1、智能建筑给排水控制系统的设计CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 课程论文 题 目 智能建筑给排水控制系统的设计 学生姓名 陈山雷 学 号 0909102510 指导教师 王击 学 院 信息科学与工程学院 专 业 自动化 完成时间 2013.11.13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的建筑的给排水控制系统进行了研究。针对该高层商住楼用水，结合智
2、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
3、效、低耗的最优化控制，达到经济运行的目的；并对给排水系统的设备进行集中管理，保证系统可靠运行。 当需水量减小时，电动机转速降低，水泵出口流量减少，否则电动机转速调高。排水系统中污水处理池、污(废)水集水井的液位由高低液位显示及越限报警来提醒。水泵过载报警监视水泵的运行状态，当水泵出现过载时停机并发出报警信号。 在本设计中，主要内容包括给水系统，排水系统设计。其中给水系统中采用恒压变频供水方式，水源是城市供水管网。关键词：智能建筑；给水系统；排水系统；变频调器；PLC。AbstractWith computer technology, information and communication
4、technology, electronics and information technology continues to evolve, progress, building higher and higher degree of automation equipment. Meanwhile, with the accelerated pace of the city, more and more high-rise building for the city added a modern flavor. Intelligent building technology is in th
5、is context are booming.In this paper, the discussion of intelligent building based on the Building on a twenty-six, against the high-level commercial and residential water use, combined with intelligent building features, the construction of water supply system, drainage system, were discussed. Wate
6、r supply and drainage system consists of pumps, tanks, motors and valves and other components. Inverter is used for pressure regulation, using the programmable logic controller logic control. Converter, programmable logic controller as the core components of system control, always follow the pipe ne
7、twork pressure and the deviation of a given pressure change, The drive within the PID operation, programmable controller, frequency, and frequency, Automatic control the Number of units into the pump and motor speed, Constant Pressure to achieve closed-loop automatic adjustment of water supply, Main
8、taining constant pressure to control flow purposes. Monitoring of water supply and drainage system is through a variety of computer systems. According to certain requirements controlling the pump operation mode, Timely discharge of sewage, low consumption of optimal control, to achieve the purpose o
9、f economic operation; Water supply and drainage system and centralized management of devices, ensure reliable operation.When water demand is reduced, the motor speed reduction .pump outlet flow reduction .otherwise, the motor speed increases. Drainage system and sewage treatment pond, Sewage (waste)
10、 water wells set by the level of liquid level indicators and the more limited the alarm to alert. Overload occurs when the pump shut down And an alarm signal.In this design, the main contents include water supply system, drainage system design water supply system which uses constant frequency of wat
11、er supply.Keywords: Intelligent building; Water supply system; Drainage system; Frequency modem; plc第1章 绪论1.1智能建筑1.1.1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、
