智能控制的生产生活供水系统设计论文

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题目：智能控制的生产/生活供水系统设计指导老师：职称：
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摘要
在日常的生产/生活中，由于用户在一天中的不同时间段，生活用水和工业用水的需求量变化比较大，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。

而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。

保持供水压力的恒定，就可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而可以提高供水的质量。

而传统的以拖动水泵的电机以恒定转速运转供水方式、水箱或水塔供水及气压供水等供水方式均难以控制供水的压力，因此，以变频调速为核心的智能供水控制系统应运而生，取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备。

因此，本文在充分借鉴国内外关于智能控制的生产/生活供水系统研究的基础上，设计出了自调整修正因子模糊PID控制恒定供水系统。

该系统稳定安全的运行性能、齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。

关键词：智能控制；供水系统；PID
Abstract
In daily production/life, because the water users how much is constantly changing, so not enough water or water supply of the excess situation happen from time to time. And water and water supply the imbalances between the concentrated reflection in water supply pressure, namely water and less water supply, the pressure is low; Less water and water supply many, pressure will be large. Keep a constant pressure water supply, can make the water supply and water balance, that is, it is also more water supply, water for a little time and less water supply, which can improve the quality of the water supply. But the traditional way of water supply is difficult to control water supply pressure, therefore, in frequency conversion as the core of the intelligent water supply control system came into being, instead of the usual high pressure water and supply water tank and so on. Therefore, this article, from the domestic and foreign full control of the production/about the intelligent life based on the study of the water supply system, the design gives the adjustment factor fuzzy PID control constant water supply system. The system is stable and safe operation of quality, complete the function of thoughtful, will make the water supply to save water and electricity, save the realization of human, and finally reach the high efficiency operation purpose.
Key W ords: Intelligent control; Water supply system; PID
目录
第一章绪论 (1)
第二章国内外关于智能控制的生产/生活供水系统的研究现状及趋势 (1)
2.1 国内外关于智能控制的生产/生活供水系统的研究现状 (1)
2.1.1 带PD回路调节器和/或可编程序控制器（PLC）的控制方式 (1)
2.1.2 新型变频调速供水设备 (2)
2.1.3 供水专用变频器 (2)
2.2 智能控制的生产/生活供水系统的发展趋势 (2)
2.2.1 与楼宇自动化相结合 (2)
2.2.2 与网络化控制结合 (2)
2.2.3 使用智能控制 (2)
第三章智能控制的生产/生活供水系统的设计方案与系统构建 (3)
3.1 供水系统的工艺流程 (3)
3.2 智能控制系统方案设计 (3)
3.3 供水系统结构设计 (4)
3.4 智能控制的生产/生活供水系统的组成 (4)
结论 (5)
致谢 (6)
参考文献 (7)
第一章绪论
在传统的城市生活用水和工业用水供水系统中，主要的供水方式是拖动水泵的电机以恒定转速运转，而供水需求的变化主要通过调节供水管道上的阀门来调节的供水方式。

这种供水方式有浪费电能、浪费水资源等问题。

在一天中的不同时间段，生活用水和工业用水的需求量变化比较大。

在用水低峰时，电机仍然以和用水高峰时同样的、恒定的转速运转，浪费了电能。

在用水低峰时，管网压力较大，由于管道泄漏、公厕用水等造成水资源浪费严重。

用水高峰时，由于管道流量的增大，有可能造成管网压力不足，而使得高层用户出现断水或水压不足的情况。

传统供水方式中，除了上述这种主要供水方式外，还存在水箱/水塔供水、气压供水等供水方式。

水箱/水塔供水是供水系统采用水箱或水塔，又称为重力供水。

该方式供水压力比较恒定，且有贮水。

、但它是由位置高度形成的压力来进行供水的，为此，需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶部。

即使如此，在大型建筑物种还常常不能满足最不利供水点的供水要求，且难于满足不断增长的供水需求。

同时，由于在建筑物顶部形成很大的负重，所以增加了结构面积，也妨碍了美观。

气压供水系统不用在建筑物顶部设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在地表合适的位置设置压力罐即可实现对水管儿管网的加压。

其优点是灵活性大、建设快、不妨碍美观，且可以通过改变压力罐的压力来满足不断增加的供水需求。

但缺点是需要压力罐，其体积大、投资大，又因其压力变化快、运行效率低，因此电能消耗大，运行费用高。

随着科学技术的进步，工业生产和人民生活正趋向于高标准、高质量和现代化。

在居民生活用水、工业用水、各类自来水厂、油田、油库、锅炉定压供水和恒压补水、喷淋及消防等供水系统中，由于高层建筑越来越高，如果采用传统的水塔、高位水箱、气压增压设备，不但占地面积和设备投资大、维护维修困难，且不能满足高层建筑、工业、消防等高水压、大流量的快速供水需求。

