全自動變頻恒壓供水及其遠程監控系統的設計

華南理工大學

碩士學位論文

全自動變頻恒壓供水及其遠程監控系統的設計

姓名：龍迎春

申請學位級別：碩士

專業：電子與通信工程

摘要

摘要

隨著我國社會經濟的發展，住房制度改革的不斷深入，人們生活水平的不斷

提高，城市中各類小區建設發展十分迅速，同時也對小區的基礎設施建設提出了

更高的要求。小區供水系統的建設是其中的一個重要方面，供水的可靠性、穩定

性、經濟性直接影響到小區住戶的正常工作和生活，也直接體現了小區物業管理

水平的高低。傳統的恒速泵加壓供水、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，難以滿足當

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ｗａｔｅｒ—ｓｕｐｐｌｙ：ｒｅｍｏｔｅ

Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ

ａｎｄ

Ｃｏｎｔｒｏｌ

Ｉｌｌ

華南理工大學

學位論文原創性聲明

本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所

取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任

何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢

獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的

法律后果由本人承擔。

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

隨著我國社會經濟的發展，人們生活水平的不斷提高，以及住房制度改革的

不斷深入，城市中各類小區建設發展十分迅速，同時也對小區的基礎設施建設提

出了更高的要求。小區供水系統的建設是其中的一個重要方面，供水的可靠性、

穩定性、經濟性直接影響到小區住戶的正常工作和生活，也直接體現了小區物業

管理水平的高低。

傳統的小區供水方式有：恒速泵加壓供水、水塔高位水箱供水、氣壓罐供水。

華南理工大學碩士學位論文

穩定性、經濟性直接影響到學校的正常教學和管理，也體現了學校后勤管理水平

的高低。

韶關學院隨著我國高教事業的發展，校區面積迅速擴大，在校生人數規模快

速增長到了１５０００以上，形成了三片大的學生公寓區，成一個“品”字形分布，

公寓區的相互距離較遠。學校的供水系統也隨著公寓區的建設，形成了三個獨立

的供水系統。整介系統存在的主要問題有，老公寓區仍然采取傳統的水塔高位水

箱供水方式，存在能耗大，維護不方便，電機的啟動電流對電網沖擊大的缺點；

另外，各供水系統相距較遠，學校水電管理部門平時只能定期尋查，不能及時有

效地掌握各供水系統的運行狀況，往往是等用水部門打電話來才知道系統出現故

障，無法供水，造成系統運行可靠性降低：而且系統對于運行中的一些參數也無

法監控與記錄。

為滿足韶關學院對供水質量的要求，降低單位供水能耗，實現全自動、可靠、

穩定的供水，需要利用變頻恒壓供水技術對其設備進行自動化改造，并輔以計算

第一章緒論

設備來設計變頻調速恒壓供水系統，并引入計算機對供水系統進行遠程監控與管

理，保證整個系統運行可靠，安全節能，獲得最佳的技術經濟性能。具體而言，

論文包括以下內容：

１．

論文在對課題對進行分析和研究的基礎上，提出了系統的設計方案和思

路，確定論文主要的研究內容和研究方法；

２．分析供水系統基本模型及主要參數，對恒壓供水系統中采用轉速調節法

和閥門控制法作了比較，詳細分析和論證變頻調速方式在恒壓供水系統中的節能

原理和效果。并分析了變頻調速方式對減少供水系統的水錘效應，提高系統安全

華南理工大學碩士學位論文

第二章變頻調速恒壓供水系統能耗與安全性分析

在供水系統中，用水量處于動態變化過程之中，采取恒速泵供水方式，無法

維持管壓恒定，同時也影響設備壽命：若采取閥門控制調節流量來維持管壓，必

然造成大量的電能浪費；而且水泵電機直接工頻起動與制動帶來的水錘效應，對

管網、閥門等也具有破壞性的影響。基于恒壓、節能及安全性考慮，采取變頻調

速恒壓供水方式是一種不錯的選擇。據統計采用變頻調速技術調節流量實現恒壓

供水，可節能２０—５０％ｎ：［３Ｊ，節能效果相當顯著。在討論變頻調速恒壓供水系統節

能機理與安全性之前，有必要討論分析供水系統的一些基本概念和特性。

２．１

供水系統的基本模型和主要參數

供水系統的基本模型如圖２－１所示。

磨擦

ａ）ｂ）

圖２－１供水系統的基本模型ｎ，

ｂ）基本模型ａ）全揚程的概念

圖中：￡Ｄ一一水泵中心位置；

第二章變頻調速恒壓供水系統能耗與安全性分析

主要參數ｕ１有：

１．流量Ｑ

單位時間內流過管道內某一截面的水流量，常用單位是ｍ３／ｒａｉｎ。

２．揚程Ⅳ也稱水頭，是供水系統把水從一個位置上揚到另一位置時水位的

變化量，數值上等于對應的水位差。常用單位是ｍ。

３．實際揚程億供水系統中，實際的最高水位ｈ２與最低水位ｈ，之間的水位

差，即供水系統實際提高的水位。即：ＨＢ＝ｈ２一ｈＪ。

４．全揚程所

水泵能夠泵水上揚的最高水位ｈ３與吸入口的水位ｈｏ之間的

水位差。全揚程的大小說明了水泵的泵水能力。即：Ｈｒ＝圯．ｈＤ。

５．損失揚程倪全揚程與實際揚程之差，即為損失揚程。協，Ｈｒ、ＨＬ之間的

關系是：晰＝１－１８＋肌。

供水系統為了保證供水，其全揚程必須大子實際揚程，這多余的揚程一方面

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的摩擦損失；

華南理工大學碩士學位論文

１．揚程特性

以管路中的閥門開度不改變為前提，即截面積不變，水泵在某一轉速下，全

揚程與流量間的關系曲線所＝ｆ

ｒＱＪ，稱為揚程特性曲線。不同轉速下，揚程特

性曲線不同，圖２．２中的曲線①、②分別對應于轉速ｎ。、ｒｌ，，且九。＞ｎ，。

曲線表明轉速～定時，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻損耗也就越

大，供水系統的全揚程就越小，反映用戶的用水需求狀況對全揚程的影響的。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，即Ｑｕ不變，轉速越低，水泵的供水能力越低，供水系統的

全揚程就越小。

２．管阻特性

以水泵的轉速不改變為前提，閥門在某一開度下，全揚程與流量間的關系曲

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對應閥門開度大于曲線④對應的閥門開度。

管阻特性表明由閥門開度來控制供水能力的特性曲線。此時轉速一定，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

來決定的，故管阻特性的流量可以認為是供水流量，用Ｑｏ表示。

第二章變頻調速恒壓供水系統能耗與安全性分析

２．３供水系統中恒壓實現方式

對供水系統進行的控制，歸根結底是為了滿足用戶對流量的需求。所以，流

量是供水系統的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚程，而揚程難以進行具

體測量和控制。考慮到動態情況下，管道中水壓的大小是揚程大小的反映，而揚

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。

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，

選擇壓力控制來調節管道流量大小。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，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量。

