全自動變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

華南理工大學(xué)

碩士學(xué)位論文

全自動變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

姓名：龍迎春

申請學(xué)位級別：碩士

專業(yè)：電子與通信工程

摘要

摘要

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，住房制度改革的不斷深入，人們生活水平的不斷

提高，城市中各類小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時(shí)也對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了

更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個(gè)重要方面，供水的可靠性、穩(wěn)定

性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)管理

水平的高低。傳統(tǒng)的恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水等供水方

式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自動化程度不高等缺點(diǎn)，難以滿足當(dāng)

蘭壹堡王奎蘭堡主蘭垡絲蘭

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ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

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Ｖａｒｉａｂｌｅ

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ｗａｔｅｒ—ｓｕｐｐｌｙ：ｒｅｍｏｔｅ

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ａｎｄ

Ｃｏｎｔｒｏｌ

Ｉｌｌ

華南理工大學(xué)

學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明

本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所

取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任

何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢

獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的

法律后果由本人承擔(dān)。

作者簽名：

龍嬤

日期：ｗｆ年孕月２

第～章緒論

第一章

１．１

緒論

選題背景及意義

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，以及住房制度改革的

不斷深入，城市中各類小區(qū)建設(shè)發(fā)展十分迅速，同時(shí)也對小區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提

出了更高的要求。小區(qū)供水系統(tǒng)的建設(shè)是其中的一個(gè)重要方面，供水的可靠性、

穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到小區(qū)住戶的正常工作和生活，也直接體現(xiàn)了小區(qū)物業(yè)

管理水平的高低。

傳統(tǒng)的小區(qū)供水方式有：恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水。

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性直接影響到學(xué)校的正常教學(xué)和管理，也體現(xiàn)了學(xué)校后勤管理水平

的高低。

韶關(guān)學(xué)院隨著我國高教事業(yè)的發(fā)展，校區(qū)面積迅速擴(kuò)大，在校生人數(shù)規(guī)模快

速增長到了１５０００以上，形成了三片大的學(xué)生公寓區(qū)，成一個(gè)“品”字形分布，

公寓區(qū)的相互距離較遠(yuǎn)。學(xué)校的供水系統(tǒng)也隨著公寓區(qū)的建設(shè)，形成了三個(gè)獨(dú)立

的供水系統(tǒng)。整介系統(tǒng)存在的主要問題有，老公寓區(qū)仍然采取傳統(tǒng)的水塔高位水

箱供水方式，存在能耗大，維護(hù)不方便，電機(jī)的啟動電流對電網(wǎng)沖擊大的缺點(diǎn)；

另外，各供水系統(tǒng)相距較遠(yuǎn)，學(xué)校水電管理部門平時(shí)只能定期尋查，不能及時(shí)有

效地掌握各供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，往往是等用水部門打電話來才知道系統(tǒng)出現(xiàn)故

障，無法供水，造成系統(tǒng)運(yùn)行可靠性降低：而且系統(tǒng)對于運(yùn)行中的一些參數(shù)也無

法監(jiān)控與記錄。

為滿足韶關(guān)學(xué)院對供水質(zhì)量的要求，降低單位供水能耗，實(shí)現(xiàn)全自動、可靠、

穩(wěn)定的供水，需要利用變頻恒壓供水技術(shù)對其設(shè)備進(jìn)行自動化改造，并輔以計(jì)算

第一章緒論

設(shè)備來設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，并引入計(jì)算機(jī)對供水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與管

理，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠，安全節(jié)能，獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。具體而言，

論文包括以下內(nèi)容：

１．

論文在對課題對進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和思

路，確定論文主要的研究內(nèi)容和研究方法；

２．分析供水系統(tǒng)基本模型及主要參數(shù)，對恒壓供水系統(tǒng)中采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)法

和閥門控制法作了比較，詳細(xì)分析和論證變頻調(diào)速方式在恒壓供水系統(tǒng)中的節(jié)能

原理和效果。并分析了變頻調(diào)速方式對減少供水系統(tǒng)的水錘效應(yīng)，提高系統(tǒng)安全

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

第二章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗與安全性分析

在供水系統(tǒng)中，用水量處于動態(tài)變化過程之中，采取恒速泵供水方式，無法

維持管壓恒定，同時(shí)也影響設(shè)備壽命：若采取閥門控制調(diào)節(jié)流量來維持管壓，必

然造成大量的電能浪費(fèi)；而且水泵電機(jī)直接工頻起動與制動帶來的水錘效應(yīng)，對

管網(wǎng)、閥門等也具有破壞性的影響。基于恒壓、節(jié)能及安全性考慮，采取變頻調(diào)

速恒壓供水方式是一種不錯(cuò)的選擇。據(jù)統(tǒng)計(jì)采用變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)節(jié)流量實(shí)現(xiàn)恒壓

供水，可節(jié)能２０—５０％ｎ：［３Ｊ，節(jié)能效果相當(dāng)顯著。在討論變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)節(jié)

能機(jī)理與安全性之前，有必要討論分析供水系統(tǒng)的一些基本概念和特性。

２．１

供水系統(tǒng)的基本模型和主要參數(shù)

供水系統(tǒng)的基本模型如圖２－１所示。

磨擦

ａ）ｂ）

圖２－１供水系統(tǒng)的基本模型ｎ，

ｂ）基本模型ａ）全揚(yáng)程的概念

圖中：￡Ｄ一一水泵中心位置；

第二章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗與安全性分析

主要參數(shù)ｕ１有：

１．流量Ｑ

單位時(shí)間內(nèi)流過管道內(nèi)某一截面的水流量，常用單位是ｍ３／ｒａｉｎ。

２．揚(yáng)程Ⅳ也稱水頭，是供水系統(tǒng)把水從一個(gè)位置上揚(yáng)到另一位置時(shí)水位的

變化量，數(shù)值上等于對應(yīng)的水位差。常用單位是ｍ。

３．實(shí)際揚(yáng)程億供水系統(tǒng)中，實(shí)際的最高水位ｈ２與最低水位ｈ，之間的水位

差，即供水系統(tǒng)實(shí)際提高的水位。即：ＨＢ＝ｈ２一ｈＪ。

４．全揚(yáng)程所

水泵能夠泵水上揚(yáng)的最高水位ｈ３與吸入口的水位ｈｏ之間的

水位差。全揚(yáng)程的大小說明了水泵的泵水能力。即：Ｈｒ＝圯．ｈＤ。

５．損失揚(yáng)程倪全揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之差，即為損失揚(yáng)程。協(xié)，Ｈｒ、ＨＬ之間的

關(guān)系是：晰＝１－１８＋肌。

供水系統(tǒng)為了保證供水，其全揚(yáng)程必須大子實(shí)際揚(yáng)程，這多余的揚(yáng)程一方面

用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵償各部分管道內(nèi)的摩擦損失；

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

１．揚(yáng)程特性

以管路中的閥門開度不改變?yōu)榍疤幔唇孛娣e不變，水泵在某一轉(zhuǎn)速下，全

揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線所＝ｆ

ｒＱＪ，稱為揚(yáng)程特性曲線。不同轉(zhuǎn)速下，揚(yáng)程特

性曲線不同，圖２．２中的曲線①、②分別對應(yīng)于轉(zhuǎn)速ｎ。、ｒｌ，，且九。＞ｎ，。

曲線表明轉(zhuǎn)速～定時(shí)，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻損耗也就越

大，供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小，反映用戶的用水需求狀況對全揚(yáng)程的影響的。在

這里，流量的大小取決于用戶，是用水流量，用Ｑｕ，表示。

用水量一定時(shí)，即Ｑｕ不變，轉(zhuǎn)速越低，水泵的供水能力越低，供水系統(tǒng)的

全揚(yáng)程就越小。

２．管阻特性

以水泵的轉(zhuǎn)速不改變?yōu)榍疤幔y門在某一開度下，全揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲

線Ｈｒ＝ｆｆＱＪ，稱為管阻特性曲線。不同閥門開度，管阻特性曲線不同，圖２－２

中的曲線⑨對應(yīng)閥門開度大于曲線④對應(yīng)的閥門開度。

管阻特性表明由閥門開度來控制供水能力的特性曲線。此時(shí)轉(zhuǎn)速一定，表明

水泵供水能力不變，流量的大小取決于閥門的開度，即管阻的大小，是由供水側(cè)

來決定的，故管阻特性的流量可以認(rèn)為是供水流量，用Ｑｏ表示。

第二章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗與安全性分析

２．３供水系統(tǒng)中恒壓實(shí)現(xiàn)方式

對供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流

量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，而揚(yáng)程難以進(jìn)行具

體測量和控制。考慮到動態(tài)情況下，管道中水壓的大小是揚(yáng)程大小的反映，而揚(yáng)

程與供水能力（由流量ＱＧ表示）和用水需求（由用水流量ＱⅣ表示）之間的平衡情況

有關(guān)。

若：供水能力ＱＧ＞用水需求ＱⅣ，則壓力Ｐ上升；

若：供水能力ＱＧ＜用水需求Ｑｕ，則壓力Ｐ下降；

若：供水能力ＱＧ＝用水需求ＱＵ，則壓力Ｐ不變。ｗ

可見，流體壓力Ｐ的變化反映了供水能力與用水需求Ｑｕ之間的矛盾。從而，

選擇壓力控制來調(diào)節(jié)管道流量大小。這說明，通過恒壓供水就能保證供水能力和

用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。

將來用戶需求發(fā)生變化時(shí)，需要對供水系統(tǒng)做出調(diào)節(jié)，以適應(yīng)流量的變化。

這種調(diào)節(jié)就是以壓力恒定為前提來實(shí)現(xiàn)的。常用的調(diào)節(jié)方式有閥門控制法和轉(zhuǎn)速

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式中，％一一具步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，ｒ／ｍｉｎｉ

