全自动变频恒压供水及其远程监控系统的设计

华南理工大学

硕士学位论文

全自动变频恒压供水及其远程监控系统的设计

姓名：龙迎春

申请学位级别：硕士

专业：电子与通信工程

摘要

摘要

随着我国社会经济的发展，住房制度改革的不断深入，人们生活水平的不断

提高，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了

更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定

性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理

水平的高低。传统的恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水等供水方

式普遍不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当

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ｗａｔｅｒ—ｓｕｐｐｌｙ：ｒｅｍｏｔｅ

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华南理工大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所

取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任

何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡

献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的

法律后果由本人承担。

作者签名：

龙嬷

日期：ｗｆ年孕月２

第～章绪论

第一章

１．１

绪论

选题背景及意义

随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的

不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提

出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、

稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业

管理水平的高低。

传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水。

华南理工大学硕士学位论文

稳定性、经济性直接影响到学校的正常教学和管理，也体现了学校后勤管理水平

的高低。

韶关学院随着我国高教事业的发展，校区面积迅速扩大，在校生人数规模快

速增长到了１５０００以上，形成了三片大的学生公寓区，成一个“品”字形分布，

公寓区的相互距离较远。学校的供水系统也随着公寓区的建设，形成了三个独立

的供水系统。整介系统存在的主要问题有，老公寓区仍然采取传统的水塔高位水

箱供水方式，存在能耗大，维护不方便，电机的启动电流对电网冲击大的缺点；

另外，各供水系统相距较远，学校水电管理部门平时只能定期寻查，不能及时有

效地掌握各供水系统的运行状况，往往是等用水部门打电话来才知道系统出现故

障，无法供水，造成系统运行可靠性降低：而且系统对于运行中的一些参数也无

法监控与记录。

为满足韶关学院对供水质量的要求，降低单位供水能耗，实现全自动、可靠、

稳定的供水，需要利用变频恒压供水技术对其设备进行自动化改造，并辅以计算

第一章绪论

设备来设计变频调速恒压供水系统，并引入计算机对供水系统进行远程监控与管

理，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的技术经济性能。具体而言，

论文包括以下内容：

１．

论文在对课题对进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计方案和思

路，确定论文主要的研究内容和研究方法；

２．分析供水系统基本模型及主要参数，对恒压供水系统中采用转速调节法

和阀门控制法作了比较，详细分析和论证变频调速方式在恒压供水系统中的节能

原理和效果。并分析了变频调速方式对减少供水系统的水锤效应，提高系统安全

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第二章变频调速恒压供水系统能耗与安全性分析

在供水系统中，用水量处于动态变化过程之中，采取恒速泵供水方式，无法

维持管压恒定，同时也影响设备寿命：若采取阀门控制调节流量来维持管压，必

然造成大量的电能浪费；而且水泵电机直接工频起动与制动带来的水锤效应，对

管网、阀门等也具有破坏性的影响。基于恒压、节能及安全性考虑，采取变频调

速恒压供水方式是一种不错的选择。据统计采用变频调速技术调节流量实现恒压

供水，可节能２０—５０％ｎ：［３Ｊ，节能效果相当显著。在讨论变频调速恒压供水系统节

能机理与安全性之前，有必要讨论分析供水系统的一些基本概念和特性。

２．１

供水系统的基本模型和主要参数

供水系统的基本模型如图２－１所示。

磨擦

ａ）ｂ）

图２－１供水系统的基本模型ｎ，

ｂ）基本模型ａ）全扬程的概念

图中：￡Ｄ一一水泵中心位置；

第二章变频调速恒压供水系统能耗与安全性分析

主要参数ｕ１有：

１．流量Ｑ

单位时间内流过管道内某一截面的水流量，常用单位是ｍ３／ｒａｉｎ。

２．扬程Ⅳ也称水头，是供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的

变化量，数值上等于对应的水位差。常用单位是ｍ。

３．实际扬程亿供水系统中，实际的最高水位ｈ２与最低水位ｈ，之间的水位

差，即供水系统实际提高的水位。即：ＨＢ＝ｈ２一ｈＪ。

４．全扬程所

水泵能够泵水上扬的最高水位ｈ３与吸入口的水位ｈｏ之间的

水位差。全扬程的大小说明了水泵的泵水能力。即：Ｈｒ＝圯．ｈＤ。

５．损失扬程倪全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程。协，Ｈｒ、ＨＬ之间的

关系是：晰＝１－１８＋肌。

供水系统为了保证供水，其全扬程必须大子实际扬程，这多余的扬程一方面

用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵偿各部分管道内的摩擦损失；

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１．扬程特性

以管路中的阀门开度不改变为前提，即截面积不变，水泵在某一转速下，全

扬程与流量间的关系曲线所＝ｆ

ｒＱＪ，称为扬程特性曲线。不同转速下，扬程特

性曲线不同，图２．２中的曲线①、②分别对应于转速ｎ。、ｒｌ，，且九。＞ｎ，。

曲线表明转速～定时，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻损耗也就越

大，供水系统的全扬程就越小，反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。在