另外，在现代供水需求中，供水量是随机变化的，如果采用传统供水方式，难以保证供水的实时性，且能量浪费严重。

但随着交流电机变频调速技术的日臻完善，变频调速恒压供水方式可以很好地克服传统供水方法的缺点，成为一种很有发展前途的供水方式。

因此，对恒压供水系统的研究具有着重要的现实意义。

第二章国内外关于智能控制的生产/生活供水系统的研究
现状及趋势
2.1 国内外关于智能控制的生产/生活供水系统的研究现状
生产/生活供水是工厂生产，人们生活所不可或缺的。

现阶段用于生产/生活供水的主要有三种形式：
2.1.1 带PD回路调节器和/或可编程序控制器（PLC）的控制方式
该方式中，变频器的作用是为电动机提供可变频率的电源，实现电动机的无级调速，从而使管网水压可控。

传感器的任务是检测管网水压;压力设定单元为系统提供满足用户需要
的水压期望值;压力设定信号和压力反馈信号输入可编程控制器后，经可编程控制器内部PID控制程序的计算，输给变频器一个转速控制信号。

或者是将压力设定信号和压力反馈信号送入PID回路调节器，由后者进行运算后，输给变频器一个转速控制信号。

但这种方式中由于有模拟量输入接口和模拟量输出接口的存在，使得可编程控制器价格很高，无形中增加了供水设备的成本。

2.1.2 新型变频调速供水设备
针对传统的变频调供水设备的不足之处，国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新产品，如华为的 TDZ100，施耐德公司的Altivar58泵切换卡，ABB公司的Aes600、ACS400系列等。

这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器，就省去了对可编程控制器存储容量的要求和对PID算法的编程，而且PID参数的在线调试非常容易，这不仅降低了生产成本，而且大大提高了生产效率。

由于变频器内部自带的PID调节器采用了优化算法，所以使水压的调节十分平滑、稳定。

同时，为了保证水压反馈信号值的准确、不失值，可对该信号设置滤波时间常数，同时还可对反馈信号进行换算，使系统的调试非常简单、方便。

这类变频器的价格仅比通用变频器略高一点，但功能却强很多，所以采用带有内置PID功能的变频器生产出的恒压供水设备，降低了设备成本，提高了生产效率，节省了安装调试时间。

在满足工艺要求的情况下应优先采用。

2.1.3 供水专用变频器
供水专用变频器是将普通变频器和PLC控制器集成在一起，是集供水管控一体化的系统，内置供水专用PID调节器，只需加一只压力传感器，即可方便地组成供水闭环控制系统。

传感器反馈的水压信号直接送入变频器自带的PID调节器输入口，而压力设定既可使用变频器的键盘设定，也可采用一只电位器以模拟量的形式送入。

每日可设定多段压力运行，以适应供水压力的需要。

也可设定指定日供水压力。

2.2 智能控制的生产/生活供水系统的发展趋势
2.2.1 与楼宇自动化相结合
楼宇自动化系统是利用计算机及其网络技术、自动控制技术和通信技术构建的高度自动化的综合管理和控制系统，将大楼内部各种设备连接到一个控制网络上，通过网络对其进行综合的控制，这些设备包括空调、照明设备、电梯、消防供水设备、安防设备等等。

它确保建筑物内的舒适和安全的办公环境，同时实现高效节能的要求。

2.2.2 与网络化控制结合
以太网作为局域网组网的主要技术，以其简单、价廉、高带宽、维护方便以及不断发展等优点一直在局域网领域中牢牢占据着统治地位。

现在以太网不但由局域网向着接入网和城域网领域发展，同时开始进入工业控制和楼宇自控领域。

2.2.3 使用智能控制
使用模糊控制。

所谓模糊控制，就是在被控制对象的模糊模型的基础上，运用模糊控制器近似推理手段，实现系统控制的一种方法模糊模型是用模糊语言和规则描述的一个系统的动态特性及性能指标。

第三章智能控制的生产/生活供水系统的设计方案与系统
构建
3.1 供水系统的工艺流程
供水系统的工艺流程（如图1所示），通过一级水泵将江水抽到陆地水厂消毒净化。

在药池加矾等化学品净化。

沉淀池用作化学反应后将产生的沉淀物沉淀下来。

过滤池将沉淀物过滤掉。

清水池存放过滤掉杂质后的清水。

二级水泵将清水提升到水塔中。

水塔为生产/生活用水提供净化水。

加氯间通入氯气消毒。

纯水池存放消毒过了的纯水，供用户使用。

三级水泵抽水给用户使用。

小区用户在不同的时间段会有不同的用水量要求，但是水流最不容易到达的最不利点水压要保持不变，系统采用恒压供水方式。

因此，生产/生活供水主要解决的问题就是如何保持压力为最不利点的水压不变。

图1 生产/生活供水流程图
3.2 智能控制系统方案设计
智能控制系统图如图2所示：
图2 智能控制系统图
智能控制器的结构设计框图如图3所示：
图3 智能控制器的结构设计框图
3.3 供水系统结构设计
由于自调整修正因子模糊控制具有良好的动态性能，能够随着误差E的变化修改控制规则，有一定的自适应能力。