ｎ一一異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，ｒ／ｍｉｎ；

Ｐ一一異步電動機(jī)磁極對數(shù)；

，一一異步電動機(jī)定子電壓頻率，即電源頻率；

５一一轉(zhuǎn)速差，

Ｊ：旦型×１００％。

ｎ．

可知調(diào)速方法有；變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)整。

１．變極調(diào)速

在電源頻率一定的情況下，改變電動機(jī)的磁極對數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。

磁極對數(shù)的改變通過改變電機(jī)定子繞組的接線方式來實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用

于專門的變極電機(jī)，而且是有極調(diào)速，級差大，不適用于供水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的連續(xù)

調(diào)節(jié)。

２，變轉(zhuǎn)差調(diào)速

通過改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。

三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子銅損耗為：

Ｐｃ．２＝３巧《＝ｓＰ，。“１

（２—３）

第二章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗與安全性分析

變頻調(diào)速方式時(shí)，電動機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式ｍ：

Ｔ＝

（２—４）

式中：ｍ．一一電機(jī)相數(shù)

＾一一定子電阻

五一一定子漏電抗

＾；一一轉(zhuǎn)子漏電抗折算值

頻率＾從額定值，Ｎ往下調(diào)時(shí)，由文獻(xiàn)［５］，

電機(jī)機(jī)械特性變化情況如圖２－３

所示，圖中ｆＮ＞，ｌ＞，２＞，３＞ｆ４。

變頻調(diào)速過程的特點(diǎn)：

靜差率小，調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，而且，

很關(guān)鍵的一點(diǎn)是調(diào)速過程中，其轉(zhuǎn)差率不變。電機(jī)的

運(yùn)行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉(zhuǎn)速控制法。

因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調(diào)速方式可以獲得

優(yōu)蘸的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果。

圖２－３變頻調(diào)速機(jī)械特性

２．５

變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗分析

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

（２—６）

魚日墨Ｐ

制甜

（２—７）

式中，ｎ，、Ｑ１、Ｈ。、只分別為調(diào)速后的水泵轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程和軸功率。從以

上關(guān)系可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速ｎ下降時(shí)，軸功率按轉(zhuǎn)速變化的３次方關(guān)系下降，可見轉(zhuǎn)速

對功率的影響是最大的。

一般在設(shè)計(jì)中，水泵均考慮在最不利工況下供水，水泵在選型上也是按水泵

額定工作點(diǎn)選型和安裝使用，即按額定工作點(diǎn)設(shè)計(jì)。但在實(shí)際運(yùn)行中，管網(wǎng)用水

量常常低于最不利工況，這時(shí)，如降低轉(zhuǎn)速相對于恒速泵供水運(yùn)行，能使水泵的

軸功率大大減少。

可見，在供水系統(tǒng)中根據(jù)用水量的大小，通過變頻方式調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的方式

來實(shí)現(xiàn)供水具有很好的節(jié)能效果。而且這種方式在用水量較少時(shí)節(jié)能效果更為明

顯。

２．

轉(zhuǎn)速控制供水系統(tǒng)的工作效率高Ｃ４

工作效率的定義

（１）．

供水系統(tǒng)的工作效率佛為水泵的供水功率ＰＧ與軸功率ＰＰ之比，即：

叩Ｐ２詈

ｒＰ

（２—８）

該效率是包含了水泵本身效率在內(nèi)的整個(gè)供水系統(tǒng)的總效率。

式（２—８）中，ＰＰ是指水泵是在一定流量、揚(yáng)程下運(yùn)行時(shí)所需的外來功率，即電

動機(jī)的輸出功率；如是供水系統(tǒng)的輸出功率也就是水獲德的實(shí)際功率，由實(shí)際供

水的揚(yáng)程和流量計(jì)算。供水過程中的損耗主要來自于水泵本身的機(jī)械損耗、水力

第二章變頻調(diào)速恒壓供永系統(tǒng)能耗與安全性分析

（３）．

不同控制方式時(shí)的工作效率

閥門控制法方式，因轉(zhuǎn)速不變，ｎ＋＝ｌ，

減小，水泵工作的效率ｒ／ｐ‘降低十分明顯。

比值里：：Ｑ·，隨著流量的減小，Ｑ·

ｎ

轉(zhuǎn)速控制方式時(shí)，因閥門開度不變，由式（２—５），流量Ｑ

４和轉(zhuǎn)速ｎ。是成正比

的，比值里：不變。即水泵的工作效率是不變的，總是處于最佳狀態(tài)。

ｎ

所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門控制方式相比，供水系統(tǒng)的工作效率要大得多。

這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第二個(gè)方面。

３．

變頻調(diào)速電機(jī)運(yùn)行效率高

在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)時(shí)，額定揚(yáng)程和額定流量通常留有裕量，而且，實(shí)際用水流

量也往往達(dá)不到額定值，電動機(jī)也常常處于輕載狀態(tài)，電機(jī)恒速運(yùn)行時(shí)效率和功

率因數(shù)很低。采用變頻調(diào)速方式

提高了電動機(jī)的工作效率。

變頻器能夠根據(jù)負(fù)載輕重調(diào)整輸入電壓，從而

這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個(gè)方面。

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

ａ）

ｂ）

圖２—４水泵的直接起動和變頻起動Ｅ４］

ａ）全壓起動ｂ）變頻起動

圖中，曲線①是異步電動機(jī)的機(jī)械特性，曲線②是水泵的機(jī)械特性，

圖２－－４ｂ）中的鋸齒狀線是變頻起動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。

由圖２—４可知，水泵在直接起動過程時(shí)，因動態(tài)轉(zhuǎn)矩很大，造成了強(qiáng)烈的水

錘效應(yīng)，通過變頻起動，可有效地降低動態(tài)轉(zhuǎn)矩消除水錘效應(yīng)。

停機(jī)過程效果類似。

３．

變頻調(diào)速對供水系統(tǒng)安全性的作用

采用變頻調(diào)速，對系統(tǒng)的安全性有一系列的好處“，Ｌ３２］：

（１）

消除了水錘效應(yīng)，減少了對水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，可大大延長水泵

及管道系統(tǒng)的壽命；

第二章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗與安全性分析

流量的需求。這種調(diào)節(jié)又是以水壓調(diào)節(jié)為目標(biāo)。

２．

供水系統(tǒng)揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)是系統(tǒng)的工作點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)

行中的工作點(diǎn)會隨用水需求的變化而改變。為保證水壓恒定，采取轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

３．１

供水系統(tǒng)總體方案的確定

１．

用戶需求

韶關(guān)學(xué)院學(xué)生公寓供水系統(tǒng)總體要求：

（１）．由多臺水泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)供水，流量范圍６００ｒｎ３／ｈ，揚(yáng)程６０米左右

（２）．設(shè)置一臺小泵作為輔助泵，用于小流量時(shí)的供水；

（３）．供水壓力要求恒定，尤其在換泵時(shí)波動要小；

（４）．系統(tǒng)能自動可靠運(yùn)行，為方便檢修和應(yīng)急，應(yīng)具備手動功能；

（５）．各主泵均能可靠地實(shí)觀軟啟動；

（６）．具有完善的保護(hù)和報(bào)警功能；

（７）．系統(tǒng)要求較高的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行性能；

２，方案確定

確定供水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的基本依據(jù)是設(shè)計(jì)供水能力能滿足系統(tǒng)最不利

點(diǎn)用水需求，同時(shí)還需要結(jié)合用戶用水量交化類型，考慮方案適用性、節(jié)能性，

及其它技術(shù)要求。

根據(jù)用戶的用水時(shí)段特點(diǎn)，可將用戶用水量變化類型分為連續(xù)型、間歇型兩

大類，根據(jù)流量的變化特點(diǎn)，還可進(jìn)一步細(xì)分為高流量變化型，低流量變化型，

全流量變化型等。不同季節(jié)、不同月份，流量變化類型也會改變。

連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時(shí)候，或本身管網(wǎng)的正常泄漏就保持有

一定的流量。

間歇型指一天內(nèi)有多段用水低谷時(shí)間，流量很小或?yàn)榱恪?/span>

各種類型的水流量變化關(guān)系曲線如圖３—１。

流量０流量口

ｌＯＯ％

１００％

５０％５０％

ｔ（時(shí)）

２６８１２１４１６６８１０１４１８２４

ｔ（時(shí)

２４ｌＯ２０２２２４

３１２１６２２１８２０

ａ）

ｂ、

１４

第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

流量Ｑ

１００％

流量Ｑ

１００％

５０％

５０％

ｔ（時(shí)）

２４６８１２１４１６２２２４６

１０１８２０２８１２１８

４１０１４２０２２２４

１６

ｔ（時(shí)）

ｃ）

ｄ）

圖３－１用戶用水量變化類型

ｂ）連續(xù)型（高流量變化型）ａ）連續(xù)型（全流量變化型）

ｃ）連續(xù)型（低流量變化型）ｄ）間歇型

韶關(guān)學(xué)院學(xué)生公寓用水量主要集中早、晚兩個(gè)時(shí)間段，平時(shí)處于低流量狀態(tài)，

屬連續(xù)型低流量變化型。這類型用水需求在較長時(shí)間段表現(xiàn)為低流量，相對于設(shè)

計(jì)流量有較大的余量，采用變頻調(diào)速方式來實(shí)現(xiàn)低流量時(shí)的恒壓供水節(jié)能效果比

較明顯，與通常的工頻氣壓給水設(shè)備相比平均節(jié)能可達(dá)３０％。水泵變頻軟起動沖

擊電流小，也有利于電機(jī)泵的壽命，此外水泵在低速運(yùn)行時(shí)，噪聲小。

由于用水呈低流量變化型的特點(diǎn)，采用多臺水泵并聯(lián)供水，根據(jù)用水量大小

調(diào)節(jié)投入水泵臺數(shù)的方案。在全流量范圍內(nèi)靠變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和工頻泵的分級