將來用戶需求發生變化時，需要對供水系統做出調節，以適應流量的變化。

這種調節就是以壓力恒定為前提來實現的。常用的調節方式有閥門控制法和轉速

華南理工大學碩士學位論文

式中，％一一具步電動機的同步轉速，ｒ／ｍｉｎｉ

ｎ一一異步電動機轉子轉速，ｒ／ｍｉｎ；

Ｐ一一異步電動機磁極對數；

，一一異步電動機定子電壓頻率，即電源頻率；

５一一轉速差，

Ｊ：旦型×１００％。

ｎ．

可知調速方法有；變極調速、變轉差調速和變頻調整。

１．變極調速

在電源頻率一定的情況下，改變電動機的磁極對數，實現電機轉速的改變。

磁極對數的改變通過改變電機定子繞組的接線方式來實現。這種調速方式只適用

于專門的變極電機，而且是有極調速，級差大，不適用于供水系統中轉速的連續

調節。

２，變轉差調速

通過改變電動機的轉差率實現電機轉速的改變。

三相異步電動機的轉子銅損耗為：

Ｐｃ．２＝３巧《＝ｓＰ，。“１

（２—３）

第二章變頻調速恒壓供水系統能耗與安全性分析

變頻調速方式時，電動機的機械特性表達式ｍ：

Ｔ＝

（２—４）

式中：ｍ．一一電機相數

＾一一定子電阻

五一一定子漏電抗

＾；一一轉子漏電抗折算值

頻率＾從額定值，Ｎ往下調時，由文獻［５］，

電機機械特性變化情況如圖２－３

所示，圖中ｆＮ＞，ｌ＞，２＞，３＞ｆ４。

變頻調速過程的特點：

靜差率小，調速范圍大，調速平滑性好，而且，

很關鍵的一點是調速過程中，其轉差率不變。電機的

運行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉速控制法。

因此恒壓供水系統中采取變頻調速方式可以獲得

優蘸的運行特性和明顯的節能效果。

圖２－３變頻調速機械特性

２．５

變頻調速恒壓供水系統能耗分析

華南理工大學碩士學位論文

（２—６）

魚日墨Ｐ

制甜

（２—７）

式中，ｎ，、Ｑ１、Ｈ。、只分別為調速后的水泵轉速、流量、揚程和軸功率。從以

上關系可知，當轉速ｎ下降時，軸功率按轉速變化的３次方關系下降，可見轉速

對功率的影響是最大的。

一般在設計中，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

額定工作點選型和安裝使用，即按額定工作點設計。但在實際運行中，管網用水

量常常低于最不利工況，這時，如降低轉速相對于恒速泵供水運行，能使水泵的

軸功率大大減少。

可見，在供水系統中根據用水量的大小，通過變頻方式調節水泵轉速的方式

來實現供水具有很好的節能效果。而且這種方式在用水量較少時節能效果更為明

顯。

２．

轉速控制供水系統的工作效率高Ｃ４

工作效率的定義

（１）．

供水系統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的整個供水系統的總效率。

式（２—８）中，ＰＰ是指水泵是在一定流量、揚程下運行時所需的外來功率，即電

動機的輸出功率；如是供水系統的輸出功率也就是水獲德的實際功率，由實際供

水的揚程和流量計算。供水過程中的損耗主要來自于水泵本身的機械損耗、水力

第二章變頻調速恒壓供永系統能耗與安全性分析

（３）．

不同控制方式時的工作效率

閥門控制法方式，因轉速不變，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

轉速控制方式時，因閥門開度不變，由式（２—５），流量Ｑ

４和轉速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。

ｎ

所以，轉速控制方式與閥門控制方式相比，供水系統的工作效率要大得多。

這是變頻調速供水系統具有節能效果的第二個方面。

３．

變頻調速電機運行效率高

在設計供水系統時，額定揚程和額定流量通常留有裕量，而且，實際用水流

量也往往達不到額定值，電動機也常常處于輕載狀態，電機恒速運行時效率和功

率因數很低。采用變頻調速方式

提高了電動機的工作效率。

變頻器能夠根據負載輕重調整輸入電壓，從而

這是變頻調速供水系統具有節能效果的第三個方面。

華南理工大學碩士學位論文

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是異步電動機的機械特性，曲線②是水泵的機械特性，

圖２－－４ｂ）中的鋸齒狀線是變頻起動過程中的動態轉矩。

由圖２—４可知，水泵在直接起動過程時，因動態轉矩很大，造成了強烈的水

錘效應，通過變頻起動，可有效地降低動態轉矩消除水錘效應。

停機過程效果類似。

３．

變頻調速對供水系統安全性的作用

采用變頻調速，對系統的安全性有一系列的好處“，Ｌ３２］：

（１）

消除了水錘效應，減少了對水泵及管道系統的沖擊，可大大延長水泵

及管道系統的壽命；

第二章變頻調速恒壓供水系統能耗與安全性分析

流量的需求。這種調節又是以水壓調節為目標。

２．

供水系統揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點是系統的工作點，實際運

行中的工作點會隨用水需求的變化而改變。為保證水壓恒定，采取轉速調節方式

華南理工大學碩士學位論文

第三章變頻調速恒壓供水控制系統設計

３．１

供水系統總體方案的確定

１．

用戶需求

韶關學院學生公寓供水系統總體要求：

（１）．由多臺水泵機組實現供水，流量范圍６００ｒｎ３／ｈ，揚程６０米左右

（２）．設置一臺小泵作為輔助泵，用于小流量時的供水；

（３）．供水壓力要求恒定，尤其在換泵時波動要小；

（４）．系統能自動可靠運行，為方便檢修和應急，應具備手動功能；

（５）．各主泵均能可靠地實觀軟啟動；

（６）．具有完善的保護和報警功能；

（７）．系統要求較高的經濟運行性能；

２，方案確定

確定供水系統總體設計方案的基本依據是設計供水能力能滿足系統最不利

點用水需求，同時還需要結合用戶用水量交化類型，考慮方案適用性、節能性，

及其它技術要求。

根據用戶的用水時段特點，可將用戶用水量變化類型分為連續型、間歇型兩

大類，根據流量的變化特點，還可進一步細分為高流量變化型，低流量變化型，

全流量變化型等。不同季節、不同月份，流量變化類型也會改變。