这里，流量的大小取决于用户，是用水流量，用Ｑｕ，表示。

用水量一定时，即Ｑｕ不变，转速越低，水泵的供水能力越低，供水系统的

全扬程就越小。

２．管阻特性

以水泵的转速不改变为前提，阀门在某一开度下，全扬程与流量间的关系曲

线Ｈｒ＝ｆｆＱＪ，称为管阻特性曲线。不同阀门开度，管阻特性曲线不同，图２－２

中的曲线⑨对应阀门开度大于曲线④对应的阀门开度。

管阻特性表明由阀门开度来控制供水能力的特性曲线。此时转速一定，表明

水泵供水能力不变，流量的大小取决于阀门的开度，即管阻的大小，是由供水侧

来决定的，故管阻特性的流量可以认为是供水流量，用Ｑｏ表示。

第二章变频调速恒压供水系统能耗与安全性分析

２．３供水系统中恒压实现方式

对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，流

量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具

体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬

程与供水能力（由流量ＱＧ表示）和用水需求（由用水流量ＱⅣ表示）之间的平衡情况

有关。

若：供水能力ＱＧ＞用水需求ＱⅣ，则压力Ｐ上升；

若：供水能力ＱＧ＜用水需求Ｑｕ，则压力Ｐ下降；

若：供水能力ＱＧ＝用水需求ＱＵ，则压力Ｐ不变。ｗ

可见，流体压力Ｐ的变化反映了供水能力与用水需求Ｑｕ之间的矛盾。从而，

选择压力控制来调节管道流量大小。这说明，通过恒压供水就能保证供水能力和

用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。

将来用户需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。

这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。常用的调节方式有阀门控制法和转速

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式中，％一一具步电动机的同步转速，ｒ／ｍｉｎｉ

ｎ一一异步电动机转子转速，ｒ／ｍｉｎ；

Ｐ一一异步电动机磁极对数；

，一一异步电动机定子电压频率，即电源频率；

５一一转速差，

Ｊ：旦型×１００％。

ｎ．

可知调速方法有；变极调速、变转差调速和变频调整。

１．变极调速

在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。

磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。这种调速方式只适用

于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于供水系统中转速的连续

调节。

２，变转差调速

通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。

三相异步电动机的转子铜损耗为：

Ｐｃ．２＝３巧《＝ｓＰ，。“１

（２—３）

第二章变频调速恒压供水系统能耗与安全性分析

变频调速方式时，电动机的机械特性表达式ｍ：

Ｔ＝

（２—４）

式中：ｍ．一一电机相数

＾一一定子电阻

五一一定子漏电抗

＾；一一转子漏电抗折算值

频率＾从额定值，Ｎ往下调时，由文献［５］，

电机机械特性变化情况如图２－３

所示，图中ｆＮ＞，ｌ＞，２＞，３＞ｆ４。

变频调速过程的特点：

静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，

很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。电机的

运行效率高，适合于恒压供水方式中的转速控制法。

因此恒压供水系统中采取变频调速方式可以获得

优蘸的运行特性和明显的节能效果。

图２－３变频调速机械特性

２．５

变频调速恒压供水系统能耗分析

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（２—６）

鱼日墨Ｐ

制甜

（２—７）

式中，ｎ，、Ｑ１、Ｈ。、只分别为调速后的水泵转速、流量、扬程和轴功率。从以

上关系可知，当转速ｎ下降时，轴功率按转速变化的３次方关系下降，可见转速

对功率的影响是最大的。

一般在设计中，水泵均考虑在最不利工况下供水，水泵在选型上也是按水泵

额定工作点选型和安装使用，即按额定工作点设计。但在实际运行中，管网用水

量常常低于最不利工况，这时，如降低转速相对于恒速泵供水运行，能使水泵的

轴功率大大减少。

可见，在供水系统中根据用水量的大小，通过变频方式调节水泵转速的方式

来实现供水具有很好的节能效果。而且这种方式在用水量较少时节能效果更为明

显。

２．

转速控制供水系统的工作效率高Ｃ４

工作效率的定义

（１）．

供水系统的工作效率佛为水泵的供水功率ＰＧ与轴功率ＰＰ之比，即：

叩Ｐ２詈

ｒＰ

（２—８）

该效率是包含了水泵本身效率在内的整个供水系统的总效率。

式（２—８）中，ＰＰ是指水泵是在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即电

动机的输出功率；如是供水系统的输出功率也就是水获德的实际功率，由实际供

水的扬程和流量计算。供水过程中的损耗主要来自于水泵本身的机械损耗、水力

第二章变频调速恒压供永系统能耗与安全性分析

（３）．

不同控制方式时的工作效率

阀门控制法方式，因转速不变，ｎ＋＝ｌ，

减小，水泵工作的效率ｒ／ｐ‘降低十分明显。

比值里：：Ｑ·，随着流量的减小，Ｑ·

ｎ

转速控制方式时，因阀门开度不变，由式（２—５），流量Ｑ

４和转速ｎ。是成正比

的，比值里：不变。即水泵的工作效率是不变的，总是处于最佳状态。

ｎ

所以，转速控制方式与阀门控制方式相比，供水系统的工作效率要大得多。

这是变频调速供水系统具有节能效果的第二个方面。

３．

变频调速电机运行效率高

在设计供水系统时，额定扬程和额定流量通常留有裕量，而且，实际用水流

量也往往达不到额定值，电动机也常常处于轻载状态，电机恒速运行时效率和功

率因数很低。采用变频调速方式

提高了电动机的工作效率。

变频器能够根据负载轻重调整输入电压，从而

这是变频调速供水系统具有节能效果的第三个方面。

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ａ）

ｂ）

图２—４水泵的直接起动和变频起动Ｅ４］

ａ）全压起动ｂ）变频起动

图中，曲线①是异步电动机的机械特性，曲线②是水泵的机械特性，

图２－－４ｂ）中的锯齿状线是变频起动过程中的动态转矩。

由图２—４可知，水泵在直接起动过程时，因动态转矩很大，造成了强烈的水

锤效应，通过变频起动，可有效地降低动态转矩消除水锤效应。

停机过程效果类似。

３．

变频调速对供水系统安全性的作用