調(diào)節(jié)相結(jié)合，使供水壓力始終保持為設(shè)定值。

多泵并聯(lián)代替一、二臺大泵單獨(dú)供水不會增加投資，而其好處是多方面的。

首先是節(jié)能，每臺泵都可以較高效率運(yùn)行，長期運(yùn)行費(fèi)用少；其二，供水可靠性

好，一臺泵故障時(shí)，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便；其三，小

泵起動電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺泵來配置變頻器容量，

減少投資。

處于供水低谷小流量或夜間小流量時(shí)，為進(jìn)一步減少功耗，采用一臺小流量

泵來維持正常的泄漏和水壓。

多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實(shí)現(xiàn)多泵分級調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，可選用編

程靈活、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小的ＰＬＣ通過編程來

實(shí)現(xiàn)。

供水系統(tǒng)的恒壓通過壓力變送器、ＰＩＤ調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)

控制。根據(jù)水壓的變化，由變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)恒壓。

為了減少對泵組、管道所產(chǎn)生的水錘，泵組配置電動蝶閥，先啟水泵后打開

電動碟閥，當(dāng)水泵停止時(shí)先關(guān)電動碟閥后停機(jī)。

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，系統(tǒng)中還配置了計(jì)算機(jī)和通信模塊。

綜合以上分析，確定以可靠性高、使用簡單、維護(hù)方便、編程靈活的工控設(shè)

備變頻器和ＰＬＣ作為主要控制設(shè)備來設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如

華南理Ｊ二大學(xué)碩士學(xué)位論文

圖３—２所示。

圖３—２系統(tǒng)構(gòu)成方案圖

３．２控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

３．２．１系統(tǒng)主要配置的選型

１．

水泵機(jī)組的選型

根據(jù)系統(tǒng)要求的總流量范圍、揚(yáng)程大小，確定供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)秒流量和設(shè)計(jì)供

第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表３．１水泵機(jī)組參數(shù)

主要性能參數(shù)

數(shù)

型號

量格

規(guī)

流量效率轉(zhuǎn)速電機(jī)功率

（ｍ３／ｈ）（％）（ｒ／ｍｉｎ）

揚(yáng)

程

（ｍ）

（ｋＷ）

１１２８８

８０７２１４５０５５１５０ＳＦＬｌ６０－２０×４３ＤＮｌ５０１６０

６６６８１９２

８０４８８．４

７５５６１４５０５．５５０ＳＦＬｌ２－１５×５１ＤＮ５０１２

６０５１１４．４

６６

主泵

機(jī)組

輔助

泵機(jī)

組

２．

變頻器的選型

（１）．

容量確定方法

依據(jù)所配電動機(jī)的額定功率和額定電流來確定變頻器容量。在一臺變頻器驅(qū)

動一臺電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變頻器容量（ｋＶＡ）應(yīng)同時(shí)滿足下列三式一，：

‰≥旦（ｋＶＡ）

ＬＤ

（３—１）

（３—２）

（３—３）

ｒ／ＣＯＳ妒

，知≥ｋｘ４３ＵＭＩＭ×１０。（ｋＶＡ）

Ｉｃｕ≥ｋｌＭ（Ａ）

式中，Ｒ一一負(fù)載所要求的電動機(jī)的輸出功率；

玎一一電動機(jī)的效率（通常在Ｏ．８５以上）；

ＣＯＳ艫一一電動機(jī)的功率因數(shù)（通常在Ｏ．８以上）：

‰～一電動機(jī)電壓（Ｖ）；

，。一一電動機(jī)工頻電源時(shí)的電流（Ａ）；

ｋ一一電流波形的修正系數(shù)，對ＰＷＭ方式，取１．０～１．０５；

斥。一一變頻器的額定容量（ＫＶＡ）；

ＩｃＮ～一變頻器的額定電流（Ａ）。

這三個(gè)式子是統(tǒng)一的，選擇變頻器容量時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足三個(gè)算式的關(guān)系，尤

其變頻器電流是一個(gè)較關(guān)鍵的量。

（２）．型號選擇

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

器，具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型ｕ／，控制變頻器，矢量控制高功能型變頻器。

供水系統(tǒng)屬泵類負(fù)載，低速運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩小，可選用價(jià)格相對便宜的ｕ，ｆ控制變

頻器。

綜合以上因素，系統(tǒng)選用專為風(fēng)機(jī)、泵用負(fù)載設(shè)計(jì)的普通功能型Ｕ／ｆ控制方

式的富士變頻器ＦＲＮ５５Ｐ１】Ｓ－４ＣＸ，變頻器內(nèi)置ＰＩＤ控制模塊，可用于閉環(huán)控制

系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

其主要參數(shù)及性能介紹如下。

①．主要參數(shù)

額定容量：８５（ｋＶＡ）：

額定輸出電流：１１２Ａ；

過載容量：１１０％額定輸出電流、１分鐘；

起動轉(zhuǎn)矩：５０％以上

適配電機(jī)容量：５５ＫＷ

②．

功能特點(diǎn)

風(fēng)機(jī)、泵等二次方遞減轉(zhuǎn)矩專用型變頻器；可選用自動和手動的轉(zhuǎn)矩提升功

第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基本指令：２７條；

功能指令：２９８條；

基本指令執(zhí)行時(shí)間：Ｏ．０８微秒；

通信功能：強(qiáng)；

輸出形式：繼電型；

輸出能力：２Ａ／點(diǎn)；

擴(kuò)展輸出模塊ＦＸ２Ｎ一１６ＥＹＲ有１６個(gè)輸出點(diǎn)

４．壓力變送器及數(shù)顯儀的選型

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

Ａ

Ｂ

Ｃ

圖３～３主電路圖

３．２．３控制電路設(shè)計(jì)

在控制電路的設(shè)計(jì)中，必須要考慮弱電和強(qiáng)電之間的隔離的問題。為了保護(hù)

ＰＬＣ設(shè)備，ＰＬＣ輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在ＰＬＣ輸出端口和

交流接觸器之間引入中間繼電器，通過中間繼電器控制接觸器線圈的得電，失電，

第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖３—４給出了供水系統(tǒng)的部份電氣控制線路圖。

圖３—４電氣控制線路圖

圖３—４中，ＳＡ為手動／自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，ＫＡ為手動，自動轉(zhuǎn)換用中間繼電器，

打在①位置為手動狀態(tài)，打在②位置ＫＡ吸合，為自動狀態(tài)。在手動狀態(tài)，通過

按鈕ＳＢＩ～ＳＢｌ４控制各臺泵的起停。在自動狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行ＰＬＣ的控制程序，

自動控制泵的起停。

中間繼電器ＫＡ的７個(gè)常閉觸點(diǎn)串接在四臺泵的手動控制電路上，控制四臺

泵的手動運(yùn)行。中間繼電器ＫＡ的常開觸點(diǎn)接ＰＬＣ的Ｘ０，控制自動變頻運(yùn)行程

序的執(zhí)行。在自動狀態(tài)時(shí)，四臺泵在ＰＬＣ的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運(yùn)行。

電機(jī)動電源的通斷，由中間繼電器ＫＡｌ～ＫＡ７控制接觸器ＫＭＩ～ＫＭ７的線圈

來實(shí)現(xiàn)。ＨＬＯ為自動運(yùn)行指示燈。ＦＲｌ、ＦＲ２、ＦＲ３、ＦＲ４為四臺泵的熱繼電器

的常閉觸點(diǎn)，對電機(jī)進(jìn)行過流保護(hù)。

３．２．４ＰＬＣ

Ｉ／Ｏ端子分配

表３—２Ｉ／Ｏ端子分配表

ＰＬＣ

功能注釋現(xiàn)場器件與接線端子ＩＯ地址

自動／手動功能轉(zhuǎn)換

變頻器輸出頻率極限信號變頻器Ｙ２端子

壓力下限到達(dá)信號遠(yuǎn)傳壓力表壓力上限電節(jié)點(diǎn)

中間繼電器ＫＡ常開觸點(diǎn)

華南理工人學(xué)碩士學(xué)位論文

輸遠(yuǎn)傳壓力表壓力下限電節(jié)點(diǎn)壓力上限到達(dá)信號

水池水位下限信號水池水位下限信號（缺水）

變頻器輸出報(bào)警繼電器３０Ａ變頻器故障報(bào)警信號

ＦＲｌ常開觸點(diǎn)ｌ＃電機(jī)過載信號

入

Ｘ３

Ｘ４

Ｘ５

Ｘ６

Ｘ７

Ｘ１０

Ｘ１１

Ｘ１２

Ｘ１３

Ｘ１４

Ｘ１５

Ｘ１６

Ｘ１７

Ｙ０

Ｙ１

Ｙ２

第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

３．２．５

變頻器接線及功能設(shè)定

表３—３變頻器接線及功能設(shè)定

陵頻器

現(xiàn)場器件與接線端子注釋

端子

功能

參數(shù)

預(yù)置代碼

啟動／停止變頻運(yùn)行ＰＬＣ的Ｙ０端子

ＰＬＣ的ＣＯＭ

ＦＷＤ

ＣＭ

Ｘ１Ｅ０１７

ＹｌＥ２００

Ｙ２Ｅ２１１

Ｙ４Ｅ２３７

３０Ａ

３０Ｃ

ＰＬＣ的Ｙ１６端子

ＫＡ２０線圈變頻器運(yùn)行指示

ＰＬＣ的Ｘ１端子

ＫＡ２ｌ線圈

ＰＬＣ的Ｙ１６動作，自由停車ＢＸ

頻率極限信號輸出

變頻器過載報(bào)警指示

變頻器故障總報(bào)警信號

接公共端ＰＬＣ的ＣＯＭ端

蘭亙堡三查堂堡主蘭售堡蘭

３．３

ＰＬＣ控制程序的設(shè)計(jì)