連續型是指一天內很少有流量為零的時候，或本身管網的正常泄漏就保持有

一定的流量。

間歇型指一天內有多段用水低谷時間，流量很小或為零。

各種類型的水流量變化關系曲線如圖３—１。

流量０流量口

ｌＯＯ％

１００％

５０％５０％

ｔ（時）

２６８１２１４１６６８１０１４１８２４

ｔ（時

２４ｌＯ２０２２２４

３１２１６２２１８２０

ａ）

ｂ、

１４

第三章變頻調速恒壓供水控制系統設計

流量Ｑ

１００％

流量Ｑ

１００％

５０％

５０％

ｔ（時）

２４６８１２１４１６２２２４６

１０１８２０２８１２１８

４１０１４２０２２２４

１６

ｔ（時）

ｃ）

ｄ）

圖３－１用戶用水量變化類型

ｂ）連續型（高流量變化型）ａ）連續型（全流量變化型）

ｃ）連續型（低流量變化型）ｄ）間歇型

韶關學院學生公寓用水量主要集中早、晚兩個時間段，平時處于低流量狀態，

屬連續型低流量變化型。這類型用水需求在較長時間段表現為低流量，相對于設

計流量有較大的余量，采用變頻調速方式來實現低流量時的恒壓供水節能效果比

較明顯，與通常的工頻氣壓給水設備相比平均節能可達３０％。水泵變頻軟起動沖

擊電流小，也有利于電機泵的壽命，此外水泵在低速運行時，噪聲小。

由于用水呈低流量變化型的特點，采用多臺水泵并聯供水，根據用水量大小

調節投入水泵臺數的方案。在全流量范圍內靠變頻泵的連續調節和工頻泵的分級

調節相結合，使供水壓力始終保持為設定值。

多泵并聯代替一、二臺大泵單獨供水不會增加投資，而其好處是多方面的。

首先是節能，每臺泵都可以較高效率運行，長期運行費用少；其二，供水可靠性

好，一臺泵故障時，一般并不影響系統供水，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，為進一步減少功耗，采用一臺小流量

泵來維持正常的泄漏和水壓。

多泵變頻循環工作方式的可靠切換，是實現多泵分級調節的關鍵，可選用編

程靈活、可靠性高、抗干擾能力強、調試方便、維護工作量小的ＰＬＣ通過編程來

實現。

供水系統的恒壓通過壓力變送器、ＰＩＤ調節器和變頻器組成的閉環調節系統

控制。根據水壓的變化，由變頻器調節電機轉速來實現恒壓。

為了減少對泵組、管道所產生的水錘，泵組配置電動蝶閥，先啟水泵后打開

電動碟閥，當水泵停止時先關電動碟閥后停機。

為實現遠程監控的功能，系統中還配置了計算機和通信模塊。

綜合以上分析，確定以可靠性高、使用簡單、維護方便、編程靈活的工控設

備變頻器和ＰＬＣ作為主要控制設備來設計變頻調速恒壓供水系統，其總體結構如

華南理Ｊ二大學碩士學位論文

圖３—２所示。

圖３—２系統構成方案圖

３．２控制系統的硬件設計

３．２．１系統主要配置的選型

１．

水泵機組的選型

根據系統要求的總流量范圍、揚程大小，確定供水系統設計秒流量和設計供

第三章變頻調速恒壓供水控制系統設計

表３．１水泵機組參數

主要性能參數

數

型號

量格

規

流量效率轉速電機功率

（ｍ３／ｈ）（％）（ｒ／ｍｉｎ）

揚

程

（ｍ）

（ｋＷ）

１１２８８

８０７２１４５０５５１５０ＳＦＬｌ６０－２０×４３ＤＮｌ５０１６０

６６６８１９２

８０４８８．４

７５５６１４５０５．５５０ＳＦＬｌ２－１５×５１ＤＮ５０１２

６０５１１４．４

６６

主泵

機組

輔助

泵機

組

２．

變頻器的選型

（１）．

容量確定方法

依據所配電動機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

動一臺電機連續運轉時，變頻器容量（ｋＶＡ）應同時滿足下列三式一，：

‰≥旦（ｋＶＡ）

ＬＤ

（３—１）

（３—２）

（３—３）

ｒ／ＣＯＳ妒

，知≥ｋｘ４３ＵＭＩＭ×１０。（ｋＶＡ）

Ｉｃｕ≥ｋｌＭ（Ａ）

式中，Ｒ一一負載所要求的電動機的輸出功率；

玎一一電動機的效率（通常在Ｏ．８５以上）；

ＣＯＳ艫一一電動機的功率因數（通常在Ｏ．８以上）：

‰～一電動機電壓（Ｖ）；

，。一一電動機工頻電源時的電流（Ａ）；

ｋ一一電流波形的修正系數，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）。

這三個式子是統一的，選擇變頻器容量時，應同時滿足三個算式的關系，尤

其變頻器電流是一個較關鍵的量。

（２）．型號選擇

華南理工大學碩士學位論文

器，具有轉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。

供水系統屬泵類負載，低速運行時的轉矩小，可選用價格相對便宜的ｕ，ｆ控制變

頻器。

綜合以上因素，系統選用專為風機、泵用負載設計的普通功能型Ｕ／ｆ控制方

式的富士變頻器ＦＲＮ５５Ｐ１】Ｓ－４ＣＸ，變頻器內置ＰＩＤ控制模塊，可用于閉環控制

系統，實現恒壓供水。

其主要參數及性能介紹如下。

①．主要參數

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；

起動轉矩：５０％以上

適配電機容量：５５ＫＷ

②．

功能特點

風機、泵等二次方遞減轉矩專用型變頻器；可選用自動和手動的轉矩提升功

第三章變頻調速恒壓供水控制系統設計

基本指令：２７條；

功能指令：２９８條；

基本指令執行時間：Ｏ．０８微秒；

通信功能：強；

輸出形式：繼電型；

輸出能力：２Ａ／點；

擴展輸出模塊ＦＸ２Ｎ一１６ＥＹＲ有１６個輸出點

４．壓力變送器及數顯儀的選型

華南理工大學碩士學位論文

Ａ

Ｂ

Ｃ

圖３～３主電路圖

３．２．３控制電路設計

在控制電路的設計中，必須要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。為了保護

ＰＬＣ設備，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，

第三章變頻調速恒壓供水控制系統設計

圖３—４給出了供水系統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／自動轉換開關，ＫＡ為手動，自動轉換用中間繼電器，