采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处“，Ｌ３２］：

（１）

消除了水锤效应，减少了对水泵及管道系统的冲击，可大大延长水泵

及管道系统的寿命；

第二章变频调速恒压供水系统能耗与安全性分析

流量的需求。这种调节又是以水压调节为目标。

２．

供水系统扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点是系统的工作点，实际运

行中的工作点会随用水需求的变化而改变。为保证水压恒定，采取转速调节方式

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第三章变频调速恒压供水控制系统设计

３．１

供水系统总体方案的确定

１．

用户需求

韶关学院学生公寓供水系统总体要求：

（１）．由多台水泵机组实现供水，流量范围６００ｒｎ３／ｈ，扬程６０米左右

（２）．设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水；

（３）．供水压力要求恒定，尤其在换泵时波动要小；

（４）．系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能；

（５）．各主泵均能可靠地实观软启动；

（６）．具有完善的保护和报警功能；

（７）．系统要求较高的经济运行性能；

２，方案确定

确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利

点用水需求，同时还需要结合用户用水量交化类型，考虑方案适用性、节能性，

及其它技术要求。

根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两

大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，

全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。

连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有

一定的流量。

间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零。

各种类型的水流量变化关系曲线如图３—１。

流量０流量口

ｌＯＯ％

１００％

５０％５０％

ｔ（时）

２６８１２１４１６６８１０１４１８２４

ｔ（时

２４ｌＯ２０２２２４

３１２１６２２１８２０

ａ）

ｂ、

１４

第三章变频调速恒压供水控制系统设计

流量Ｑ

１００％

流量Ｑ

１００％

５０％

５０％

ｔ（时）

２４６８１２１４１６２２２４６

１０１８２０２８１２１８

４１０１４２０２２２４

１６

ｔ（时）

ｃ）

ｄ）

图３－１用户用水量变化类型

ｂ）连续型（高流量变化型）ａ）连续型（全流量变化型）

ｃ）连续型（低流量变化型）ｄ）间歇型

韶关学院学生公寓用水量主要集中早、晚两个时间段，平时处于低流量状态，

属连续型低流量变化型。这类型用水需求在较长时间段表现为低流量，相对于设

计流量有较大的余量，采用变频调速方式来实现低流量时的恒压供水节能效果比

较明显，与通常的工频气压给水设备相比平均节能可达３０％。水泵变频软起动冲

击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运行时，噪声小。

由于用水呈低流量变化型的特点，采用多台水泵并联供水，根据用水量大小

调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级

调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。

多泵并联代替一、二台大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。

首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水可靠性

好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便；其三，小

泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，

减少投资。

处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量

泵来维持正常的泄漏和水压。

多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编

程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的ＰＬＣ通过编程来

实现。

供水系统的恒压通过压力变送器、ＰＩＤ调节器和变频器组成的闭环调节系统

控制。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。

为了减少对泵组、管道所产生的水锤，泵组配置电动蝶阀，先启水泵后打开

电动碟阀，当水泵停止时先关电动碟阀后停机。

为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块。

综合以上分析，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设

备变频器和ＰＬＣ作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，其总体结构如

华南理Ｊ二大学硕士学位论文

图３—２所示。

图３—２系统构成方案图

３．２控制系统的硬件设计

３．２．１系统主要配置的选型

１．

水泵机组的选型

根据系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设计供

第三章变频调速恒压供水控制系统设计

表３．１水泵机组参数

主要性能参数

数

型号

量格

规

流量效率转速电机功率

（ｍ３／ｈ）（％）（ｒ／ｍｉｎ）

扬

程

（ｍ）

（ｋＷ）

１１２８８

８０７２１４５０５５１５０ＳＦＬｌ６０－２０×４３ＤＮｌ５０１６０

６６６８１９２

８０４８８．４

７５５６１４５０５．５５０ＳＦＬｌ２－１５×５１ＤＮ５０１２

６０５１１４．４

６６

主泵

机组

辅助

泵机

组

２．

变频器的选型

（１）．

容量确定方法

依据所配电动机的额定功率和额定电流来确定变频器容量。在一台变频器驱

动一台电机连续运转时，变频器容量（ｋＶＡ）应同时满足下列三式一，：

‰≥旦（ｋＶＡ）

ＬＤ

（３—１）

（３—２）

（３—３）

ｒ／ＣＯＳ妒

，知≥ｋｘ４３ＵＭＩＭ×１０。（ｋＶＡ）

Ｉｃｕ≥ｋｌＭ（Ａ）

式中，Ｒ一一负载所要求的电动机的输出功率；

玎一一电动机的效率（通常在Ｏ．８５以上）；

ＣＯＳ舻一一电动机的功率因数（通常在Ｏ．８以上）：

‰～一电动机电压（Ｖ）；

，。一一电动机工频电源时的电流（Ａ）；