３．３．１全自動變頻。厘壓運(yùn)行方式水泵運(yùn)行狀態(tài)及轉(zhuǎn)換過程分析

１．

轉(zhuǎn)換過程分析

啟動自動變頻運(yùn)行方式時(shí)，首先起動輔助穩(wěn)壓泵工頻運(yùn)行供水，當(dāng)用水量大，

超過輔助泵最大供水能力而無法維持管道內(nèi)水壓時(shí)，延時(shí)１分鐘ＰＬＣ通過變頻器

啟動Ｉ號主水泵供水，同時(shí)關(guān)閉輔助泵的運(yùn)行。在１號主水泵供水過程中，變頻

器根據(jù)水壓的變化通過ＰＩＤ調(diào)節(jié)器調(diào)整１擇主水泵的轉(zhuǎn)速來控制流量，維持水壓。

若用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率時(shí)，仍達(dá)不到設(shè)定壓力，延時(shí)

分鐘，由ＰＬＣ給出控制信號，將１號主水泵與變頻器斷開，轉(zhuǎn)為工頻恒速運(yùn)行，

同時(shí)變頻器對２號主水泵軟啟動。系統(tǒng)工作于Ｉ號工頻、２號變頻的兩臺水泵并

聯(lián)運(yùn)行的供水狀態(tài)。若用水量繼續(xù)增加，兩水泵也不能滿足水壓要求時(shí)，將按上

述過程繼續(xù)增開水泵臺數(shù)……直到滿足水壓要求。整個(gè)加泵過程中，總是保證原

第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表３—４系統(tǒng)供水狀態(tài)

狀態(tài)符號供水狀態(tài)

ＳＯ

Ｓ２０

Ｓ２ｌ

Ｓ２２

￥２３

￥２４

Ｓ２５

￥２６

￥２７

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３．狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件

供水狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換條件是依據(jù)變頻器輸出頻率是否到達(dá)極限頻率及水壓是

否達(dá)到上、下限值。設(shè)變頻器輸出頻率達(dá)到極限頻率時(shí)的信號為ｘｌ，水壓達(dá)到設(shè)

定壓力下限值時(shí)的欠壓信號為Ｘ２，水壓達(dá)到設(shè)定壓力上限值時(shí)的超壓信號為Ｘ３。

從輔助泵切換到主泵條件：滿足Ｘ２；

從主泵切換到輔助泵條件：同時(shí)滿足ｘｌ、Ｘ３：

增泵條件：同時(shí)滿足ｘ１、Ｘ２，

減泵條件：同時(shí)滿足ｘ１、Ｘ３；

４．狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程的實(shí)現(xiàn)方法

從輔助泵切換到主泵只需斷丌輔助泵的供電，同時(shí)用變頻器以起始頻率起動

一臺主泵的運(yùn)行即可：

從主泵切換到輔助泵只需將主泵和變頻器的輸出斷開，同時(shí)將輔助泵直接投

第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)，快速切換。這種方法十分有效，可靠，對于１００

ｋＷ以上的大容量電機(jī)一般

要求采用這一方法ｃ１２］。

（３）．利用變頻器的自由停車指令ＢＸ來實(shí)現(xiàn)的快速滅磁法。這一方法的實(shí)質(zhì)是

通過定子繞組中和變頻器逆變橋上的續(xù)流二極管組成的回路來達(dá)到快速滅磁的目

的ｎ”。其動作順序是，在電機(jī)從變頻器斷開前，ＰＬＣ的Ｙ１６給出動作信號，變頻

器ＸＩ端子功能生效，自由停車命令ＢＸ生效，變頻器立即停止輸出，經(jīng)短暫延

時(shí)（約５００ｍｓ）””滅磁后，將電機(jī)從變頻器斷開，并立即投入電網(wǎng)。這種方法簡

單有效、控制方便，本次設(shè)計(jì)中采用了這一方法。

３．３．２

ＰＬｃ程序設(shè)計(jì)方法

１．ＰＬＣ編程語言

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

（２）．梯形圖是ＰＬＣ形象化的編程方式，其左右兩側(cè)母線并不接任何電源，因

而圖中各支路也沒有真實(shí)的電流流過。但為了讀圖方便，常用“有電流”、“得電”

等來形象地描述用戶程序解算中滿足輸出線圈的動作條件，它僅僅是概念上虛擬

的“電流”，而且認(rèn)為它只能由左向右單方向流；層次的改變也只能自上而下。

（３）．梯形圖中的繼電器實(shí)質(zhì)上是變量存儲器中的位觸發(fā)器，相應(yīng)某位觸發(fā)器

為…１’態(tài)，表示該繼電器線圈通電，其動合觸點(diǎn)閉合，動斷觸點(diǎn)打開，反之為“０

態(tài)”。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電器線圈外，

還包括定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器、狀態(tài)器等的線圈以及各種比較、運(yùn)算的結(jié)

果。

（４）．梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應(yīng)與右母線直接相連，線圈的

右邊不能有觸點(diǎn)，而左邊必須有觸點(diǎn)。

（５）．繼電器線圈在一個(gè)程序中不能重復(fù)使用；而繼電器的觸點(diǎn)，編程中可以

第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

順序掃描的工作方式簡單直觀，它簡化了程序的設(shè)計(jì)，并為ＰＬＣ的可靠運(yùn)行

提供了非常有用的保證。一方面，掃描到的指令被執(zhí)行后，其結(jié)果馬上就可以被

將要掃描到的指令所利用。另一方面，還可以通過ＣＰＵ設(shè)置的定時(shí)器來監(jiān)視每次

掃描是否超過規(guī)定的時(shí)間，從而避免了由于ＣＰＵ內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)

而造成故障的影響

ＰＬＣ的工作過程就是程序執(zhí)行過程。它分為三個(gè)階段進(jìn)行，即輸入采樣階段，

程序執(zhí)行階段，輸出刷新階段，如圖３—６所示ｃ１４

３。

ＹＯ

Ｙｌ

Ｙ２

輔助繼電器

圖３—６ＰＬＣ的掃描過程示意圖一

（１）．

輸入采樣階段

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當(dāng)程序執(zhí)行完后，進(jìn)入輸出刷新階段。此時(shí)，將元素映像寄存器中所有輸出

繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)存到輸出鎖存電路，再去驅(qū)動用戶輸出設(shè)備（負(fù)載），這才是ＰＬＣ

的實(shí)際輸出。

ＰＬＣ重復(fù)地執(zhí)行上述三個(gè)階段，每重復(fù)一次的時(shí)間就是一個(gè)工作周期（或掃描

周期）。工作周期的長短與程序的長短（即組成程序的語句多少）、指令的種類和

ＣＰＵ執(zhí)行的速度有很大關(guān)系。一般說柬，一個(gè)掃描過程中，執(zhí)行指令的時(shí)間占了

絕大部分。

ＰＬＣ在每次掃描中，對輸入信號采樣一次，對輸出刷新一次。這就保證了ＰＬＣ

第二章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖３－－７

ＰＬＣ控制程序主流程

１．系統(tǒng)初始化模塊

在初始化模塊中設(shè)置通信用數(shù)據(jù)寄存器Ｄ８１２０、Ｄ８１２１、Ｄ８１２９的通信參數(shù)，

具體設(shè)置程序見論文４．３節(jié)：置標(biāo)志Ｍ６＝１，在自動運(yùn)行時(shí)，首先起動輔助泵進(jìn)

入ＳＯ狀態(tài)；置標(biāo)志Ｍ０＝１，保證輔助泵運(yùn)行狀態(tài)ＳＯ首次轉(zhuǎn)入主泵運(yùn)行狀態(tài)￥２０。

初始化過程通過Ｍ８００２產(chǎn)生的初始化脈沖來完成。

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

輔助泵轉(zhuǎn)主泵運(yùn)行是指由輔助泵供水，水壓達(dá)到壓力下限時(shí)，延時(shí)１分鐘，

關(guān)閉輔助泵，用變頻器啟動一臺主泵運(yùn)行的過程。即由狀態(tài)ｓＯ轉(zhuǎn)入￥２０（或￥２１、

￥２２）的過程。具體起動哪一臺主泵，進(jìn)入哪一種狀態(tài)，要依據(jù)其上一個(gè)狀態(tài)，

按有效狀態(tài)循環(huán)法的原則來操作。在編程時(shí)，以輔助繼電器Ｍ３、Ｍ２、Ｍ１作為

￥２０、￥２１、￥２２狀態(tài)的轉(zhuǎn)入標(biāo)志，三者按循環(huán)方式動作，保證￥２０、ｓ２ｌ、￥２２狀

態(tài)的循環(huán)。

３．增加主泵的狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊

增加主泵是將當(dāng)前主泵由變頻轉(zhuǎn)工頻，同時(shí)變頻起動一臺新水泵的切換過程。

當(dāng)變頻器輸出上限頻率，水壓達(dá)到壓力下限時(shí)，延時(shí)１分鐘，ＰＬＣ給出控制信號，

ＰＬＣ的Ｙ１６得電，變頻器的ｘ１端子對ＣＭ短接，變頻器的自由停車指令ＢＸ生

效，切斷變頻器輸出，延時(shí)５００ｍｓ（滅磁作用）后，將主水泵與變頻器斷開，延

時(shí)１００ｍｓ（防止變頻器輸出對工頻短路），將其轉(zhuǎn)為工頻恒速運(yùn)行，同時(shí)ＰＬＣ的

第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

５．遠(yuǎn)程手動控制通信模塊

初始化模塊中設(shè)置好ＰＬＣ和上位機(jī)的通信協(xié)議后，在ＰＬＣ程序執(zhí)行過程中，

當(dāng)接收到上位機(jī)的遠(yuǎn)程手動控制命令置Ｍ５Ｍ４＝１０時(shí)，ＰＬＣ程序自動轉(zhuǎn)入遠(yuǎn)程手

動控制運(yùn)行方式，接收水泵運(yùn)行狀態(tài)控制字。當(dāng)接收到命令置Ｍ５Ｍ４＝０１時(shí)，先

停止全部水泵的運(yùn)行，延時(shí)后重新轉(zhuǎn)入全自動恒壓變頻運(yùn)行方式。

６．故障處理模塊

對變頻器故障、熱繼電器動作、空氣開關(guān)跳開、水位過低等故障給出聲光報(bào)