打在①位置為手動狀態，打在②位置ＫＡ吸合，為自動狀態。在手動狀態，通過

按鈕ＳＢＩ～ＳＢｌ４控制各臺泵的起停。在自動狀態時，系統執行ＰＬＣ的控制程序，

自動控制泵的起停。

中間繼電器ＫＡ的７個常閉觸點串接在四臺泵的手動控制電路上，控制四臺

泵的手動運行。中間繼電器ＫＡ的常開觸點接ＰＬＣ的Ｘ０，控制自動變頻運行程

序的執行。在自動狀態時，四臺泵在ＰＬＣ的控制下能夠有序而平穩地切換、運行。

電機動電源的通斷，由中間繼電器ＫＡｌ～ＫＡ７控制接觸器ＫＭＩ～ＫＭ７的線圈

來實現。ＨＬＯ為自動運行指示燈。ＦＲｌ、ＦＲ２、ＦＲ３、ＦＲ４為四臺泵的熱繼電器

的常閉觸點，對電機進行過流保護。

３．２．４ＰＬＣ

Ｉ／Ｏ端子分配

表３—２Ｉ／Ｏ端子分配表

ＰＬＣ

功能注釋現場器件與接線端子ＩＯ地址

自動／手動功能轉換

變頻器輸出頻率極限信號變頻器Ｙ２端子

壓力下限到達信號遠傳壓力表壓力上限電節點

中間繼電器ＫＡ常開觸點

華南理工人學碩士學位論文

輸遠傳壓力表壓力下限電節點壓力上限到達信號

水池水位下限信號水池水位下限信號（缺水）

變頻器輸出報警繼電器３０Ａ變頻器故障報警信號

ＦＲｌ常開觸點ｌ＃電機過載信號

入

Ｘ３

Ｘ４

Ｘ５

Ｘ６

Ｘ７

Ｘ１０

Ｘ１１

Ｘ１２

Ｘ１３

Ｘ１４

Ｘ１５

Ｘ１６

Ｘ１７

Ｙ０

Ｙ１

Ｙ２

第三章變頻調速恒壓供水控制系統設計

３．２．５

變頻器接線及功能設定

表３—３變頻器接線及功能設定

陵頻器

現場器件與接線端子注釋

端子

功能

參數

預置代碼

啟動／停止變頻運行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

變頻器過載報警指示

變頻器故障總報警信號

接公共端ＰＬＣ的ＣＯＭ端

蘭亙堡三查堂堡主蘭售堡蘭

３．３

ＰＬＣ控制程序的設計

３．３．１全自動變頻。厘壓運行方式水泵運行狀態及轉換過程分析

１．

轉換過程分析

啟動自動變頻運行方式時，首先起動輔助穩壓泵工頻運行供水，當用水量大，

超過輔助泵最大供水能力而無法維持管道內水壓時，延時１分鐘ＰＬＣ通過變頻器

啟動Ｉ號主水泵供水，同時關閉輔助泵的運行。在１號主水泵供水過程中，變頻

器根據水壓的變化通過ＰＩＤ調節器調整１擇主水泵的轉速來控制流量，維持水壓。

若用水量繼續增加，變頻器輸出頻率達到上限頻率時，仍達不到設定壓力，延時

分鐘，由ＰＬＣ給出控制信號，將１號主水泵與變頻器斷開，轉為工頻恒速運行，

同時變頻器對２號主水泵軟啟動。系統工作于Ｉ號工頻、２號變頻的兩臺水泵并

聯運行的供水狀態。若用水量繼續增加，兩水泵也不能滿足水壓要求時，將按上

述過程繼續增開水泵臺數……直到滿足水壓要求。整個加泵過程中，總是保證原

第三章變頻調速恒壓供水控制系統設計

表３—４系統供水狀態

狀態符號供水狀態

ＳＯ

Ｓ２０

Ｓ２ｌ

Ｓ２２

￥２３

￥２４

Ｓ２５

￥２６

￥２７

華南理工大學碩士學位論文

３．狀態轉換條件

供水狀態之間的轉換條件是依據變頻器輸出頻率是否到達極限頻率及水壓是

否達到上、下限值。設變頻器輸出頻率達到極限頻率時的信號為ｘｌ，水壓達到設

定壓力下限值時的欠壓信號為Ｘ２，水壓達到設定壓力上限值時的超壓信號為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：同時滿足ｘｌ、Ｘ３：

增泵條件：同時滿足ｘ１、Ｘ２，

減泵條件：同時滿足ｘ１、Ｘ３；

４．狀態轉換過程的實現方法

從輔助泵切換到主泵只需斷丌輔助泵的供電，同時用變頻器以起始頻率起動

一臺主泵的運行即可：

從主泵切換到輔助泵只需將主泵和變頻器的輸出斷開，同時將輔助泵直接投

第三章變頻調速恒壓供水控制系統設計

時，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來實現的快速滅磁法。這一方法的實質是

通過定子繞組中和變頻器逆變橋上的續流二極管組成的回路來達到快速滅磁的目

的ｎ”。其動作順序是，在電機從變頻器斷開前，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，經短暫延

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

單有效、控制方便，本次設計中采用了這一方法。

３．３．２

ＰＬｃ程序設計方法

１．ＰＬＣ編程語言

華南理工大學碩士學位論文

（２）．梯形圖是ＰＬＣ形象化的編程方式，其左右兩側母線并不接任何電源，因

而圖中各支路也沒有真實的電流流過。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質上是變量存儲器中的位觸發器，相應某位觸發器

為…１’態，表示該繼電器線圈通電，其動合觸點閉合，動斷觸點打開，反之為“０

態”。梯形圖中繼電器的線圈又是廣義的，除了輸出繼電器、內部繼電器線圈外，

還包括定時器、計數器、移位寄存器、狀態器等的線圈以及各種比較、運算的結

果。

（４）．梯形圖中信息流程從左到右，繼電器線圈應與右母線直接相連，線圈的

右邊不能有觸點，而左邊必須有觸點。

（５）．繼電器線圈在一個程序中不能重復使用；而繼電器的觸點，編程中可以

第三章變頻調速恒壓供水控制系統設計

順序掃描的工作方式簡單直觀，它簡化了程序的設計，并為ＰＬＣ的可靠運行

提供了非常有用的保證。一方面，掃描到的指令被執行后，其結果馬上就可以被

將要掃描到的指令所利用。另一方面，還可以通過ＣＰＵ設置的定時器來監視每次

掃描是否超過規定的時間，從而避免了由于ＣＰＵ內部故障使程序執行進入死循環

而造成故障的影響

ＰＬＣ的工作過程就是程序執行過程。它分為三個階段進行，即輸入采樣階段，

程序執行階段，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

華南理工大學碩士學位論文

當程序執行完后，進入輸出刷新階段。此時，將元素映像寄存器中所有輸出

繼電器的狀態轉存到輸出鎖存電路，再去驅動用戶輸出設備（負載），這才是ＰＬＣ

的實際輸出。

ＰＬＣ重復地執行上述三個階段，每重復一次的時間就是一個工作周期（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執行的速度有很大關系。一般說柬，一個掃描過程中，執行指令的時間占了