ｋ一一电流波形的修正系数，对ＰＷＭ方式，取１．０～１．０５；

斥。一一变频器的额定容量（ＫＶＡ）；

ＩｃＮ～一变频器的额定电流（Ａ）。

这三个式子是统一的，选择变频器容量时，应同时满足三个算式的关系，尤

其变频器电流是一个较关键的量。

（２）．型号选择

华南理工大学硕士学位论文

器，具有转矩控制功能的高功能型ｕ／，控制变频器，矢量控制高功能型变频器。

供水系统属泵类负载，低速运行时的转矩小，可选用价格相对便宜的ｕ，ｆ控制变

频器。

综合以上因素，系统选用专为风机、泵用负载设计的普通功能型Ｕ／ｆ控制方

式的富士变频器ＦＲＮ５５Ｐ１】Ｓ－４ＣＸ，变频器内置ＰＩＤ控制模块，可用于闭环控制

系统，实现恒压供水。

其主要参数及性能介绍如下。

①．主要参数

额定容量：８５（ｋＶＡ）：

额定输出电流：１１２Ａ；

过载容量：１１０％额定输出电流、１分钟；

起动转矩：５０％以上

适配电机容量：５５ＫＷ

②．

功能特点

风机、泵等二次方递减转矩专用型变频器；可选用自动和手动的转矩提升功

第三章变频调速恒压供水控制系统设计

基本指令：２７条；

功能指令：２９８条；

基本指令执行时间：Ｏ．０８微秒；

通信功能：强；

输出形式：继电型；

输出能力：２Ａ／点；

扩展输出模块ＦＸ２Ｎ一１６ＥＹＲ有１６个输出点

４．压力变送器及数显仪的选型

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Ａ

Ｂ

Ｃ

图３～３主电路图

３．２．３控制电路设计

在控制电路的设计中，必须要考虑弱电和强电之间的隔离的问题。为了保护

ＰＬＣ设备，ＰＬＣ输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在ＰＬＣ输出端口和

交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电，失电，

第三章变频调速恒压供水控制系统设计

图３—４给出了供水系统的部份电气控制线路图。

图３—４电气控制线路图

图３—４中，ＳＡ为手动／自动转换开关，ＫＡ为手动，自动转换用中间继电器，

打在①位置为手动状态，打在②位置ＫＡ吸合，为自动状态。在手动状态，通过

按钮ＳＢＩ～ＳＢｌ４控制各台泵的起停。在自动状态时，系统执行ＰＬＣ的控制程序，

自动控制泵的起停。

中间继电器ＫＡ的７个常闭触点串接在四台泵的手动控制电路上，控制四台

泵的手动运行。中间继电器ＫＡ的常开触点接ＰＬＣ的Ｘ０，控制自动变频运行程

序的执行。在自动状态时，四台泵在ＰＬＣ的控制下能够有序而平稳地切换、运行。

电机动电源的通断，由中间继电器ＫＡｌ～ＫＡ７控制接触器ＫＭＩ～ＫＭ７的线圈

来实现。ＨＬＯ为自动运行指示灯。ＦＲｌ、ＦＲ２、ＦＲ３、ＦＲ４为四台泵的热继电器

的常闭触点，对电机进行过流保护。

３．２．４ＰＬＣ

Ｉ／Ｏ端子分配

表３—２Ｉ／Ｏ端子分配表

ＰＬＣ

功能注释现场器件与接线端子ＩＯ地址

自动／手动功能转换

变频器输出频率极限信号变频器Ｙ２端子

压力下限到达信号远传压力表压力上限电节点

中间继电器ＫＡ常开触点

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输远传压力表压力下限电节点压力上限到达信号

水池水位下限信号水池水位下限信号（缺水）

变频器输出报警继电器３０Ａ变频器故障报警信号

ＦＲｌ常开触点ｌ＃电机过载信号

入

Ｘ３

Ｘ４

Ｘ５

Ｘ６

Ｘ７

Ｘ１０

Ｘ１１

Ｘ１２

Ｘ１３

Ｘ１４

Ｘ１５

Ｘ１６

Ｘ１７

Ｙ０

Ｙ１

Ｙ２

第三章变频调速恒压供水控制系统设计

３．２．５

变频器接线及功能设定

表３—３变频器接线及功能设定

陵频器

现场器件与接线端子注释

端子

功能

参数

预置代码

启动／停止变频运行ＰＬＣ的Ｙ０端子

ＰＬＣ的ＣＯＭ

ＦＷＤ

ＣＭ

Ｘ１Ｅ０１７

ＹｌＥ２００

Ｙ２Ｅ２１１

Ｙ４Ｅ２３７

３０Ａ

３０Ｃ

ＰＬＣ的Ｙ１６端子

ＫＡ２０线圈变频器运行指示

ＰＬＣ的Ｘ１端子

ＫＡ２ｌ线圈

ＰＬＣ的Ｙ１６动作，自由停车ＢＸ

频率极限信号输出

变频器过载报警指示

变频器故障总报警信号

接公共端ＰＬＣ的ＣＯＭ端

兰亘堡三查堂堡主兰售堡兰

３．３

ＰＬＣ控制程序的设计

３．３．１全自动变频。厘压运行方式水泵运行状态及转换过程分析

１．

转换过程分析

启动自动变频运行方式时，首先起动辅助稳压泵工频运行供水，当用水量大，

超过辅助泵最大供水能力而无法维持管道内水压时，延时１分钟ＰＬＣ通过变频器

启动Ｉ号主水泵供水，同时关闭辅助泵的运行。在１号主水泵供水过程中，变频

器根据水压的变化通过ＰＩＤ调节器调整１择主水泵的转速来控制流量，维持水压。

若用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率时，仍达不到设定压力，延时

分钟，由ＰＬＣ给出控制信号，将１号主水泵与变频器断开，转为工频恒速运行，

同时变频器对２号主水泵软启动。系统工作于Ｉ号工频、２号变频的两台水泵并

联运行的供水状态。若用水量继续增加，两水泵也不能满足水压要求时，将按上

述过程继续增开水泵台数……直到满足水压要求。整个加泵过程中，总是保证原

第三章变频调速恒压供水控制系统设计

表３—４系统供水状态

状态符号供水状态

ＳＯ

Ｓ２０

Ｓ２ｌ

Ｓ２２

￥２３

￥２４

Ｓ２５

￥２６

￥２７

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３．状态转换条件

供水状态之间的转换条件是依据变频器输出频率是否到达极限频率及水压是

否达到上、下限值。设变频器输出频率达到极限频率时的信号为ｘｌ，水压达到设

定压力下限值时的欠压信号为Ｘ２，水压达到设定压力上限值时的超压信号为Ｘ３。

从辅助泵切换到主泵条件：满足Ｘ２；

从主泵切换到辅助泵条件：同时满足ｘｌ、Ｘ３：

增泵条件：同时满足ｘ１、Ｘ２，

减泵条件：同时满足ｘ１、Ｘ３；

４．状态转换过程的实现方法

从辅助泵切换到主泵只需断丌辅助泵的供电，同时用变频器以起始频率起动

一台主泵的运行即可：

从主泵切换到辅助泵只需将主泵和变频器的输出断开，同时将辅助泵直接投

第三章变频调速恒压供水控制系统设计

时，快速切换。这种方法十分有效，可靠，对于１００

ｋＷ以上的大容量电机一般

要求采用这一方法ｃ１２］。

（３）．利用变频器的自由停车指令ＢＸ来实现的快速灭磁法。这一方法的实质是

通过定子绕组中和变频器逆变桥上的续流二极管组成的回路来达到快速灭磁的目

的ｎ”。其动作顺序是，在电机从变频器断开前，ＰＬＣ的Ｙ１６给出动作信号，变频

器ＸＩ端子功能生效，自由停车命令ＢＸ生效，变频器立即停止输出，经短暂延

时（约５００ｍｓ）””灭磁后，将电机从变频器断开，并立即投入电网。这种方法简

单有效、控制方便，本次设计中采用了这一方法。

３．３．２

ＰＬｃ程序设计方法

１．ＰＬＣ编程语言

华南理工大学硕士学位论文

（２）．梯形图是ＰＬＣ形象化的编程方式，其左右两侧母线并不接任何电源，因

而图中各支路也没有真实的电流流过。但为了读图方便，常用“有电流”、“得电”