警，并做出相應(yīng)的故障處理。

（１）．欠水位故障

進(jìn)入狀態(tài)￥３０，停止全部的電機(jī)運(yùn)行，防止水泵空轉(zhuǎn)。當(dāng)欠水位信號解除后，

延時(shí)一段時(shí)間，自動進(jìn)入ＳＯ狀態(tài)。

（２）．變頻器故障

變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，對應(yīng)ＰＬＣ輸入繼電器Ｘ５動作，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入自動工頻

華南理工人學(xué)碩十學(xué)位論文

１．模擬ｐＩＤ控制及算法

ＰＩＤ控制器是一種線性控制器，它是對給定值，（ｆ）和實(shí)際輸出值ｙ（ｆ）之間的偏

差ｅ（ｔ）；

Ｐ（，）＝），（，）一，（，）（３—４）

經(jīng)比例（Ｐ）、積分（Ｉ）和微分（Ｄ）運(yùn)算后通過線性組合構(gòu)成控制量“（ｆ），對被控對象進(jìn)

行控制，故稱ＰＩＤ控制器“ｓ“１

系統(tǒng)由模擬ＰＩＤ控制器和被控對象組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖３—９。

圖３—９ＰＩＤ控制原理框圖

圖中ｕ（ｔ）為ＰＩＤ調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)量。

ＰＩＤ控制規(guī)律為

ｙ（『）＝耳ｆ哪）＋專昏（ｒ礎(chǔ)＋％警ｆ

相應(yīng)地傳遞函數(shù)形式

（ｓ—ｓ）

式（３—５）中，鬈，一一比例系數(shù)；■一一積分時(shí)間常數(shù)；％一一微分時(shí)間常數(shù)。

Ｇ㈤＝器＝Ｋｅ（１＋去哪）

ＰＩＤ控制器各環(huán)節(jié)的作用及調(diào)節(jié)規(guī)律如下：

第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分環(huán)節(jié)主要用來控制被調(diào)量的振蕩，減小超調(diào)量，加快

系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的動態(tài)特性。但過大的Ｌ對于干擾信號的抑制能力卻將

減弱。

ＰＩＤ的三種作用是相互獨(dú)立，互不影響。改變一個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，只影響一種調(diào)

節(jié)作用，不會影響其他的調(diào)節(jié)作用。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)來說，單獨(dú)使用一神

控制規(guī)律都難以獲得良好的控制性能。如果能將它們的作用作適當(dāng)?shù)呐浜希梢?/span>

使調(diào)節(jié)器快速，平穩(wěn)、準(zhǔn)確的運(yùn)行，從而獲得滿意的控制效果。

２．?dāng)?shù)字ＰＩＤ控制算法

自從計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以來，用數(shù)字計(jì)算機(jī)代替模擬調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)ＰＩＤ控

制算法具有更大的靈活性和可靠性。數(shù)字ＰＩＤ控制算法是通過對式（３—５）離散化

來實(shí)現(xiàn)的。

用一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)ｎ丁代表連續(xù)時(shí)間，用矩形法數(shù)值積分近似代替連續(xù)系

統(tǒng)的積分，以一階后向差分近似代替連續(xù)系統(tǒng)的微分，得到ＰＩＤ位置控制算法表

達(dá)式：

ｒ

個(gè)ｎ個(gè)

１

咖）２砟｛砌）＋毒丟町）＋等ｋ（”）托印－１’］｝

ｅ（ｎ～１）一一第（ｔ１．一１）時(shí)刻的偏差信號，ｙ（ｎ）一一第１１．時(shí)刻的控制量

（３—７）

式（３—７）中，ｒ～一采樣周期，ｎ一一采樣序號，８（，１）一一第ｎ時(shí)刻的偏差信號，

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

ＱＧ和用水需求Ｑｕ之間不能平衡時(shí)，必然引起壓力的變化。因此，可根據(jù)壓力的

變化，柬實(shí)現(xiàn)對供水流量的調(diào)節(jié)，維持供水能力ＱＧ和用水需求Ｑｕ之間的平衡。

在供水系統(tǒng)中，變頻器、ＰＩＤ調(diào)節(jié)器、壓力變送器、電機(jī)、水泵等構(gòu)成了一

個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以對供水能力實(shí)現(xiàn)有效的自動調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。其

實(shí)現(xiàn)方法是，首先據(jù)用戶對水壓的要求，給ＰＩＤ調(diào)節(jié)器預(yù)置一個(gè)目標(biāo)壓力值，管

道中的實(shí)際水壓，經(jīng)壓力變送器轉(zhuǎn)換成４－２０ｍＡ的模擬電流信號反饋給變頻器內(nèi)

置的ＰＩＤ調(diào)節(jié)器，ＰＩＤ調(diào)節(jié)器根據(jù)目標(biāo)壓力值和實(shí)際壓力值的偏差，給出調(diào)節(jié)量，

自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使供水量適應(yīng)用水量的變化，取得動

態(tài)平衡，維持水壓不變。其具體調(diào)節(jié)過程如下ｎ”：

（１）．穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

當(dāng)供水能力ＱＧ＝用水需求Ｑ“，目標(biāo)壓力信號，和壓力反饋信號ｙ相等，偏差

ｅ＝Ｙ一，＝０，ＰＩＤ輸出的控制增量Ａｕ＝０，變頻器輸出頻率不變，水泵轉(zhuǎn)速不變。

處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。如圖３—１０中的０～ｔ１段。

（２）．用水量增加時(shí)

當(dāng)用水量增加，用水需求Ｑｕ＞供水能力Ｑｏ，水壓下降，壓力反饋信號ｙ減

第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

３．４．３變頻器ＰＩＤ控制功能參數(shù)設(shè)置

變頻器ＰＩＤ控制功能代碼有Ｈ２０、Ｈ２１、Ｈ２２、Ｈ２３、Ｈ２４、Ｈ２５共６個(gè)，通

過對功能代碼的設(shè)定來保證合理的ＰＩＤ運(yùn)行ｍ·［２１

３。

ｉ．

Ｐｆ０模式預(yù)置

變頻器輸出頻率

Ｈ２０用以設(shè)置ＰＩＤ模式。

設(shè)定值０：不動作；ｌ：正動作：２：反運(yùn)行。

其關(guān)系如圖３—１１。

在供水系統(tǒng)中，當(dāng)壓力增大（即用水量減少），

霎

水泵的轉(zhuǎn)速應(yīng)下降，即變頻器輸出頻率與被控量（水

壓）的變化趨勢相反，所以選取模式２。

圖３—１１

ＰＩＤ模式

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

（１）．抑制超調(diào)

增大Ｈ２３（積分時(shí)間），減小Ｈ２４（微分時(shí)間），

（２）．允許小量超調(diào)前提下加快響應(yīng)速度

減小Ｈ２３（積分時(shí)間），增大Ｈ２４（微分時(shí)間），

如圖３—１２：ｂ）。

（３）．抑制比Ｈ２３（積分時(shí)間）長的周期性振蕩

增大Ｈ２３（積分時(shí)間），如圖３—１２：ｃ）。

（４）．抑制大約和Ｈ２４（微分時(shí)Ｎ）Ｎ樣長周期的振蕩

減小Ｈ２４（微分時(shí)間）。設(shè)定０時(shí)，若仍有振蕩時(shí)，減小Ｈ２２（增益），如圖３—

１２：ｄ１。

如圖３—１２：ａ）。

響應(yīng)

‘Ａ％－－■

Ｉ－砒剛

ａ１

。

‘Ｌ廠＿量廂

八

ｂ）

響應(yīng)

ｒｘ二峋

肛二螂螂

響應(yīng)

‘廣—胡蔓前

第三章變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

３．５系統(tǒng)可靠性措施

系統(tǒng)中采用的工控設(shè)備變頻器和ＰＬＣ均具有抗干抗能力強(qiáng)，可靠性好的特

點(diǎn)。但作為一個(gè)完整的系統(tǒng)，應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場，還是有必要考慮加強(qiáng)抗干擾措施，

保證運(yùn)行的穩(wěn)定性ｅ

ｌ、

變頻器和ＰＬＣ應(yīng)安裝于專門的控制柜中，但一定要保證良好的通風(fēng)環(huán)

境和散熱，ＰＬＣ四周留有５０ｍｍ以上的凈空間。環(huán)境溫度最好控制在４５℃以下，

相對濕度在５—９０％，盡量不要安裝在多塵、有油煙、有導(dǎo)電灰塵、有腐蝕性氣體、

振動、熱源或潮濕的地方。

２、

控制柜和水泵現(xiàn)場距離不要太遠(yuǎn)，尤其是遠(yuǎn)傳壓力表至變頻器的

４～２０ｍＡ電流信號和至ＰＬＣ的壓力上、下限開關(guān)量信號的傳輸電纜要盡可能短，

而且要盡量遠(yuǎn)離那些會產(chǎn)生電磁干擾的裝置。

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

體內(nèi)容概括如下：

１．變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)由ＰＬＣ、變頻器、遠(yuǎn)傳壓力表、３臺主水泵

機(jī)組、１臺輔助泵機(jī)組、控制柜等組成，采用一臺變頻器分時(shí)控制３臺主水泵的

起動、調(diào)速和運(yùn)行。

２．

控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括了設(shè)備選型、主電路設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)及

ＰＬＣ的Ｉ，Ｏ端子分配、變頻器接線及功能設(shè)定等。電路設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了水泵電

機(jī)變頻運(yùn)行和工頻運(yùn)行間的互鎖關(guān)系。

３．

分析了多泵供水方式的運(yùn)行狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，由遠(yuǎn)傳壓力表給出

的上、下極限水壓信號作為水泵切換的條件，實(shí)現(xiàn)水泵的分級調(diào)節(jié)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換遵

第四章遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第四章

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通過ＰＬＣ控制可以實(shí)現(xiàn)全自動變頻恒壓供水，但由于ＰＬＣ處于現(xiàn)場控制，

管理人員不能及時(shí)了解現(xiàn)場情況，而且人機(jī)交互性差，為彌補(bǔ)這一不足，開發(fā)了

一套遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控水泵站運(yùn)行狀況，必要時(shí)可對水泵進(jìn)行