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

第二章變頻調速恒壓供水控制系統設計

圖３－－７

ＰＬＣ控制程序主流程

１．系統初始化模塊

在初始化模塊中設置通信用數據寄存器Ｄ８１２０、Ｄ８１２１、Ｄ８１２９的通信參數，

具體設置程序見論文４．３節：置標志Ｍ６＝１，在自動運行時，首先起動輔助泵進

入ＳＯ狀態；置標志Ｍ０＝１，保證輔助泵運行狀態ＳＯ首次轉入主泵運行狀態￥２０。

初始化過程通過Ｍ８００２產生的初始化脈沖來完成。

華南理工大學碩士學位論文

輔助泵轉主泵運行是指由輔助泵供水，水壓達到壓力下限時，延時１分鐘，

關閉輔助泵，用變頻器啟動一臺主泵運行的過程。即由狀態ｓＯ轉入￥２０（或￥２１、

￥２２）的過程。具體起動哪一臺主泵，進入哪一種狀態，要依據其上一個狀態，

按有效狀態循環法的原則來操作。在編程時，以輔助繼電器Ｍ３、Ｍ２、Ｍ１作為

￥２０、￥２１、￥２２狀態的轉入標志，三者按循環方式動作，保證￥２０、ｓ２ｌ、￥２２狀

態的循環。

３．增加主泵的狀態轉換模塊

增加主泵是將當前主泵由變頻轉工頻，同時變頻起動一臺新水泵的切換過程。

當變頻器輸出上限頻率，水壓達到壓力下限時，延時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５００ｍｓ（滅磁作用）后，將主水泵與變頻器斷開，延

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

第三章變頻調速恒壓供水控制系統設計

５．遠程手動控制通信模塊

初始化模塊中設置好ＰＬＣ和上位機的通信協議后，在ＰＬＣ程序執行過程中，

當接收到上位機的遠程手動控制命令置Ｍ５Ｍ４＝１０時，ＰＬＣ程序自動轉入遠程手

動控制運行方式，接收水泵運行狀態控制字。當接收到命令置Ｍ５Ｍ４＝０１時，先

停止全部水泵的運行，延時后重新轉入全自動恒壓變頻運行方式。

６．故障處理模塊

對變頻器故障、熱繼電器動作、空氣開關跳開、水位過低等故障給出聲光報

警，并做出相應的故障處理。

（１）．欠水位故障

進入狀態￥３０，停止全部的電機運行，防止水泵空轉。當欠水位信號解除后，

延時一段時間，自動進入ＳＯ狀態。

（２）．變頻器故障

變頻器出現故障時，對應ＰＬＣ輸入繼電器Ｘ５動作，系統自動轉入自動工頻

華南理工人學碩十學位論文

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）和實際輸出值ｙ（ｆ）之間的偏

差ｅ（ｔ）；

Ｐ（，）＝），（，）一，（，）（３—４）

經比例（Ｐ）、積分（Ｉ）和微分（Ｄ）運算后通過線性組合構成控制量“（ｆ），對被控對象進

行控制，故稱ＰＩＤ控制器“ｓ“１

系統由模擬ＰＩＤ控制器和被控對象組成，其控制系統原理框圖如圖３—９。

圖３—９ＰＩＤ控制原理框圖

圖中ｕ（ｔ）為ＰＩＤ調節器輸出的調節量。

ＰＩＤ控制規律為

ｙ（『）＝耳ｆ哪）＋專昏（ｒ礎＋％警ｆ

相應地傳遞函數形式

（ｓ—ｓ）

式（３—５）中，鬈，一一比例系數；■一一積分時間常數；％一一微分時間常數。

Ｇ㈤＝器＝Ｋｅ（１＋去哪）

ＰＩＤ控制器各環節的作用及調節規律如下：

第三章變頻調速恒壓供水控制系統設計

速度，減少調節時間。微分環節主要用來控制被調量的振蕩，減小超調量，加快

系統響應時間，改善系統的動態特性。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立，互不影響。改變一個調節參數，只影響一種調

節作用，不會影響其他的調節作用。然而，對于大多數系統來說，單獨使用一神

控制規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的配合，可以

使調節器快速，平穩、準確的運行，從而獲得滿意的控制效果。

２．數字ＰＩＤ控制算法

自從計算機進入控制領域以來，用數字計算機代替模擬調節器來實現ＰＩＤ控

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

來實現的。

用一系列的采樣時刻點ｎ丁代表連續時間，用矩形法數值積分近似代替連續系

統的積分，以一階后向差分近似代替連續系統的微分，得到ＰＩＤ位置控制算法表

達式：

ｒ

個ｎ個

１

咖）２砟｛砌）＋毒丟町）＋等ｋ（”）托印－１’］｝

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

（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時刻的偏差信號，

華南理工大學碩士學位論文

ＱＧ和用水需求Ｑｕ之間不能平衡時，必然引起壓力的變化。因此，可根據壓力的

變化，柬實現對供水流量的調節，維持供水能力ＱＧ和用水需求Ｑｕ之間的平衡。

在供水系統中，變頻器、ＰＩＤ調節器、壓力變送器、電機、水泵等構成了一

個閉環控制系統，可以對供水能力實現有效的自動調節，從而實現恒壓供水。其

實現方法是，首先據用戶對水壓的要求，給ＰＩＤ調節器預置一個目標壓力值，管

道中的實際水壓，經壓力變送器轉換成４－２０ｍＡ的模擬電流信號反饋給變頻器內

置的ＰＩＤ調節器，ＰＩＤ調節器根據目標壓力值和實際壓力值的偏差，給出調節量，

自動調節變頻器輸出頻率，調節電機轉速，使供水量適應用水量的變化，取得動

態平衡，維持水壓不變。其具體調節過程如下ｎ”：

（１）．穩態運行

當供水能力ＱＧ＝用水需求Ｑ“，目標壓力信號，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，水泵轉速不變。

處于穩態運行。如圖３—１０中的０～ｔ１段。

（２）．用水量增加時

當用水量增加，用水需求Ｑｕ＞供水能力Ｑｏ，水壓下降，壓力反饋信號ｙ減

第三章變頻調速恒壓供水控制系統設計

３．４．３變頻器ＰＩＤ控制功能參數設置

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

過對功能代碼的設定來保證合理的ＰＩＤ運行ｍ·［２１

３。

ｉ．

Ｐｆ０模式預置

變頻器輸出頻率

Ｈ２０用以設置ＰＩＤ模式。

設定值０：不動作；ｌ：正動作：２：反運行。

其關系如圖３—１１。

在供水系統中，當壓力增大（即用水量減少），

霎

水泵的轉速應下降，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

華南理工大學碩士學位論文

（１）．抑制超調

增大Ｈ２３（積分時間），減小Ｈ２４（微分時間），

（２）．允許小量超調前提下加快響應速度

減小Ｈ２３（積分時間），增大Ｈ２４（微分時間），

如圖３—１２：ｂ）。

（３）．抑制比Ｈ２３（積分時間）長的周期性振蕩

增大Ｈ２３（積分時間），如圖３—１２：ｃ）。

（４）．抑制大約和Ｈ２４（微分時Ｎ）Ｎ樣長周期的振蕩

減小Ｈ２４（微分時間）。設定０時，若仍有振蕩時，減小Ｈ２２（增益），如圖３—

１２：ｄ１。

如圖３—１２：ａ）。

響應

‘Ａ％－－■

Ｉ－砒剛

ａ１

。

‘Ｌ廠＿量廂

八

ｂ）

響應

ｒｘ二峋

肛二螂螂

響應

‘廣—胡蔓前

第三章變頻調速恒壓供水控制系統設計

３．５系統可靠性措施

系統中采用的工控設備變頻器和ＰＬＣ均具有抗干抗能力強，可靠性好的特

點。但作為一個完整的系統，應用于工業現場，還是有必要考慮加強抗干擾措施，

保證運行的穩定性ｅ

ｌ、

變頻器和ＰＬＣ應安裝于專門的控制柜中，但一定要保證良好的通風環

境和散熱，ＰＬＣ四周留有５０ｍｍ以上的凈空間。環境溫度最好控制在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、