等来形象地描述用户程序解算中满足输出线圈的动作条件，它仅仅是概念上虚拟

的“电流”，而且认为它只能由左向右单方向流；层次的改变也只能自上而下。

（３）．梯形图中的继电器实质上是变量存储器中的位触发器，相应某位触发器

为…１’态，表示该继电器线圈通电，其动合触点闭合，动断触点打开，反之为“０

态”。梯形图中继电器的线圈又是广义的，除了输出继电器、内部继电器线圈外，

还包括定时器、计数器、移位寄存器、状态器等的线圈以及各种比较、运算的结

果。

（４）．梯形图中信息流程从左到右，继电器线圈应与右母线直接相连，线圈的

右边不能有触点，而左边必须有触点。

（５）．继电器线圈在一个程序中不能重复使用；而继电器的触点，编程中可以

第三章变频调速恒压供水控制系统设计

顺序扫描的工作方式简单直观，它简化了程序的设计，并为ＰＬＣ的可靠运行

提供了非常有用的保证。一方面，扫描到的指令被执行后，其结果马上就可以被

将要扫描到的指令所利用。另一方面，还可以通过ＣＰＵ设置的定时器来监视每次

扫描是否超过规定的时间，从而避免了由于ＣＰＵ内部故障使程序执行进入死循环

而造成故障的影响

ＰＬＣ的工作过程就是程序执行过程。它分为三个阶段进行，即输入采样阶段，

程序执行阶段，输出刷新阶段，如图３—６所示ｃ１４

３。

ＹＯ

Ｙｌ

Ｙ２

辅助继电器

图３—６ＰＬＣ的扫描过程示意图一

（１）．

输入采样阶段

华南理工大学硕士学位论文

当程序执行完后，进入输出刷新阶段。此时，将元素映像寄存器中所有输出

继电器的状态转存到输出锁存电路，再去驱动用户输出设备（负载），这才是ＰＬＣ

的实际输出。

ＰＬＣ重复地执行上述三个阶段，每重复一次的时间就是一个工作周期（或扫描

周期）。工作周期的长短与程序的长短（即组成程序的语句多少）、指令的种类和

ＣＰＵ执行的速度有很大关系。一般说柬，一个扫描过程中，执行指令的时间占了

绝大部分。

ＰＬＣ在每次扫描中，对输入信号采样一次，对输出刷新一次。这就保证了ＰＬＣ

第二章变频调速恒压供水控制系统设计

图３－－７

ＰＬＣ控制程序主流程

１．系统初始化模块

在初始化模块中设置通信用数据寄存器Ｄ８１２０、Ｄ８１２１、Ｄ８１２９的通信参数，

具体设置程序见论文４．３节：置标志Ｍ６＝１，在自动运行时，首先起动辅助泵进

入ＳＯ状态；置标志Ｍ０＝１，保证辅助泵运行状态ＳＯ首次转入主泵运行状态￥２０。

初始化过程通过Ｍ８００２产生的初始化脉冲来完成。

华南理工大学硕士学位论文

辅助泵转主泵运行是指由辅助泵供水，水压达到压力下限时，延时１分钟，

关闭辅助泵，用变频器启动一台主泵运行的过程。即由状态ｓＯ转入￥２０（或￥２１、

￥２２）的过程。具体起动哪一台主泵，进入哪一种状态，要依据其上一个状态，

按有效状态循环法的原则来操作。在编程时，以辅助继电器Ｍ３、Ｍ２、Ｍ１作为

￥２０、￥２１、￥２２状态的转入标志，三者按循环方式动作，保证￥２０、ｓ２ｌ、￥２２状

态的循环。

３．增加主泵的状态转换模块

增加主泵是将当前主泵由变频转工频，同时变频起动一台新水泵的切换过程。

当变频器输出上限频率，水压达到压力下限时，延时１分钟，ＰＬＣ给出控制信号，

ＰＬＣ的Ｙ１６得电，变频器的ｘ１端子对ＣＭ短接，变频器的自由停车指令ＢＸ生

效，切断变频器输出，延时５００ｍｓ（灭磁作用）后，将主水泵与变频器断开，延

时１００ｍｓ（防止变频器输出对工频短路），将其转为工频恒速运行，同时ＰＬＣ的

第三章变频调速恒压供水控制系统设计

５．远程手动控制通信模块

初始化模块中设置好ＰＬＣ和上位机的通信协议后，在ＰＬＣ程序执行过程中，

当接收到上位机的远程手动控制命令置Ｍ５Ｍ４＝１０时，ＰＬＣ程序自动转入远程手

动控制运行方式，接收水泵运行状态控制字。当接收到命令置Ｍ５Ｍ４＝０１时，先

停止全部水泵的运行，延时后重新转入全自动恒压变频运行方式。

６．故障处理模块

对变频器故障、热继电器动作、空气开关跳开、水位过低等故障给出声光报

警，并做出相应的故障处理。

（１）．欠水位故障

进入状态￥３０，停止全部的电机运行，防止水泵空转。当欠水位信号解除后，

延时一段时间，自动进入ＳＯ状态。

（２）．变频器故障

变频器出现故障时，对应ＰＬＣ输入继电器Ｘ５动作，系统自动转入自动工频

华南理工人学硕十学位论文

１．模拟ｐＩＤ控制及算法

ＰＩＤ控制器是一种线性控制器，它是对给定值，（ｆ）和实际输出值ｙ（ｆ）之间的偏

差ｅ（ｔ）；

Ｐ（，）＝），（，）一，（，）（３—４）

经比例（Ｐ）、积分（Ｉ）和微分（Ｄ）运算后通过线性组合构成控制量“（ｆ），对被控对象进

行控制，故称ＰＩＤ控制器“ｓ“１

系统由模拟ＰＩＤ控制器和被控对象组成，其控制系统原理框图如图３—９。

图３—９ＰＩＤ控制原理框图

图中ｕ（ｔ）为ＰＩＤ调节器输出的调节量。

ＰＩＤ控制规律为

ｙ（『）＝耳ｆ哪）＋专昏（ｒ础＋％警ｆ

相应地传递函数形式

（ｓ—ｓ）

式（３—５）中，鬈，一一比例系数；■一一积分时间常数；％一一微分时间常数。

Ｇ㈤＝器＝Ｋｅ（１＋去哪）

ＰＩＤ控制器各环节的作用及调节规律如下：

第三章变频调速恒压供水控制系统设计

速度，减少调节时间。微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快

系统响应时间，改善系统的动态特性。但过大的Ｌ对于干扰信号的抑制能力却将

减弱。

ＰＩＤ的三种作用是相互独立，互不影响。改变一个调节参数，只影响一种调

节作用，不会影响其他的调节作用。然而，对于大多数系统来说，单独使用一神

控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以

使调节器快速，平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。

２．数字ＰＩＤ控制算法

自从计算机进入控制领域以来，用数字计算机代替模拟调节器来实现ＰＩＤ控

制算法具有更大的灵活性和可靠性。数字ＰＩＤ控制算法是通过对式（３—５）离散化

来实现的。

用一系列的采样时刻点ｎ丁代表连续时间，用矩形法数值积分近似代替连续系

统的积分，以一阶后向差分近似代替连续系统的微分，得到ＰＩＤ位置控制算法表

达式：

ｒ

个ｎ个

１

咖）２砟｛砌）＋毒丢町）＋等ｋ（”）托印－１’］｝

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

（３—７）

式（３—７）中，ｒ～一采样周期，ｎ一一采样序号，８（，１）一一第ｎ时刻的偏差信号，

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ＱＧ和用水需求Ｑｕ之间不能平衡时，必然引起压力的变化。因此，可根据压力的