遠(yuǎn)程手動控制，從而提高故障應(yīng)急處理能力，保障了供水的可靠性，進(jìn)一步提升

了管理水平。

４．１

監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成

１．系統(tǒng)構(gòu)成方案

監(jiān)控系統(tǒng)采取上、下位機(jī)的方式，是上位機(jī)采用計(jì)算機(jī)，主要任務(wù)是獲取現(xiàn)

場水泵、變頻器等運(yùn)行狀況信息，完成實(shí)時(shí)顯示，并對故障及時(shí)報(bào)警；下位機(jī)為

ＦＸ２Ｎ一３２ＭＲＰＬｃ，其任務(wù)是恒壓供水。

ＦＸ２Ｎ系列ＰＬＣ內(nèi)部有一個(gè)ＲＳ一２３２接口，通過適配電纜可和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通

信。考慮到距離較遠(yuǎn)，應(yīng)選用ＲＳ－－４８５通信方式。為此在ＰＬＣ和計(jì)算機(jī)之間增

加擴(kuò)展的通信模塊ＲＳ一２３２Ｃ／４８５變換接口Ｆｘ一４８５Ｐｃ一１Ｆ、ＲＳ－－４８５通信適配

器ＦＸｏＮ－－４８５ＡＤＰ和ＲＳ一４８５通信用功能擴(kuò)展板ＦＸ２Ｎ—ＣＮＶ—ＢＤ。其中擴(kuò)展板

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

計(jì)算機(jī)

信號名稱什號信號名稱什號

ｓＤｆｆｘａ））

ＲＤ（ｍ）

ＲＳ啊耶１

ＣＳＣｃ２Ｔ￥）Ｓ

２

二≥—＜

ｍ）ａ㈣

ｓＤ（ｒｘＤ）２

３

８

６

５Ｓａ

４

ＤＲ（ｑ）ＳＲ）ＤＲ（ＩⅪ鼬

Ⅱ呵非）

＼，／

／／＼

＝＞—＜

ａｓ（ｍｓ）

Ｃｓ（ｃｒｓ）

６

７

∞

ＩⅡＲ（ＩＹｒＲ）

∞

圖４—２ＲＳ一２３２Ｃ與Ｆｘ一４８５Ｐｃ—ＩＦ硬件鏈線ｍ

第四章遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

４．２

ＦＸ系列ＰＬＣ通信協(xié)議

計(jì)算機(jī)與ＰＬＣ之間采用主從應(yīng)答方式，計(jì)算機(jī)始終具有初始傳送優(yōu)先權(quán)，根

據(jù)需要向ＰＬＣ發(fā)出讀寫命令；ＰＬＣ處于被動狀態(tài)響應(yīng)上位機(jī)的命令。上位機(jī)讀數(shù)

據(jù)時(shí)通過通信口向ＰＬＣ發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，ＰＬＣ響應(yīng)命令并將數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)，上

位機(jī)通過讀通信口即可獲得所需數(shù)據(jù)；寫數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)通過通信口向ＰＬＣ發(fā)出

寫命令及數(shù)據(jù)，ＰＬＣ即可接收。當(dāng)ＰＬＣ沒能正確響應(yīng)時(shí)，ＰＬＣ返回沒能正確響應(yīng)

標(biāo)志。此外ＰＬＣ通信模塊還有其它命令代碼，上位機(jī)發(fā)出不同的命令，ＰＬＣ便能

做出相應(yīng)的響應(yīng)””。

為了使計(jì)算機(jī)和ＰＬＣ建立起正確的通信，必須對ＰＬＣ的特殊寄存器作相應(yīng)

的設(shè)置。Ｄ８１２０用來設(shè)置數(shù)據(jù)長度、校驗(yàn)形式、波特率和協(xié)議方式，即設(shè)置計(jì)算

機(jī)與ＰＬＣ的通信格式，數(shù)據(jù)寄存器Ｄ８１２０的通信格式定義如表４—１所示：Ｄ８１２１

用來設(shè)置站號，２位的１６進(jìn)制數(shù)，設(shè)置范圍為００Ｈ一０ＦＨ；Ｄ８１２９用來設(shè)置校驗(yàn)

時(shí)間，校驗(yàn)時(shí)間指的是當(dāng)從計(jì)算機(jī)向ＰＬＣ傳送數(shù)據(jù)失敗時(shí)，計(jì)算機(jī)從傳送開始至

接收最后一個(gè)字符所等待的時(shí)間，其單位為１０ｍｓ。

計(jì)算機(jī)與ＰＬＣ的通信協(xié)議有多種格式，設(shè)計(jì)中采用的協(xié)議格式如下”ｅ

Ｊ．

（１）．計(jì)算機(jī)從ＰＬＣ讀取數(shù)據(jù)

習(xí)

手

舀Ｓｐｅｃｉｆｅｓ

５ｃｈｅｍｃｔｍ）Ｉ曼懶

Ｈｅａｄｄｅｖｉｃｅ

ＩＮ‘＿帕Ⅳ耐

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Ｔ黼ｈｅｒｅｌｂｒｅ

Ｐｌ×ｌＩ．ＩＩ×ｌ

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１０ｌ兮

ＩｘＩ■

瑚

Ｉ。Ｉ三ｌ等

＊

圖４—５計(jì)算機(jī)從ＰＬＣ讀取數(shù)據(jù)協(xié)議格式

（２）．計(jì)算機(jī)向?qū)憯?shù)據(jù)

蚓制鞫篙茹ｌ燃Ｉ黧陲

慕

磊

圖４—６計(jì)算機(jī)向ＰＬＣ寫入數(shù)據(jù)協(xié)議格式

表４—１

Ｄ８１：２０通信格式定義表ｍ

功說明

能

位號名稱

ｂ０

位為ＯＦＦ（＝ｏ）

數(shù)據(jù)長度

（ｂ２，ｂ１）ｔ

位為０Ｍ一１）

８位７位

ｂｌ

ｂ２

奇偶

（Ｏ．Ｏ）：無

（ｏ，１）ｔ奇

（１．１）：儡

ｂ３

停止位１位

（ｂ７．ｂ６．ｂ５．ｂ４）：

（０，０，ｌ，Ｄ１３００

（０．１．１，ｏ）１２４００

（Ｄ。１。１．１）１４８００（Ｏ，１ｔｏ，Ｏ）１６００

２位

ｂ４

ｂ５

ｂ６

ｂ７

波特率（ｂｉｔ／ｓ）

（Ｏ，１，０．１）：１２００（１．０．０．０）１９６００

（１，Ｏ．０．１）：１９２００

ｂ８０

ｂ９０

標(biāo)茸無

終結(jié)符無

（ｂ１２，ｂｌｌ，ｂ１０）：

有赦（Ｄ８１２４）默認(rèn)；ＳＴＸ（０２Ｈ）

有效（Ｄ８１２５）默認(rèn)ＩＥＦＸ（０３Ｈ）

無協(xié)議（ｏ．１，ｏ）Ｉ互燕攥式＜Ｒｓ２３２Ｃ接口＞

ｂ１０

ｂ１１

ｂ１２

（ｏ，０．ｏ）‘元作用＜ＲＳ２３２Ｃ接口）

（ｏ．０，１）：靖子模式（Ｒ或３２ｃ接口＞

控制墁

（ｏ，１．】），普通模式ｌ（Ｒ＆３２Ｃ接口，ｔ＜Ｒｓ４８ｆ“船，接

口》ｏ

（１．０．１）：普通模式２（ＲＳ２３２Ｃ接口》

（ｂ１２＇ｂ１１．ｂ１０）

計(jì)算機(jī)鏈接Ｃ０－０·０）ｌＲＳ４８５（４２２）接口

（０，１．０）ｌＲＳ２３２Ｃ接口

ｂｌ護(hù)和校驗(yàn)最有捺加和控驗(yàn)再自動添加校驗(yàn)碼

ｂ１４０

ｂ１５０

協(xié)議無協(xié)議專用協(xié)議

傳翰控制排議協(xié)議格式１協(xié)議格式４

注ｏ。當(dāng)使用計(jì)算機(jī)與ＰＬＣ毯接時(shí)，鼉“ｏ’．

第四章遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“站號”應(yīng)和要進(jìn)行通信操作的ＰＬＣ方的Ｄ８１２ｌ設(shè)置的站號一致；

“ＰＣ號”指ＦＸ系列ＰＬＣ的ＣＰＵ代號，為ＦＦＨ；

“等待延時(shí)”范圍為０—１５０毫秒，單位為１０ｍｓ，以十六進(jìn)制ＯＨ．ＦＨ表示，如

１００ｍｓ為ＡＨ。

“字符塊”指要操作的ＰＬＣ內(nèi)部軟元件單元，可以是位元件，也可是字元件。

“和校驗(yàn)”是指將信息幀中從“站號”到“字符塊”的每一項(xiàng)ＡＳＣＩＩ碼值求

和后的十六進(jìn)制數(shù)的低兩位。

計(jì)算機(jī)與ＰＬＣ之間通信數(shù)據(jù)均以十六進(jìn)制的ＡＳＣＩＩ碼表示。通信中的主要控

制字符的ＡＳＣＩＩ碼及其含義見表４—３。

表４—３控制字符的ＡＳＣＩＩ碼及其含義表

控制字符含義

ＥＮＱ

ＡＣＫ

ＮＡＫ１５Ｈ

ＳＴＸ０２Ｈ

ＥＴＸ０３Ｈ

ＡＳＣＩＩ碼

０５Ｈ

０６Ｈ

來自計(jì)算機(jī)的查詢信號

無校驗(yàn)錯(cuò)誤時(shí)，ＰＬＣ對ＥＮＱ的應(yīng)答信號

檢測到錯(cuò)誤時(shí)，ＰＬＣ對ＥＮＱ的應(yīng)答信號

信息幀起始標(biāo)志

信息幀結(jié)束標(biāo)志

４．３通信程序設(shè)計(jì)