控制柜和水泵現場距離不要太遠，尤其是遠傳壓力表至變頻器的

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

而且要盡量遠離那些會產生電磁干擾的裝置。

華南理工大學碩士學位論文

體內容概括如下：

１．變頻調速恒壓供水控制系統由ＰＬＣ、變頻器、遠傳壓力表、３臺主水泵

機組、１臺輔助泵機組、控制柜等組成，采用一臺變頻器分時控制３臺主水泵的

起動、調速和運行。

２．

控制系統的硬件設計包括了設備選型、主電路設計、控制電路設計及

ＰＬＣ的Ｉ，Ｏ端子分配、變頻器接線及功能設定等。電路設計時充分考慮了水泵電

機變頻運行和工頻運行間的互鎖關系。

３．

分析了多泵供水方式的運行狀態和狀態轉換條件，由遠傳壓力表給出

的上、下極限水壓信號作為水泵切換的條件，實現水泵的分級調節。狀態轉換遵

第四章遠程監控系統設計

第四章

遠程監控系統的設計

通過ＰＬＣ控制可以實現全自動變頻恒壓供水，但由于ＰＬＣ處于現場控制，

管理人員不能及時了解現場情況，而且人機交互性差，為彌補這一不足，開發了

一套遠程監控系統，通過上位機遠程監控水泵站運行狀況，必要時可對水泵進行

遠程手動控制，從而提高故障應急處理能力，保障了供水的可靠性，進一步提升

了管理水平。

４．１

監控系統硬件構成

１．系統構成方案

監控系統采取上、下位機的方式，是上位機采用計算機，主要任務是獲取現

場水泵、變頻器等運行狀況信息，完成實時顯示，并對故障及時報警；下位機為

ＦＸ２Ｎ一３２ＭＲＰＬｃ，其任務是恒壓供水。

ＦＸ２Ｎ系列ＰＬＣ內部有一個ＲＳ一２３２接口，通過適配電纜可和計算機實現通

信。考慮到距離較遠，應選用ＲＳ－－４８５通信方式。為此在ＰＬＣ和計算機之間增

加擴展的通信模塊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通信用功能擴展板ＦＸ２Ｎ—ＣＮＶ—ＢＤ。其中擴展板