变化，柬实现对供水流量的调节，维持供水能力ＱＧ和用水需求Ｑｕ之间的平衡。

在供水系统中，变频器、ＰＩＤ调节器、压力变送器、电机、水泵等构成了一

个闭环控制系统，可以对供水能力实现有效的自动调节，从而实现恒压供水。其

实现方法是，首先据用户对水压的要求，给ＰＩＤ调节器预置一个目标压力值，管

道中的实际水压，经压力变送器转换成４－２０ｍＡ的模拟电流信号反馈给变频器内

置的ＰＩＤ调节器，ＰＩＤ调节器根据目标压力值和实际压力值的偏差，给出调节量，

自动调节变频器输出频率，调节电机转速，使供水量适应用水量的变化，取得动

态平衡，维持水压不变。其具体调节过程如下ｎ”：

（１）．稳态运行

当供水能力ＱＧ＝用水需求Ｑ“，目标压力信号，和压力反馈信号ｙ相等，偏差

ｅ＝Ｙ一，＝０，ＰＩＤ输出的控制增量Ａｕ＝０，变频器输出频率不变，水泵转速不变。

处于稳态运行。如图３—１０中的０～ｔ１段。

（２）．用水量增加时

当用水量增加，用水需求Ｑｕ＞供水能力Ｑｏ，水压下降，压力反馈信号ｙ减

第三章变频调速恒压供水控制系统设计

３．４．３变频器ＰＩＤ控制功能参数设置

变频器ＰＩＤ控制功能代码有Ｈ２０、Ｈ２１、Ｈ２２、Ｈ２３、Ｈ２４、Ｈ２５共６个，通

过对功能代码的设定来保证合理的ＰＩＤ运行ｍ·［２１

３。

ｉ．

Ｐｆ０模式预置

变频器输出频率

Ｈ２０用以设置ＰＩＤ模式。

设定值０：不动作；ｌ：正动作：２：反运行。

其关系如图３—１１。

在供水系统中，当压力增大（即用水量减少），

霎

水泵的转速应下降，即变频器输出频率与被控量（水

压）的变化趋势相反，所以选取模式２。

图３—１１

ＰＩＤ模式

华南理工大学硕士学位论文

（１）．抑制超调

增大Ｈ２３（积分时间），减小Ｈ２４（微分时间），

（２）．允许小量超调前提下加快响应速度

减小Ｈ２３（积分时间），增大Ｈ２４（微分时间），

如图３—１２：ｂ）。

（３）．抑制比Ｈ２３（积分时间）长的周期性振荡

增大Ｈ２３（积分时间），如图３—１２：ｃ）。

（４）．抑制大约和Ｈ２４（微分时Ｎ）Ｎ样长周期的振荡

减小Ｈ２４（微分时间）。设定０时，若仍有振荡时，减小Ｈ２２（增益），如图３—

１２：ｄ１。

如图３—１２：ａ）。

响应

‘Ａ％－－■

Ｉ－砒刚

ａ１

。

‘Ｌ厂＿量厢

八

ｂ）

响应

ｒｘ二峋

肛二螂螂

响应

‘广—胡蔓前

第三章变频调速恒压供水控制系统设计

３．５系统可靠性措施

系统中采用的工控设备变频器和ＰＬＣ均具有抗干抗能力强，可靠性好的特

点。但作为一个完整的系统，应用于工业现场，还是有必要考虑加强抗干扰措施，

保证运行的稳定性ｅ

ｌ、

变频器和ＰＬＣ应安装于专门的控制柜中，但一定要保证良好的通风环

境和散热，ＰＬＣ四周留有５０ｍｍ以上的净空间。环境温度最好控制在４５℃以下，

相对湿度在５—９０％，尽量不要安装在多尘、有油烟、有导电灰尘、有腐蚀性气体、

振动、热源或潮湿的地方。

２、

控制柜和水泵现场距离不要太远，尤其是远传压力表至变频器的

４～２０ｍＡ电流信号和至ＰＬＣ的压力上、下限开关量信号的传输电缆要尽可能短，

而且要尽量远离那些会产生电磁干扰的装置。

华南理工大学硕士学位论文

体内容概括如下：

１．变频调速恒压供水控制系统由ＰＬＣ、变频器、远传压力表、３台主水泵

机组、１台辅助泵机组、控制柜等组成，采用一台变频器分时控制３台主水泵的

起动、调速和运行。

２．

控制系统的硬件设计包括了设备选型、主电路设计、控制电路设计及

ＰＬＣ的Ｉ，Ｏ端子分配、变频器接线及功能设定等。电路设计时充分考虑了水泵电

机变频运行和工频运行间的互锁关系。

３．

分析了多泵供水方式的运行状态和状态转换条件，由远传压力表给出

的上、下极限水压信号作为水泵切换的条件，实现水泵的分级调节。状态转换遵

第四章远程监控系统设计

第四章

远程监控系统的设计

通过ＰＬＣ控制可以实现全自动变频恒压供水，但由于ＰＬＣ处于现场控制，

管理人员不能及时了解现场情况，而且人机交互性差，为弥补这一不足，开发了

一套远程监控系统，通过上位机远程监控水泵站运行状况，必要时可对水泵进行

远程手动控制，从而提高故障应急处理能力，保障了供水的可靠性，进一步提升

了管理水平。

４．１

监控系统硬件构成

１．系统构成方案

监控系统采取上、下位机的方式，是上位机采用计算机，主要任务是获取现

场水泵、变频器等运行状况信息，完成实时显示，并对故障及时报警；下位机为

ＦＸ２Ｎ一３２ＭＲＰＬｃ，其任务是恒压供水。

ＦＸ２Ｎ系列ＰＬＣ内部有一个ＲＳ一２３２接口，通过适配电缆可和计算机实现通

信。考虑到距离较远，应选用ＲＳ－－４８５通信方式。为此在ＰＬＣ和计算机之间增

加扩展的通信模块ＲＳ一２３２Ｃ／４８５变换接口Ｆｘ一４８５Ｐｃ一１Ｆ、ＲＳ－－４８５通信适配

器ＦＸｏＮ－－４８５ＡＤＰ和ＲＳ一４８５通信用功能扩展板ＦＸ２Ｎ—ＣＮＶ—ＢＤ。其中扩展板

华南理工大学硕士学位论文

计算机

信号名称什号信号名称什号

ｓＤｆｆｘａ））

ＲＤ（ｍ）

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２

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ＩⅡＲ（ＩＹｒＲ）

∞

图４—２ＲＳ一２３２Ｃ与Ｆｘ一４８５Ｐｃ—ＩＦ硬件链线ｍ

第四章远程监控系统设计

４．２

ＦＸ系列ＰＬＣ通信协议

计算机与ＰＬＣ之间采用主从应答方式，计算机始终具有初始传送优先权，根

据需要向ＰＬＣ发出读写命令；ＰＬＣ处于被动状态响应上位机的命令。上位机读数

据时通过通信口向ＰＬＣ发出读数据命令，ＰＬＣ响应命令并将数据传回上位机，上

位机通过读通信口即可获得所需数据；写数据时，上位机通过通信口向ＰＬＣ发出

写命令及数据，ＰＬＣ即可接收。当ＰＬＣ没能正确响应时，ＰＬＣ返回没能正确响应

标志。此外ＰＬＣ通信模块还有其它命令代码，上位机发出不同的命令，ＰＬＣ便能