12、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。 “智能建筑”结构图如下图1.1所示，因此，智能建筑又被称3A建筑. OAS-办公自动化系统BAS-建筑设备自动化系统CNS-通讯网络系统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。1.1.2智能建筑在世界的发展以及应用上世纪80年代后期，智能建筑
13、风靡全球，这主要是代表电子技术的计算机、通讯、控制三项技术在楼宇自动化、通讯网络以及它们的系统集成方面有了飞跃的发展。无论从硬件、软件到集成技术都有显著的进步，加上上个世纪90年代初，国际互联网在世间迅速普及和应用，人们对建筑功能的要求愈来愈高，同时高新科技能为人们提供更安全、更高效、更舒适、更便捷的环境。一个蓬蓬勃勃的建筑智能化的普及高潮业已在全球形成。1.1.3智能建筑在我国的发展及应用智能建筑进入我国技术领域大体上是在上个世纪80年代中期以后，中国科学院计算技术研究所就曾进行了“智能化办公大楼可行性研究”，对智能办公大楼的发展进行了探讨。智能建筑真正的普及和推广是在1992年改革开放的大
14、潮中兴起的房地产热潮，由此兴起的我国智能建筑发展迅速，呈现巨大的市场潜力，社会经济效益显著。随着通信技术、网络技术、计算机技术等在我国的迅速发展，智能建筑在各方面也有很大的提高。据有关资料显示，目前智能建筑的投资约占总投资的5-8，有的可达到10.智能建筑的真正意义在于满足用户需要。1.2变频器1.2.1变频器的概念变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频调速器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变
15、电路将直流电再逆成交流电。变频调速器（frequency changer / frequency converter）是一种用来改变交流电频率的电气设备。此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。1.2.2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)/n01.2.3变频器的应用这里主要介绍变频器在恒压供水
16、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。1.2.4变频调速技术变频调速技术是现代电力传动技术重要发展方向，随着电力电子技术，微电子技术和现代控制理论在交流调速系统中的应用，变频交流调速已逐渐取代了过去的滑差调速,变极调速，直流调速等调速系
17、统，越来越广泛的应用于工业生产和日常生活的许多领域。1.3 PLC1.3.1概念PLC：工业用计算、控制装置，实现逻辑、时序、计算等控制功能，一般作为整个自动化控制系统的上位主机。1.3.2 PLC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。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
18、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。1.3.3 PLC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的可靠性。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
19、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、灵活通用在完成一个控制任务时，PLC具有很高的灵活性。首先，PLC产品已经系列化，结构形式多种多样，在机型上有很大的选择余地。其次，同一机型的PLC其硬件构成具有很大的灵活性，用户可以根据不同任务的要求，选择不同类型的输入输出模块或特殊功能模块组成不同硬件结构的控制装置。再者，PLC是利用应用程序实现控制的，在应用程序编制上有较大的灵活性。在实现不同的控制任务时，PLC具有良好的通用性。4、 使用方便、维护简单PLC控制的输入模块
20、、输出模块、特殊功能模块都具有即插即卸功能，连接十分容易。对于逻辑信号，输入和输出采用开关方式，不需要进行电平转换和驱动放大；对于模拟信号，输入和输出采用传感器、仪表和驱动设备的标准信号。PLC的各个输入和输出模块与外部设备的连接十分简单。5、 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。第2章设计方案2.1工程概况假设该智能建筑共有27层，地上26层，地下1层。建筑总高度为81米。地下室是设备用房，用作泵房和修建水池，地下室地面标高为
21、-3.9米，12层是裙房，作为商业场所使用。1层3.9米高，2层5.1米，326层为单元式住宅，层高3.0米，每层11户。3层：其中4户是两室一厅，一个厨房，一个卫生间和一个阳台；其中6户为三室一厅，一个厨房，两个卫生间和一个阳台；1户为一室一厅，一个厨房和一个卫生间。除上述户型外还有个门厅和值班室。426层：其中4户是两室一厅，一个厨房，一个卫生间和一个阳台；其中7户为三室一厅，一个厨房，两个卫生间和一个阳台。厨房内设厨房洗涤盆1个，卫生间内设浴盆1个，低位水箱坐便器1个，洗脸盆1个。每户设分户水表，共用水表箱设在走廊内。室外常年可保证的市政水压为400kPa。本系统用给水泵3台，其中两台自
22、动切换使用，另外一台泵用，排水泵3台两用一备。2.2所用控制方法的选用随着城市建筑步入高层化发展，生活用水、消防用水等对供水配套装置提出了更高的要求。由于公共自来水网水压不足等原因，往往会使得用户端水压过低达不到要求。一般来说解决办法有，增加供水泵站的压力或采用末端增压技术。前者涉及面太大，相比较而言，后者可行，常用的手段有储气罐式增压供水、变频调速恒压供水。储气罐式供水一次投入较低，但存在着压力不稳定、气包需定期充气、压力容器易产生危险等缺点。目前已逐步被变频调速恒压供水设备所取代。变频调速恒压供水设备采用国际上成熟的变频调速技术，具有水压稳定、维护方便、运行费用低、节能等优点。 供水压力随