華南理工大學碩士學位論文

計算機

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

第四章遠程監控系統設計

４．２

ＦＸ系列ＰＬＣ通信協議

計算機與ＰＬＣ之間采用主從應答方式，計算機始終具有初始傳送優先權，根

據需要向ＰＬＣ發出讀寫命令；ＰＬＣ處于被動狀態響應上位機的命令。上位機讀數

據時通過通信口向ＰＬＣ發出讀數據命令，ＰＬＣ響應命令并將數據傳回上位機，上

位機通過讀通信口即可獲得所需數據；寫數據時，上位機通過通信口向ＰＬＣ發出

寫命令及數據，ＰＬＣ即可接收。當ＰＬＣ沒能正確響應時，ＰＬＣ返回沒能正確響應

標志。此外ＰＬＣ通信模塊還有其它命令代碼，上位機發出不同的命令，ＰＬＣ便能

做出相應的響應””。

為了使計算機和ＰＬＣ建立起正確的通信，必須對ＰＬＣ的特殊寄存器作相應

的設置。Ｄ８１２０用來設置數據長度、校驗形式、波特率和協議方式，即設置計算

機與ＰＬＣ的通信格式，數據寄存器Ｄ８１２０的通信格式定義如表４—１所示：Ｄ８１２１

用來設置站號，２位的１６進制數，設置范圍為００Ｈ一０ＦＨ；Ｄ８１２９用來設置校驗

時間，校驗時間指的是當從計算機向ＰＬＣ傳送數據失敗時，計算機從傳送開始至

接收最后一個字符所等待的時間，其單位為１０ｍｓ。

計算機與ＰＬＣ的通信協議有多種格式，設計中采用的協議格式如下”ｅ

Ｊ．

（１）．計算機從ＰＬＣ讀取數據

習

手

舀Ｓｐｅｃｉｆｅｓ

５ｃｈｅｍｃｔｍ）Ｉ曼懶

Ｈｅａｄｄｅｖｉｃｅ

ＩＮ‘＿帕Ⅳ耐

ｌ由岫

ｔｈｅ

ｒａｎｇｅ

ｄｅｖｉ∞ｓｔｏ

ｂｅ憎●ｄ．

ｏｎ陽ｅ毒ｗｏｒｄ

ｏｆ叫；．１＝筍ｌｍ．，ｌｆｌｅｄＯＯＷＯｍＳ雌

．∞中怕ｏｓｅｄ

Ｔ黼ｈｅｒｅｌｂｒｅ

Ｐｌ×ｌＩ．ＩＩ×ｌ

ｌ鼙

１０ｌ兮

ＩｘＩ■

瑚

Ｉ。Ｉ三ｌ等

＊

圖４—５計算機從ＰＬＣ讀取數據協議格式

（２）．計算機向寫數據

蚓制鞫篙茹ｌ燃Ｉ黧陲

慕

磊

圖４—６計算機向ＰＬＣ寫入數據協議格式

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）

數據長度

（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

標茸無

終結符無

（ｂ１２，ｂｌｌ，ｂ１０）：

有赦（Ｄ８１２４）默認；ＳＴＸ（０２Ｈ）

有效（Ｄ８１２５）默認ＩＥＦＸ（０３Ｈ）

無協議（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）

計算機鏈接Ｃ０－０·０）ｌＲＳ４８５（４２２）接口

（０，１．０）ｌＲＳ２３２Ｃ接口

ｂｌ護和校驗最有捺加和控驗再自動添加校驗碼

ｂ１４０

ｂ１５０

協議無協議專用協議

傳翰控制排議協議格式１協議格式４

注ｏ。當使用計算機與ＰＬＣ毯接時，鼉“ｏ’．

第四章遠程監控系統設計

“站號”應和要進行通信操作的ＰＬＣ方的Ｄ８１２ｌ設置的站號一致；

“ＰＣ號”指ＦＸ系列ＰＬＣ的ＣＰＵ代號，為ＦＦＨ；

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

１００ｍｓ為ＡＨ。

“字符塊”指要操作的ＰＬＣ內部軟元件單元，可以是位元件，也可是字元件。

“和校驗”是指將信息幀中從“站號”到“字符塊”的每一項ＡＳＣＩＩ碼值求

和后的十六進制數的低兩位。

計算機與ＰＬＣ之間通信數據均以十六進制的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

來自計算機的查詢信號

無校驗錯誤時，ＰＬＣ對ＥＮＱ的應答信號

檢測到錯誤時，ＰＬＣ對ＥＮＱ的應答信號

信息幀起始標志

信息幀結束標志

４．３通信程序設計

４．３．１

ＰＬＯ通信程序設計

ＰＬＣ通信程序設計只須對Ｄ８１２０、Ｄ８１２０和Ｄ８１２９三個特殊功能寄存器的

內容進行設置，確定通信格式和通信協議即可。在設計中，選擇的通信參數為波

特率９６００，偶校驗，７位數據，１位停止位，站號為ｌ，校驗時間１０ｍｓ。其梯形

圖如圖４—７。

哪

嘞

…

華南理工大學碩士學位論文

４．３．２計算機通信程序設計

１．

開發工具的選擇

Ｖｉｓｕａｌ

Ｂａｓｉｃ

本次設計選擇Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ６．０（以下簡稱ＶＢ）作為上位機軟件開

發平臺。ＶＢ是Ｗｉｎｄｏｗｓ環境下簡單、高效的可視化編程語言開發系統，不但具

有良好的界面設計能力，而且還提供了具有強大功能的通信控件Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ

ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ

６．０（以下簡稱ＭＳＣｏｍｍ控件）。該控件支持二進制數據或

ＡＳＣＩＩ碼數據的發送和接收，可對串口狀態及串口通信的信息格式進行設置。用

戶只需在自己的程序中嵌入ＭＳＣｏｍｍ控件，即可方便地實現計算機與ＰＬＣ的通

信。每個ＭＳＣｏｍｍ控件對應一個串行口。

ＭＳＣｏｍｍ控件提供了兩種處理通信的方式：一是事件驅動方式，一是查詢方

式‘２８

Ｊ【２”。

（１）．事件驅動方式ＯｎＣｏｍｍ事件是ＭｓｃＯＭＭ控件提供的唯一的事件，

第四章遠程監控系統設計

表４—４ＭＳＣｏｍｍ控件的屬性

ＣｏｍｍＰｏｒｔ

設置井返回通信端口號，類型為Ｉｎｔｅｇｅｒ。

以字符串的形式設置并返回波特率、奇偶校驗．數據位，

Ｓｅｔｔｉｎｇｓ

停止位，類型為Ｓｔｒｉｎｇｓ

設置并返回通信端口的狀態，也可打開和關閉端口，類型

ＰｏｒｔＯｐｅｎ

為Ｂｏｏｌｅａｎ

從接收緩沖區讀取數據，類型為Ｖａｒｉａｎｔ

向傳輸緩沖區寫一個字符串，類型為Ｖａｒｉａｎｔ

設置為某一定值，每當接收緩沖區收到該定值個字符時，

都會使ＭＳＣｏｍｍ控件產生ＯｎＣｏｍｍ事件。

華南理工大學碩士學位論文

ＰｒｉｖａｔｅＳｕｂＴｉｍｅｔ

１＿Ｔｉｍｅｒ（）

ＭＳＣｏｍｍｌ．ＩｎＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ＝０

’清空接收緩沖區

ｒｅａｄＳ＝Ｃｈｒ（５、４－”００ＦＦＷＲＯＹ０００００２４０”

’向０號站發送命令，以字節方式讀取ＰＬＣ內Ｙ００一Ｙ３７的數據字符串

。等待時間ｌＯＯｍｓ

ＭＳＣｏｍｍｌ．Ｏｕｔｐｕｔ＝ｒｅａｄｓ

ＤＯ

ＤｏＥｖｅｎｔｓ

Ｌｏｏｐ

Ｕｎｔｉｌ１．ＩｎＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ＞＝９

ＭＳＣｏｍｍ

’向ＰＬＣ發送命令字符串

ＲｅａｄＡｎｓｗｅｒ￥＝ＭＳＣｏｍｍｌ．Ｉｎｐｕｔ

’讀取接收緩沖區數據

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￥

第四章遠程監控系統設計

圖４—８啟動界面

２．系統組成模塊

介紹變頻恒壓供水系統中的主要設備及系統組成框圖，通過按鈕可查看系統

中各設備型號和主要參數，如圖４—９。

圖４－ｇ系統組成模塊

３．運行方式控制模塊

該模塊主要實現系統自動運行方式與遠程手動控制方式的切換及完成遠程手

華南理工大學碩士學位論文

４．工作狀態顯示模塊

在該模塊中顯示整個供水系統運行狀況，其中水泵機組正常運行時，圖４—

１１中對應指示燈呈現紅色，如果水泵機組故障，則出現變為紅色并閃爍。該模塊

還能監控變頻器、水位等運行狀況。并對故障報警。

圖４—１１工作狀態顯示模塊

４．５

本章小結

供水系統遠程監控是指通過計算機和ＰＬＣ的通信，在計算機上監視供水現場

的運行情況，并能通過計算機控制現場水泵的運行，提高系統故障應急處理能力。

本章的主要內容有：

１．監控系統由計算機、ＰＬＣ、４８５轉換模塊ＦＸ－－４８５ＰＣ—ＩＦ和通信適配器

總結

總結

本論文針對韶關學院學生公寓區的供水要求，設計了～套由ＰＬＣ、變頻器、遠

傳壓力表、多臺水泵機組、計算機、通信模塊等主要設備構成的全自動變頻恒壓

供水及其遠程監控系統，克服了傳統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，可實現高效節能、自動可靠、維護簡單、管理方便的恒壓

供水。

本系統具有以下的特點：

１．采用了可靠性高、使用簡單、編程靈活的工控設備ＰＬＣ和內置ＰＩＤ調節模

塊的變頻器作為主要控制設備，在全流量范圍內利用變頻泵的連續調節和

工頻泵的分級調節相結合，確保恒壓供水：

華南理工大學碩士學位論文

參考文獻

［１］崔金貴．變頻調速恒壓供水在建筑給水應用的理論探討．蘭州

鐵道學院學報．２０００，１期：８４～８８

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技術應用．２０００，９期：３８—３９

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［７］馬桂梅，譚光儀，陳次昌．泵變頻調速時的節能方案討論．四川工

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［８］上海熊貓機械（集團）有限公司．ＳＦＬ系列低噪音多級泵選型手

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ＵＳＥＲ’Ｓ

［２６］ＦＸ一４８５ＰＣ—ＩＦ

［２７］ＦＸＯＮ一４８５ＡＤＰ

ＧＵＩＤＥ

ＭＡＮＵＡＬ

ＡＤＡＰＴＥＲＵＳＥＲ’Ｓ

ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴｌ０Ｎ

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［２９

３李現勇．ｃ＋＋串口通信技術與工程實踐．人民郵電出版

華南理工大學碩士學位論文

［３８］趙鵬飛．ＰＬＣ控制變頻調速恒壓供水系統．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．電機電器技術．

