频器，很少有一对多的模式，因此成本较高[1]。而国内一般是多个水泵机组由一个变频器带动，此方式虽在控制方式上较复杂，但成本更低，是目前国内主流的控制方案。近些年来，在国外供水系统越来越受学术界和工业界的关注，并取得了相关的成果，DaCostaBortoni等[2]人对PLC控制的泵组系统提升能源利用效率提出了动态规