因此，本文拟运用自调整修正因子模糊控制系统。

但因为此系统不具有PID控制的良好的静态性能。

因此，把PID控制引入自调整修正因子模糊控制中，构成自调整修正因子模糊PD控制器。

将这种控制器用在供水系统中，构成自调整修正因子模糊控制PID恒压供水系统，其控制原理框图如图4所示。

图4 自调整修正因子模糊PID控制恒定供水系统的控制原理图
控制策略选择是根据供水系统水压误差的大小，判断是采用自调整修正因子模糊控制，还是采用PID控制。

控制策略选择的基木原则是:以水压误差的大小作为选择的条件，在大误差范围内，采用自调整修正因子模糊控制，以提高动态响应速度，增强自适应能力;在小误差范围内，采用PID控制，以消除静态误差，提高控制精度。

同时，为了防止控制切换过于频繁，在误差的切换点，系统规定控制策略不作切换，维持上一次动作。

3.4 智能控制的生产/生活供水系统的组成
供水系统的结构框图如图5所示。

系统通过压力传感器将电气控制部分和泵组联系起来，形成压力反馈闭环控制系统。

整个系统根据水压值以及管网水压的情况按照自调整修正因子模糊PD控制算法自动控制水泵的转速以及工频泵的投入与切出，达到恒压的目的。

值班人员只需在控制室通过控制台对水压、流量、电流以及水泵运行情况进行监视记录，同时系统也设置手动工作方式。

在P89v5lRD2单片机实现的模糊控制变频调速恒压供水系统的设计中，站在用户的立场上，综合考虑了系统的可靠性、易维护性、价格等因素，整个系统的设计包括硬件和软件两个部分。

系统以P89V5lRD2单片机作为整个系统的控制核心，应用其强大的接口功能。

P89V5lRD2单片机的主要工作是采样管网水压并与设定值进行比较，然后根据压差大小采用自调整修正
因子模糊PD控制算法，控制调速泵的运行频率，输出工频泵投切信号。

图5供水系统的结构框图
系统采用变频器拖动一台调速泵工作，通过选择合适的V/f曲线、转矩补偿曲线以及设定加减时间，使泵能够平稳的起停，并根据给定的转速信号进行调整，调速泵在一定的转速范围内工作，在保证管网压力恒定的同时，变频器可根据管网压力和流量变化自动或手动切换到某一机组中的任何一台泵组上工作，以便提高调速泵的运行效率，减少工频泵的投切次数。

系统配有水位变送器，监视清水池的水位变化，可以发出上限、下限报警信号。

同时，为确保同一台水泵不能同时运行在变频/工频状态，变频运行的机组在电气上设有互锁电路。

为了使泵能够平稳的起每台泵都可以工作在变频状态，但同一时刻系统只能有一台泵工作在变频状态，所以系统设有变频互锁电路。

结论
本文将模糊控制理论应用于供水系统之中，采用了变频调速技术设计出自调整修正因子模糊PID控制器，对具有非线性、滞后特征的供水系统具有很好的恒压控制作用，解决了传统的PID控制系统难于自我调整的问题，完全可以取代传统供水方式，弥补其不足之处。

此外，此系统对于多泵组供水还可以实现软起动控制，并完成多泵组的循环变频，具有先开先停，主、备泵周期定时投入运行，自动巡检等功能，因此，具有良好的经济效益和社会效益。

至此今日，论文终于完成。

在此，我要首先感谢我的导师？？？老师，从论文选题至今，导师一直悉心询问，不论从命题角度还是文章的整体构架都给予了多方面的宝贵意见，是我最终确立了文章的研究方向和写作框架。

在学习期间，老师渊博的理论功底，严谨的治学态度，兢兢业业的工作精神一直深深地影响和鼓励着我，让我在汲取精神养料的同时，个人人格也得到了进一步的完善和升华。

在此谨向敬爱的？？？老师表示衷心的感谢！
同时，衷心感谢我的家人，父母的无私付出让我解除了求学的后顾之忧，你们的理解和支持一直都是我前进的力量，你们的关心和爱护更让我刻骨铭心。

我一定会用我的所学回报你们，谢谢你们！
[l] 勇俊宝. 高层建筑消防给水设计中几个问题的探讨[J]. 中国给水排水, 1995(7): 3-5
[2] 钱维生. 高层建筑给水排水工程(第二版)[M]. 上海:同济大学出版社. 1999:22-24
[3] 王丽华. 变频调速自动供水装置在水库供水系统中的应用[J]. 黑龙江水利科技. 2004, 04
[4] 李长军. 变频调速在恒压供水中的应用[J]. 煤矿机械, 2004, 22(11): 47-8
[5] 杨东平. 变频调速恒压供水系统综述闭[J]. 南宁职业技术学院学报, 2004, 9(3):77-80.
[6] 何蕾, 龚幼民. 由PLC控制的新型全自动变频恒压供水系统[J]. 自动化仪表, 2003, 24
(3):24-26.
[7] 王涛, 王爱国. PLC及变频技术实现的恒压供水系统[J]. 自动化博览.2004, 6: 37-38
[8] 张全庄, 段峻. PLC在恒压供水变频调速控制系统中的应用[J]. 机电工程技术,
2004,33(9):34-37。