４．３．１

ＰＬＯ通信程序設(shè)計(jì)

ＰＬＣ通信程序設(shè)計(jì)只須對Ｄ８１２０、Ｄ８１２０和Ｄ８１２９三個(gè)特殊功能寄存器的

內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，確定通信格式和通信協(xié)議即可。在設(shè)計(jì)中，選擇的通信參數(shù)為波

特率９６００，偶校驗(yàn)，７位數(shù)據(jù)，１位停止位，站號為ｌ，校驗(yàn)時(shí)間１０ｍｓ。其梯形

圖如圖４—７。

哪

嘞

…

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

４．３．２計(jì)算機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

１．

開發(fā)工具的選擇

Ｖｉｓｕａｌ

Ｂａｓｉｃ

本次設(shè)計(jì)選擇Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ６．０（以下簡稱ＶＢ）作為上位機(jī)軟件開

發(fā)平臺。ＶＢ是Ｗｉｎｄｏｗｓ環(huán)境下簡單、高效的可視化編程語言開發(fā)系統(tǒng)，不但具

有良好的界面設(shè)計(jì)能力，而且還提供了具有強(qiáng)大功能的通信控件Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ

ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ

６．０（以下簡稱ＭＳＣｏｍｍ控件）。該控件支持二進(jìn)制數(shù)據(jù)或

ＡＳＣＩＩ碼數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，可對串口狀態(tài)及串口通信的信息格式進(jìn)行設(shè)置。用

戶只需在自己的程序中嵌入ＭＳＣｏｍｍ控件，即可方便地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與ＰＬＣ的通

信。每個(gè)ＭＳＣｏｍｍ控件對應(yīng)一個(gè)串行口。

ＭＳＣｏｍｍ控件提供了兩種處理通信的方式：一是事件驅(qū)動方式，一是查詢方

式‘２８

Ｊ【２”。

（１）．事件驅(qū)動方式ＯｎＣｏｍｍ事件是ＭｓｃＯＭＭ控件提供的唯一的事件，

第四章遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

表４—４ＭＳＣｏｍｍ控件的屬性

ＣｏｍｍＰｏｒｔ

設(shè)置井返回通信端口號，類型為Ｉｎｔｅｇｅｒ。

以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗(yàn)．?dāng)?shù)據(jù)位，

Ｓｅｔｔｉｎｇｓ

停止位，類型為Ｓｔｒｉｎｇｓ

設(shè)置并返回通信端口的狀態(tài)，也可打開和關(guān)閉端口，類型

ＰｏｒｔＯｐｅｎ

為Ｂｏｏｌｅａｎ

從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，類型為Ｖａｒｉａｎｔ

向傳輸緩沖區(qū)寫一個(gè)字符串，類型為Ｖａｒｉａｎｔ

設(shè)置為某一定值，每當(dāng)接收緩沖區(qū)收到該定值個(gè)字符時(shí)，

都會使ＭＳＣｏｍｍ控件產(chǎn)生ＯｎＣｏｍｍ事件。

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

ＰｒｉｖａｔｅＳｕｂＴｉｍｅｔ

１＿Ｔｉｍｅｒ（）

ＭＳＣｏｍｍｌ．ＩｎＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ＝０

’清空接收緩沖區(qū)

ｒｅａｄＳ＝Ｃｈｒ（５、４－”００ＦＦＷＲＯＹ０００００２４０”

’向０號站發(fā)送命令，以字節(jié)方式讀取ＰＬＣ內(nèi)Ｙ００一Ｙ３７的數(shù)據(jù)字符串

。等待時(shí)間ｌＯＯｍｓ

ＭＳＣｏｍｍｌ．Ｏｕｔｐｕｔ＝ｒｅａｄｓ

ＤＯ

ＤｏＥｖｅｎｔｓ

Ｌｏｏｐ

Ｕｎｔｉｌ１．ＩｎＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ＞＝９

ＭＳＣｏｍｍ

’向ＰＬＣ發(fā)送命令字符串

ＲｅａｄＡｎｓｗｅｒ￥＝ＭＳＣｏｍｍｌ．Ｉｎｐｕｔ

’讀取接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)

ＥｎｄＳＵｂ

ＰｒｉｖａｔｅＳｕｂ

Ｃｍｄｓｔａｒｔ—Ｃｌｉｃｋ（）

ＭＳＣｏｍｍｌ．ＩｎＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ＝０

１清接收緩存

ＢＷ￥＝”００”４－”ＦＦ”＋”ＢＷ”＋”０”＋”Ｙ０００１”＋”０７”＋ＣｍｄＤａｔａ￥

’向０號站發(fā)送命令，將手動控制字ＣｍｄＤａｔａ￥以ＰＬＣ通信控制格式

的“位寫”方式賦給字符串ＢＷ￥

第四章遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖４—８啟動界面

２．系統(tǒng)組成模塊

介紹變頻恒壓供水系統(tǒng)中的主要設(shè)備及系統(tǒng)組成框圖，通過按鈕可查看系統(tǒng)

中各設(shè)備型號和主要參數(shù)，如圖４—９。

圖４－ｇ系統(tǒng)組成模塊

３．運(yùn)行方式控制模塊

該模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動運(yùn)行方式與遠(yuǎn)程手動控制方式的切換及完成遠(yuǎn)程手

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

４．工作狀態(tài)顯示模塊

在該模塊中顯示整個(gè)供水系統(tǒng)運(yùn)行狀況，其中水泵機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，圖４—

１１中對應(yīng)指示燈呈現(xiàn)紅色，如果水泵機(jī)組故障，則出現(xiàn)變?yōu)榧t色并閃爍。該模塊

還能監(jiān)控變頻器、水位等運(yùn)行狀況。并對故障報(bào)警。

圖４—１１工作狀態(tài)顯示模塊

４．５

本章小結(jié)

供水系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控是指通過計(jì)算機(jī)和ＰＬＣ的通信，在計(jì)算機(jī)上監(jiān)視供水現(xiàn)場

的運(yùn)行情況，并能通過計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)場水泵的運(yùn)行，提高系統(tǒng)故障應(yīng)急處理能力。

本章的主要內(nèi)容有：

１．監(jiān)控系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、ＰＬＣ、４８５轉(zhuǎn)換模塊ＦＸ－－４８５ＰＣ—ＩＦ和通信適配器

總結(jié)

總結(jié)

本論文針對韶關(guān)學(xué)院學(xué)生公寓區(qū)的供水要求，設(shè)計(jì)了～套由ＰＬＣ、變頻器、遠(yuǎn)

傳壓力表、多臺水泵機(jī)組、計(jì)算機(jī)、通信模塊等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動變頻恒壓

供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)供水方式普遍存在的效率低、可靠性差、自

動化程度不高等缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能、自動可靠、維護(hù)簡單、管理方便的恒壓

供水。

本系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)：

１．采用了可靠性高、使用簡單、編程靈活的工控設(shè)備ＰＬＣ和內(nèi)置ＰＩＤ調(diào)節(jié)模

塊的變頻器作為主要控制設(shè)備，在全流量范圍內(nèi)利用變頻泵的連續(xù)調(diào)節(jié)和

工頻泵的分級調(diào)節(jié)相結(jié)合，確保恒壓供水：

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

參考文獻(xiàn)

［１］崔金貴．變頻調(diào)速恒壓供水在建筑給水應(yīng)用的理論探討．蘭州

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［２］張燕賓．變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐．第１版．機(jī)械工業(yè)出版社，２００２：

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［３］金傳偉，毛宗源．變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用．電子

技術(shù)應(yīng)用．２０００，９期：３８—３９

［４］張燕賓．ＳＰＷＭ變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù)．第２版．機(jī)械工業(yè)出版社，

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１７３—１７４

［６］付娟．交流調(diào)速技術(shù)．第一版．電子工業(yè)出版社，２００２：ｌ一７

［７］馬桂梅，譚光儀，陳次昌．泵變頻調(diào)速時(shí)的節(jié)能方案討論．四川工

業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)．２００３，３期：５～７

［８］上海熊貓機(jī)械（集團(tuán)）有限公司．ＳＦＬ系列低噪音多級泵選型手

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［２２

３彭增良．可編程控制器與變頻器連接時(shí)應(yīng)注意的問題．國內(nèi)外機(jī)

電一體化技術(shù)．２００３，６期：３６～３８

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業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)．２００３，３期：５－７

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［２５］周萬珍，高鴻斌．ＰＬＣ分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用．第ｌ版．電子工業(yè)出版

社，

２００４：１８６一１８８

ＵＳＥＲ’Ｓ

［２６］ＦＸ一４８５ＰＣ—ＩＦ

［２７］ＦＸＯＮ一４８５ＡＤＰ

ＧＵＩＤＥ

ＭＡＮＵＡＬ

ＡＤＡＰＴＥＲＵＳＥＲ’Ｓ

ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴｌ０Ｎ

［２８］王生發(fā)，潘敏．ＶＢ下ＰＬＣ與ＰＣ的通信在工業(yè)機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)中

的應(yīng)用．機(jī)電工程．２００ｌ，１８卷第６期：３５～３７

［２９

３李現(xiàn)勇．ｃ＋＋串口通信技術(shù)與工程實(shí)踐．人民郵電出版

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文

［３８］趙鵬飛．ＰＬＣ控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)．自動化博覽．２００３，２

期：

４８～５０

［３９］葉楚安

采用ＰＬＣ控制的自動給水系統(tǒng)．電機(jī)電器技術(shù)．

１９９８

致謝

致謝

首先衷心感謝我的論文指導(dǎo)老師姚若河教授和杜平德高級工程師。

兩位老師學(xué)識淵博，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，勤奮敬業(yè)，使我于耳濡目染中受益匪淺。