做出相应的响应””。

为了使计算机和ＰＬＣ建立起正确的通信，必须对ＰＬＣ的特殊寄存器作相应

的设置。Ｄ８１２０用来设置数据长度、校验形式、波特率和协议方式，即设置计算

机与ＰＬＣ的通信格式，数据寄存器Ｄ８１２０的通信格式定义如表４—１所示：Ｄ８１２１

用来设置站号，２位的１６进制数，设置范围为００Ｈ一０ＦＨ；Ｄ８１２９用来设置校验

时间，校验时间指的是当从计算机向ＰＬＣ传送数据失败时，计算机从传送开始至

接收最后一个字符所等待的时间，其单位为１０ｍｓ。

计算机与ＰＬＣ的通信协议有多种格式，设计中采用的协议格式如下”ｅ

Ｊ．

（１）．计算机从ＰＬＣ读取数据

习

手

舀Ｓｐｅｃｉｆｅｓ

５ｃｈｅｍｃｔｍ）Ｉ曼懒

Ｈｅａｄｄｅｖｉｃｅ

ＩＮ‘＿帕Ⅳ耐

ｌ由岫

ｔｈｅ

ｒａｎｇｅ

ｄｅｖｉ∞ｓｔｏ

ｂｅ憎●ｄ．

ｏｎ阳ｅ毒ｗｏｒｄ

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．∞中怕ｏｓｅｄ

Ｔ黼ｈｅｒｅｌｂｒｅ

Ｐｌ×ｌＩ．ＩＩ×ｌ

ｌ鼙

１０ｌ兮

ＩｘＩ■

瑚

Ｉ。Ｉ三ｌ等

＊

图４—５计算机从ＰＬＣ读取数据协议格式

（２）．计算机向写数据

蚓制鞫篙茹ｌ燃Ｉ黧陲

慕

磊

图４—６计算机向ＰＬＣ写入数据协议格式

表４—１

Ｄ８１：２０通信格式定义表ｍ

功说明

能

位号名称

ｂ０

位为ＯＦＦ（＝ｏ）

数据长度

（ｂ２，ｂ１）ｔ

位为０Ｍ一１）

８位７位

ｂｌ

ｂ２

奇偶

（Ｏ．Ｏ）：无

（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

标茸无

终结符无

（ｂ１２，ｂｌｌ，ｂ１０）：

有赦（Ｄ８１２４）默认；ＳＴＸ（０２Ｈ）

有效（Ｄ８１２５）默认ＩＥＦＸ（０３Ｈ）

无协议（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）

计算机链接Ｃ０－０·０）ｌＲＳ４８５（４２２）接口

（０，１．０）ｌＲＳ２３２Ｃ接口

ｂｌ护和校验最有捺加和控验再自动添加校验码

ｂ１４０

ｂ１５０

协议无协议专用协议

传翰控制排议协议格式１协议格式４

注ｏ。当使用计算机与ＰＬＣ毯接时，鼍“ｏ’．

第四章远程监控系统设计

“站号”应和要进行通信操作的ＰＬＣ方的Ｄ８１２ｌ设置的站号一致；

“ＰＣ号”指ＦＸ系列ＰＬＣ的ＣＰＵ代号，为ＦＦＨ；

“等待延时”范围为０—１５０毫秒，单位为１０ｍｓ，以十六进制ＯＨ．ＦＨ表示，如

１００ｍｓ为ＡＨ。

“字符块”指要操作的ＰＬＣ内部软元件单元，可以是位元件，也可是字元件。

“和校验”是指将信息帧中从“站号”到“字符块”的每一项ＡＳＣＩＩ码值求

和后的十六进制数的低两位。

计算机与ＰＬＣ之间通信数据均以十六进制的ＡＳＣＩＩ码表示。通信中的主要控

制字符的ＡＳＣＩＩ码及其含义见表４—３。

表４—３控制字符的ＡＳＣＩＩ码及其含义表

控制字符含义

ＥＮＱ

ＡＣＫ

ＮＡＫ１５Ｈ

ＳＴＸ０２Ｈ

ＥＴＸ０３Ｈ

ＡＳＣＩＩ码

０５Ｈ

０６Ｈ

来自计算机的查询信号

无校验错误时，ＰＬＣ对ＥＮＱ的应答信号

检测到错误时，ＰＬＣ对ＥＮＱ的应答信号

信息帧起始标志

信息帧结束标志

４．３通信程序设计

４．３．１

ＰＬＯ通信程序设计

ＰＬＣ通信程序设计只须对Ｄ８１２０、Ｄ８１２０和Ｄ８１２９三个特殊功能寄存器的

内容进行设置，确定通信格式和通信协议即可。在设计中，选择的通信参数为波

特率９６００，偶校验，７位数据，１位停止位，站号为ｌ，校验时间１０ｍｓ。其梯形

图如图４—７。

哪

嘞

…

华南理工大学硕士学位论文

４．３．２计算机通信程序设计

１．

开发工具的选择

Ｖｉｓｕａｌ

Ｂａｓｉｃ

本次设计选择Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ６．０（以下简称ＶＢ）作为上位机软件开

发平台。ＶＢ是Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下简单、高效的可视化编程语言开发系统，不但具

有良好的界面设计能力，而且还提供了具有强大功能的通信控件Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ

ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ

６．０（以下简称ＭＳＣｏｍｍ控件）。该控件支持二进制数据或

ＡＳＣＩＩ码数据的发送和接收，可对串口状态及串口通信的信息格式进行设置。用

户只需在自己的程序中嵌入ＭＳＣｏｍｍ控件，即可方便地实现计算机与ＰＬＣ的通

信。每个ＭＳＣｏｍｍ控件对应一个串行口。

ＭＳＣｏｍｍ控件提供了两种处理通信的方式：一是事件驱动方式，一是查询方

式‘２８

Ｊ【２”。

（１）．事件驱动方式ＯｎＣｏｍｍ事件是ＭｓｃＯＭＭ控件提供的唯一的事件，

第四章远程监控系统设计

表４—４ＭＳＣｏｍｍ控件的属性

ＣｏｍｍＰｏｒｔ

设置井返回通信端口号，类型为Ｉｎｔｅｇｅｒ。

以字符串的形式设置并返回波特率、奇偶校验．数据位，

Ｓｅｔｔｉｎｇｓ

停止位，类型为Ｓｔｒｉｎｇｓ

设置并返回通信端口的状态，也可打开和关闭端口，类型

ＰｏｒｔＯｐｅｎ

为Ｂｏｏｌｅａｎ

从接收缓冲区读取数据，类型为Ｖａｒｉａｎｔ

向传输缓冲区写一个字符串，类型为Ｖａｒｉａｎｔ

设置为某一定值，每当接收缓冲区收到该定值个字符时，

都会使ＭＳＣｏｍｍ控件产生ＯｎＣｏｍｍ事件。

华南理工大学硕士学位论文

ＰｒｉｖａｔｅＳｕｂＴｉｍｅｔ

１＿Ｔｉｍｅｒ（）

ＭＳＣｏｍｍｌ．ＩｎＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ＝０

’清空接收缓冲区

ｒｅａｄＳ＝Ｃｈｒ（５、４－”００ＦＦＷＲＯＹ０００００２４０”