１９９８

致謝

致謝

首先衷心感謝我的論文指導老師姚若河教授和杜平德高級工程師。

兩位老師學識淵博，治學嚴謹，勤奮敬業，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

給我方向性的指導和建議，同時也不斷鼓勵我獨立思考，提出自己的見

解，鍛煉我獨立科研的能力，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程監控系統的設計

作者：龍迎春

學位授予單位：華南理工大學

1.崔金貴變頻調速恒壓供水在建筑給水應用的理論探討[期刊論文]蘭州鐵道學院學報（自然科學版） 2000(1)

-

2.張燕賓變頻調速應用實踐 2002

3.金傳偉.毛宗源變頻調速技術在水泵控制系統中的應用[期刊論文]電子技術應用 2000(9)

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4.張燕賓SPWM變頻調速應用技術 2002

5.吳浩烈電機及電力拖動基礎 1996

6.付娟交流調速技術 2002

7.馬桂梅.譚光儀.陳次昌泵變頻調速的節能方案討論[期刊論文]四川工業學院學報 2003(3)

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8.上海熊貓機械(集團)有限公司SFL系列低噪音多級泵選型手冊

9.俞子彬醫學心理學 1999

10.林俊贊.李雄松.尹元日PLC在恒壓供水控制系統中的應用

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

-

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

-

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

-

14.郁漢琪電氣控制與可編程控序控制器應用技術 2003

15.張海根機電傳動控制 2001

16.劉金錕先進PID控制及其MATLAB仿真 2003

17.俞光昀.陳戰平.季菊花計算機控制技術 2002

18.宗白華中國園林藝術概觀 2001

19.張燕賓講座(五)變頻功能解析 2004

20.富士電機株式會社FRENIC5000G¨S/P¨S說明手冊

21.張燕賓變頻器的PID控制[期刊論文]電氣時代 2002(10)

-

22.彭增良可編程控制器與變頻器連接時應注意的問題 2003(06)

23.馬桂梅.譚光儀.陳次昌泵變頻調速的節能方案討論[期刊論文]四川工業學院學報 2003(3)

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24.魏炳貴電力拖動基礎 1994

25.周萬珍.高鴻斌PLC分析與設計應用 2004

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

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

28.王生發.潘敏VB下PLC與PC的通信在工業機器人監控系統中的應用[期刊論文]機電工程 2001(6)

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29.李現勇Visual C++串口通信技術與工程實踐 2002

30.范逸之Visual Basic與RS232串行通迅控制 2000

31.曾毅.王效良.吳皓.張朝平變頻調速控制系統的設計與維護 2002

32.馮垛生.張森變頻器的應用與維護 2003

33.張燕賓.胡綱衡.唐瑞球實用變頻調速技術培訓教程 2003

34.高欽和可編程控制器應用技術與設計實例 2004

35.萬太福.唐賢永可編程序控制器及其應用 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)

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37.韓焱青PLC在恒壓供水中的應用[期刊論文]江蘇電器 2003(1)

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

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39.葉楚安采用PLC控制的自動給水系統 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研究-儀表技術

2009(9)

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

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設計-機電產品開發與創新

2006,19(6)

該雙恒壓供水控制系統是以PLC控制為核心,變頻調速技術為基礎,并結合壓力傳感器、變頻器、水泵、繼電器、接觸器等組成.在此系統中,PLC將壓

力設定值與測量值的偏差經PID運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速調節管網的壓力,實現恒壓供水的目的.

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-工業儀表與自

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,闡述了系統組成、系統功能、工作原理和安全措施.該控制系統性能穩定可靠,已成功用于某電廠

供水系統,取得了恒壓供水的效果.

4.期刊論文喬維德.QIAO Wei-de模糊神經網絡在PLC恒壓供水控制系統中的應用-電氣傳動自動化2007,29(2)

本文介紹了一種基于模糊神經網絡控制實現PLC變頻調速恒壓供水,通過神經網絡和模糊邏輯的結合.實現管網壓力閉環自適應的控制功能.本系統操

作方便、運行可靠.具有較強的魯棒性和可靠性.

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設計-機電工程2005,22(3)

設計的變頻恒壓供水控制系統,應用了模糊控制技術,較好的克服了傳統PID控制中穩定性差、參數調整困難的問題,并提供了一種用PLC實現模糊控制

的新方法.該系統取代了高塔或水泵直接加壓供水方式,提高了供水質量,節能效果明顯,極具推廣、應用價值.

6.學位論文顧躍基于PLC的變頻調速恒壓供水系統研究2003

隨著社會經濟的飛速發展，城市建設規模的不斷擴大，人口的增多以及人們生活水平的不斷提高，對城市供水的數量、質量、穩定性提出了越來越

高的要求。我國中小城市水廠尤其是老水廠自動控制系統配置相對落后，機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

對供水管網的壓力和水位變化及時作出恰當的反應。為了保證供水，機組通常處于超壓狀態運行，不但效率低、耗電量大，而且城市管網長期處于超壓

運行狀態，曝損也十分嚴重。本論文結合我國中小城市供水廠的現狀，設計了一套基于PLC的變頻調速恒壓自動控制供水系統。變頻調速恒壓供水自動控

制系統由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器、工控機以及控制柜等構成。系統采用一臺變頻器拖動4臺電動機的起動、運行與調速，其中

兩臺大機(220Kw)和兩臺小機(160Kw)分別采用循環使用的方式運行。通過工控機和PLC連接，開發出了用于工控機的集數據采集和通信、設備狀態控制和

數據管理的監測程序，實現了監測控制。在變頻調速恒壓供水系統中，單臺水泵工況的調節是通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉速n，從而

改變水泵性能曲線得以實現的。

7.期刊論文陶宇君PLC在變頻恒壓供水技術中的應用-工業控制計算機2003,16(11)

變頻恒壓供水是發展節水灌溉,提高用水效率的有效途徑.本文介紹了以PLC為核心構成的控制系統在變頻恒壓供水技術中的應用.

8.期刊論文路野.周朝暉.Lu Ye.hou Chaohui基于PLC和變頻調速的恒壓供水系統設計-計算機與數字工程

2009,37(1)

為了解決水壓波動問題,基于恒壓供水的原理,設計并實現了由PLC、變頻器和壓力傳感器等組成的恒壓供水系統.系統根據管網壓力自動調節供水量

,實現了恒壓供水的目的.

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量,該文提出了在由PLC、變頻器、觸摸屏等器件構成的系統中,采用模糊控制方法進行

恒壓供水.通過近一年的試運行,該系統供水質量提高了,節能效果明顯.

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設計-節水灌溉

2007(8)

針對現代居民恒壓供水問題,設計了一種基于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帶

有自修正因子的模糊控制器.研究結果表明,采用帶自修正因子模糊控制系統,比傳統PID調節器、傳統的模糊控制器有系統輸出響應快、無超調、對參數

有較強的魯棒性等優點,能夠很好地解決自動恒壓供水的問題,從而產生了較高的經濟效益.

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下載時間：2010年3月16日