尤其是存我課題開展和論文寫作過程中，他們傾注了大量的心血，不斷

給我方向性的指導(dǎo)和建議，同時(shí)也不斷鼓勵我獨(dú)立思考，提出自己的見

解，鍛煉我獨(dú)立科研的能力，這一切都將使我終生受益。

衷心感謝余波年高級工程師對我課題開展給予的大力支持和幫助。

全自動變頻恒壓供水及其遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：龍迎春

學(xué)位授予單位：華南理工大學(xué)

1.崔金貴變頻調(diào)速恒壓供水在建筑給水應(yīng)用的理論探討[期刊論文]蘭州鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2000(1)

-

2.張燕賓變頻調(diào)速應(yīng)用實(shí)踐 2002

3.金傳偉.毛宗源變頻調(diào)速技術(shù)在水泵控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[期刊論文]電子技術(shù)應(yīng)用 2000(9)

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4.張燕賓SPWM變頻調(diào)速應(yīng)用技術(shù) 2002

5.吳浩烈電機(jī)及電力拖動基礎(chǔ) 1996

6.付娟交流調(diào)速技術(shù) 2002

7.馬桂梅.譚光儀.陳次昌泵變頻調(diào)速的節(jié)能方案討論[期刊論文]四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) 2003(3)

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8.上海熊貓機(jī)械(集團(tuán))有限公司SFL系列低噪音多級泵選型手冊

9.俞子彬醫(yī)學(xué)心理學(xué) 1999

10.林俊贊.李雄松.尹元日PLC在恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

11.吳小雨恒壓變量供水裝置中PLC的應(yīng)用[期刊論文]低壓電器 2002(1)

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12.彭巨光.謝勇異步電機(jī)變頻起動、切換的分析與研究[期刊論文]電機(jī)電器技術(shù) 2003(1)

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13.胡綱衡.唐瑞球.江志敏.何?.成交流變頻調(diào)速的切換控制技術(shù)[期刊論文]電工技術(shù)雜志 2001(6)

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14.郁漢琪電氣控制與可編程控序控制器應(yīng)用技術(shù) 2003

15.張海根機(jī)電傳動控制 2001

16.劉金錕先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真 2003

17.俞光昀.陳戰(zhàn)平.季菊花計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 2002

18.宗白華中國園林藝術(shù)概觀 2001

19.張燕賓講座(五)變頻功能解析 2004

20.富士電機(jī)株式會社FRENIC5000G¨S/P¨S說明手冊

21.張燕賓變頻器的PID控制[期刊論文]電氣時(shí)代 2002(10)

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22.彭增良可編程控制器與變頻器連接時(shí)應(yīng)注意的問題 2003(06)

23.馬桂梅.譚光儀.陳次昌泵變頻調(diào)速的節(jié)能方案討論[期刊論文]四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) 2003(3)

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24.魏炳貴電力拖動基礎(chǔ) 1994

25.周萬珍.高鴻斌PLC分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用 2004

26.FX-485PC-IF USER'S MANUAL

27.FXoN - 485ADP COMMUNICATION ADAPTER USER'S GUIDE

28.王生發(fā).潘敏VB下PLC與PC的通信在工業(yè)機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[期刊論文]機(jī)電工程 2001(6)

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29.李現(xiàn)勇Visual C++串口通信技術(shù)與工程實(shí)踐 2002

30.范逸之Visual Basic與RS232串行通迅控制 2000

31.曾毅.王效良.吳皓.張朝平變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與維護(hù) 2002

32.馮垛生.張森變頻器的應(yīng)用與維護(hù) 2003

33.張燕賓.胡綱衡.唐瑞球實(shí)用變頻調(diào)速技術(shù)培訓(xùn)教程 2003

34.高欽和可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì)實(shí)例 2004

35.萬太福.唐賢永可編程序控制器及其應(yīng)用 1996

36.吳俊杰用Visual Basic編寫PLC串行通訊程序[期刊論文]中國電梯 2001(8)

-

37.韓焱青PLC在恒壓供水中的應(yīng)用[期刊論文]江蘇電器 2003(1)

-

38.趙鵬飛PLC控制變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)[期刊論文]自動化博覽 2003(2)

-

39.葉楚安采用PLC控制的自動給水系統(tǒng) 1998(02)

1.期刊論文閔絢.譚思云.陳敏.MIN Xuan.TAN Si-yun.CHEN Min基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)研究-儀表技術(shù)

2009(9)

介紹一種基于S7-300 PLC和變頻器的恒壓供水控制系統(tǒng),并對系統(tǒng)組成、功能及工作原理進(jìn)行了詳細(xì)地描述.

2.期刊論文張美英.屈飛.ZHANG Mei-Ying.QU Fei基于PLC的雙恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新

2006,19(6)

該雙恒壓供水控制系統(tǒng)是以PLC控制為核心,變頻調(diào)速技術(shù)為基礎(chǔ),并結(jié)合壓力傳感器、變頻器、水泵、繼電器、接觸器等組成.在此系統(tǒng)中,PLC將壓

力設(shè)定值與測量值的偏差經(jīng)PID運(yùn)算后得到的控制量作用到變頻器,從而通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)管網(wǎng)的壓力,實(shí)現(xiàn)恒壓供水的目的.

3.期刊論文雷宏彬.曹曉娟.LEI Hong-bin.CAO Xiao-juan基于PLC和變頻器的恒壓供水控制系統(tǒng)-工業(yè)儀表與自

動化裝置2007(3)

介紹了一種基于PLC和變頻器的恒壓供水控制系統(tǒng),闡述了系統(tǒng)組成、系統(tǒng)功能、工作原理和安全措施.該控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠,已成功用于某電廠

供水系統(tǒng),取得了恒壓供水的效果.

4.期刊論文喬維德.QIAO Wei-de模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在PLC恒壓供水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用-電氣傳動自動化2007,29(2)

本文介紹了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)現(xiàn)PLC變頻調(diào)速恒壓供水,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯的結(jié)合.實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)壓力閉環(huán)自適應(yīng)的控制功能.本系統(tǒng)操

作方便、運(yùn)行可靠.具有較強(qiáng)的魯棒性和可靠性.

5.期刊論文周力.ZHOU Li基于PLC的變頻恒壓供水模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-機(jī)電工程2005,22(3)

設(shè)計(jì)的變頻恒壓供水控制系統(tǒng),應(yīng)用了模糊控制技術(shù),較好的克服了傳統(tǒng)PID控制中穩(wěn)定性差、參數(shù)調(diào)整困難的問題,并提供了一種用PLC實(shí)現(xiàn)模糊控制

的新方法.該系統(tǒng)取代了高塔或水泵直接加壓供水方式,提高了供水質(zhì)量,節(jié)能效果明顯,極具推廣、應(yīng)用價(jià)值.

6.學(xué)位論文顧躍基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)研究2003

隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數(shù)量、質(zhì)量、穩(wěn)定性提出了越來越

高的要求。我國中小城市水廠尤其是老水廠自動控制系統(tǒng)配置相對落后，機(jī)組的控制主要依賴值班人員的手工操作。控制過程繁瑣，而且手動控制無法

對供水管網(wǎng)的壓力和水位變化及時(shí)作出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。為了保證供水，機(jī)組通常處于超壓狀態(tài)運(yùn)行，不但效率低、耗電量大，而且城市管網(wǎng)長期處于超壓

運(yùn)行狀態(tài)，曝?fù)p也十分嚴(yán)重。本論文結(jié)合我國中小城市供水廠的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓自動控制供水系統(tǒng)。變頻調(diào)速恒壓供水自動控

制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、壓力傳感器、工控機(jī)以及控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動4臺電動機(jī)的起動、運(yùn)行與調(diào)速，其中

兩臺大機(jī)(220Kw)和兩臺小機(jī)(160Kw)分別采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。通過工控機(jī)和PLC連接，開發(fā)出了用于工控機(jī)的集數(shù)據(jù)采集和通信、設(shè)備狀態(tài)控制和

數(shù)據(jù)管理的監(jiān)測程序，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測控制。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，從而

改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。

7.期刊論文陶宇君PLC在變頻恒壓供水技術(shù)中的應(yīng)用-工業(yè)控制計(jì)算機(jī)2003,16(11)

變頻恒壓供水是發(fā)展節(jié)水灌溉,提高用水效率的有效途徑.本文介紹了以PLC為核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)在變頻恒壓供水技術(shù)中的應(yīng)用.

8.期刊論文路野.周朝暉.Lu Ye.hou Chaohui基于PLC和變頻調(diào)速的恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)-計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程

2009,37(1)

為了解決水壓波動問題,基于恒壓供水的原理,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了由PLC、變頻器和壓力傳感器等組成的恒壓供水系統(tǒng).系統(tǒng)根據(jù)管網(wǎng)壓力自動調(diào)節(jié)供水量

,實(shí)現(xiàn)了恒壓供水的目的.

9.期刊論文羅智勇.LUO Zhi-yong恒壓供水PLC模糊控制-工業(yè)儀表與自動化裝置2008(3)

由于采用高位水塔或直接水泵加壓供水不能提供良好的供水質(zhì)量,該文提出了在由PLC、變頻器、觸摸屏等器件構(gòu)成的系統(tǒng)中,采用模糊控制方法進(jìn)行

恒壓供水.通過近一年的試運(yùn)行,該系統(tǒng)供水質(zhì)量提高了,節(jié)能效果明顯.

10.期刊論文宋樂鵬.高國芳.SONG Le-peng.GAO Guo-fang基于PLC自修正模糊控制恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)-節(jié)水灌溉

2007(8)

針對現(xiàn)代居民恒壓供水問題,設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制,算法采用帶自修正因子的模糊控制,在誤差、誤差變化率、控制量語言變量的全論域范圍內(nèi)帶

有自修正因子的模糊控制器.研究結(jié)果表明,采用帶自修正因子模糊控制系統(tǒng),比傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器、傳統(tǒng)的模糊控制器有系統(tǒng)輸出響應(yīng)快、無超調(diào)、對參數(shù)

有較強(qiáng)的魯棒性等優(yōu)點(diǎn),能夠很好地解決自動恒壓供水的問題,從而產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟(jì)效益.

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下載時(shí)間：2010年3月16日