23、水流量的变化而变化，供水系统的水流量受水消耗量的控制。为保证建筑内的供水要求：安全、稳定。即既要有足够的水量，又要有良好的水质和稳定适宜的水压。故选用变频调速恒压供水。2.3主要研究内容智能建筑是计算机和信息处理等高技术与建筑艺术的有机结合。综合型智能建筑由三大基本要素构成，即办公自动化系统(OAS)，建筑设各自动化系统(BAS)和通讯网络系统(CNS)，这三大要素也称之为3A系统。建筑设备自动化系统保证机电设备和安全管理的自动化，对楼宇温度、湿度、含氧量与照明度等参数值进行测量，并按照使用者要求迅速实施调节和综合管理，为用户提供舒适宜人的室内环境和可靠的安全保障。给排水系统属建筑设备管理自动
24、化系统的一部分，要求其运行安全可靠，实现水泵最佳运行控制。因此，本设计只对给水系统和排水系统进行研究。第3章 给水系统3.1概念及组成3.1.1概念给水系统：通过管道及辅助设备，按照建筑物和用户的生产、生活和消防需要，有组织地输送到用水点的网络称为给水系统，包括生活给水系统、生产给水系统和消防给水系统。3.1.2给水系统的组成给水模拟系统组成示意如下图3.1所示：3.1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。下面对其中一些器件进行简单介绍。1、止回阀（1）定义：止回阀是指依靠介质本身流动而自动开、闭阀瓣，用来防止介质倒流的阀门
25、，又称逆止阀、单向阀、逆流阀、和背压阀。（2）作用：止回阀属于一种自动阀门，其主要作用是防止介质倒流、防止泵及驱动电动机反转，以及容器介质的泄放。止回阀还可用于给其中的压力可能升至超过系统压的辅助系统提供补给的管路上。（3）工作原理分析：这种类型的阀门的作用是只允许介质向一个方向流动，而且阻止方向流动。通常这种阀门是自动工作的，在一个方向流动的流体压力作用下，阀瓣打开；流体反方向流动时，由流体压力和阀瓣的自重合阀瓣作用于阀座，从而切断流动。其中止回阀就属于这种类型的阀门，它包括旋启式止回阀和升降式止回阀。旋启式止回阀有一介铰链机构，还有一个像门一样的阀瓣自由地靠在倾斜的阀座表面上。（4）选用标
26、准:为了防止介质逆流，在设备、装置和管道上都应安装止回阀；止回阀一般适用于清净介质，不宜用于含有固体颗粒和粘度较大的介质。2、液位计（1）这里选用浮球液位计。浮球液位计是以磁浮球为测量元件，通过磁耦合作用，使传感器内电阻成线性变化，由智能转换器将电阻变化转换成420mA标准电流信号，并叠加HART信号输出或就地液晶显示，可现场显示液位的百分比、420mA电流及液位值，远传供给控制室可实现液位的自动检测、控制和记录。（2）适用场合：该仪表适用于石油、化工、电力、轻工及医药等行业污水处理及各类常压和承压容器内介质液位的测量，尤其对于地下贮槽、贮罐的液位测量最为理想。（3）技术参数测量范围：0350
27、0mm供电电压：1236V DC输出信号：两线制420mA.DC叠加数字信号，由用户选择开方或线性输出。负载电阻：250测量精度：10mm环境温度：-4080工作温度：-201203、压力变送器的原理压力变送器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用压力变送器的原理及其应用 应变片压力变送器原理与应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力变送器、半导体应变片压力变送器、压阻式压力变送器、电感式压力变送器、电容式压力变送器、谐振式压力变送器及电容
28、式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力变送器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。正负迁移：零点经过正迁移或负迁移后，量程、测量范围的上限值和下限值的绝对值，均不能超过测量范围上限的100%。最大正迁移量为最小调校量程的500%；最大负迁移量为最小调校量程 的600%.过程压力通过两侧或一侧的隔离膜片、灌充液传至室的中心测量膜片。中心膜片是一个张紧的弹性元件，它对于作用在其上的两侧压力差产生相应变形位移，其位移与差压成正比，最大位移约0.1mm，这种位移转变为电容极板上形成的差动电容，由电子线路把差动电容转换成二线制的420MA DC输出.3、三通阀三通阀阀体有三个口，一进
29、两出，（左进，右和下出）和普通阀门不同的是底部有一出口，当内部阀芯在不同位置时，出口不同，如阀芯在下部时，左右相通，如阀芯在上部时，右出口被堵住，左和下口通。因为左口和右口不在一条水平线上。当高价紧急解列时，阀门关闭，给水走旁路。4、液位报警器液位报警器也叫（浮球液位开关、水位控制器、液位开关）是指通过机械式或者磁感应的方法来进行水位的报警和检查，可以声光报警等或者电磁性报警同时控制水泵等设备的启停。电缆式液位报警器原理是通过微动开关为核心元件封装在密闭的塑料外壳内进行高低液位检测，当被测液位到达动作点时，输出高或低液位信号，当液位低到一定的位置时输出继电器开关信号，或者直接供电给报警器，从而
30、实现对液位的报警功能。电缆式液位报警不需要浮球和干簧管，外部无机械动作，耐污耐用，不怕漂浮物影响，任意角度安装，竖向安装有一定的防波浪功能，这种方式较实用，耐污，寿命长，安全。5、电磁阀电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的方式由继电器控制，这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。6、
31、压力变送器一般意义上的压力变送器主要由测压元件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号(如420mADC等)， 以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器.压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
32、压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。(2)温度范围：工作温度范围：20+88，（LT型为：25+70）。7、水流开关该系统用到的传感器是采用的是海湾公司的产品。其主要作用是：1，检测管路中液体是否流动和流动的量（流量，也就是液体流动压力）是否达到要求，同时靠开关电接点输出（提供）一个信号的通断的状态。2，设备系统靠检测有无信号或控制电流从此开关上通过（水流开关电接点的通、断状态），来判断管路系统的工作状况，给出相应的控制或运行方式或措施；8、压差开