’向０号站发送命令，以字节方式读取ＰＬＣ内Ｙ００一Ｙ３７的数据字符串

。等待时间ｌＯＯｍｓ

ＭＳＣｏｍｍｌ．Ｏｕｔｐｕｔ＝ｒｅａｄｓ

ＤＯ

ＤｏＥｖｅｎｔｓ

Ｌｏｏｐ

Ｕｎｔｉｌ１．ＩｎＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ＞＝９

ＭＳＣｏｍｍ

’向ＰＬＣ发送命令字符串

ＲｅａｄＡｎｓｗｅｒ￥＝ＭＳＣｏｍｍｌ．Ｉｎｐｕｔ

’读取接收缓冲区数据

ＥｎｄＳＵｂ

ＰｒｉｖａｔｅＳｕｂ

Ｃｍｄｓｔａｒｔ—Ｃｌｉｃｋ（）

ＭＳＣｏｍｍｌ．ＩｎＢｕｆｆｅｒＣｏｕｎｔ＝０

１清接收缓存

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

’向０号站发送命令，将手动控制字ＣｍｄＤａｔａ￥以ＰＬＣ通信控制格式

的“位写”方式赋给字符串ＢＷ￥

第四章远程监控系统设计

图４—８启动界面

２．系统组成模块

介绍变频恒压供水系统中的主要设备及系统组成框图，通过按钮可查看系统

中各设备型号和主要参数，如图４—９。

图４－ｇ系统组成模块

３．运行方式控制模块

该模块主要实现系统自动运行方式与远程手动控制方式的切换及完成远程手

华南理工大学硕士学位论文

４．工作状态显示模块

在该模块中显示整个供水系统运行状况，其中水泵机组正常运行时，图４—

１１中对应指示灯呈现红色，如果水泵机组故障，则出现变为红色并闪烁。该模块

还能监控变频器、水位等运行状况。并对故障报警。

图４—１１工作状态显示模块

４．５

本章小结

供水系统远程监控是指通过计算机和ＰＬＣ的通信，在计算机上监视供水现场

的运行情况，并能通过计算机控制现场水泵的运行，提高系统故障应急处理能力。

本章的主要内容有：

１．监控系统由计算机、ＰＬＣ、４８５转换模块ＦＸ－－４８５ＰＣ—ＩＦ和通信适配器

总结

总结

本论文针对韶关学院学生公寓区的供水要求，设计了～套由ＰＬＣ、变频器、远

传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压

供水及其远程监控系统，克服了传统供水方式普遍存在的效率低、可靠性差、自

动化程度不高等缺点，可实现高效节能、自动可靠、维护简单、管理方便的恒压

供水。

本系统具有以下的特点：

１．采用了可靠性高、使用简单、编程灵活的工控设备ＰＬＣ和内置ＰＩＤ调节模

块的变频器作为主要控制设备，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和

工频泵的分级调节相结合，确保恒压供水：

华南理工大学硕士学位论文

参考文献

［１］崔金贵．变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨．兰州

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［２７］ＦＸＯＮ一４８５ＡＤＰ

ＧＵＩＤＥ

ＭＡＮＵＡＬ

ＡＤＡＰＴＥＲＵＳＥＲ’Ｓ

ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴｌ０Ｎ

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华南理工大学硕士学位论文

［３８］赵鹏飞．ＰＬＣ控制变频调速恒压供水系统．自动化博览．２００３，２

期：

４８～５０

［３９］叶楚安

采用ＰＬＣ控制的自动给水系统．电机电器技术．

１９９８

致谢

致谢

首先衷心感谢我的论文指导老师姚若河教授和杜平德高级工程师。

两位老师学识渊博，治学严谨，勤奋敬业，使我于耳濡目染中受益匪浅。

尤其是存我课题开展和论文写作过程中，他们倾注了大量的心血，不断

给我方向性的指导和建议，同时也不断鼓励我独立思考，提出自己的见

解，锻炼我独立科研的能力，这一切都将使我终生受益。

衷心感谢余波年高级工程师对我课题开展给予的大力支持和帮助。

全自动变频恒压供水及其远程监控系统的设计

作者：龙迎春

学位授予单位：华南理工大学

1.崔金贵变频调速恒压供水在建筑给水应用的理论探讨[期刊论文]兰州铁道学院学报（自然科学版） 2000(1)

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2.张燕宾变频调速应用实践 2002

3.金传伟.毛宗源变频调速技术在水泵控制系统中的应用[期刊论文]电子技术应用 2000(9)

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4.张燕宾SPWM变频调速应用技术 2002

5.吴浩烈电机及电力拖动基础 1996

6.付娟交流调速技术 2002

7.马桂梅.谭光仪.陈次昌泵变频调速的节能方案讨论[期刊论文]四川工业学院学报 2003(3)

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8.上海熊猫机械(集团)有限公司SFL系列低噪音多级泵选型手册

9.俞子彬医学心理学 1999

10.林俊赞.李雄松.尹元日PLC在恒压供水控制系统中的应用

11.吴小雨恒压变量供水装置中PLC的应用[期刊论文]低压电器 2002(1)

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12.彭巨光.谢勇异步电机变频起动、切换的分析与研究[期刊论文]电机电器技术 2003(1)

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13.胡纲衡.唐瑞球.江志敏.何?.成交流变频调速的切换控制技术[期刊论文]电工技术杂志 2001(6)

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14.郁汉琪电气控制与可编程控序控制器应用技术 2003

15.张海根机电传动控制 2001

16.刘金锟先进PID控制及其MATLAB仿真 2003

17.俞光昀.陈战平.季菊花计算机控制技术 2002

18.宗白华中国园林艺术概观 2001

19.张燕宾讲座(五)变频功能解析 2004

20.富士电机株式会社FRENIC5000G¨S/P¨S说明手册

21.张燕宾变频器的PID控制[期刊论文]电气时代 2002(10)

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22.彭增良可编程控制器与变频器连接时应注意的问题 2003(06)

23.马桂梅.谭光仪.陈次昌泵变频调速的节能方案讨论[期刊论文]四川工业学院学报 2003(3)

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24.魏炳贵电力拖动基础 1994

25.周万珍.高鸿斌PLC分析与设计应用 2004

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

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

28.王生发.潘敏VB下PLC与PC的通信在工业机器人监控系统中的应用[期刊论文]机电工程 2001(6)

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29.李现勇Visual C++串口通信技术与工程实践 2002

30.范逸之Visual Basic与RS232串行通迅控制 2000

31.曾毅.王效良.吴皓.张朝平变频调速控制系统的设计与维护 2002

32.冯垛生.张森变频器的应用与维护 2003

33.张燕宾.胡纲衡.唐瑞球实用变频调速技术培训教程 2003

34.高钦和可编程控制器应用技术与设计实例 2004

35.万太福.唐贤永可编程序控制器及其应用 1996

36.吴俊杰用Visual Basic编写PLC串行通讯程序[期刊论文]中国电梯 2001(8)

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38.赵鹏飞PLC控制变频调速恒压供水系统[期刊论文]自动化博览 2003(2)

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39.叶楚安采用PLC控制的自动给水系统 1998(02)

1.期刊论文闵绚.谭思云.陈敏.MIN Xuan.TAN Si-yun.CHEN Min基于PLC的变频恒压供水系统研究-仪表技术

2009(9)

介绍一种基于S7-300 PLC和变频器的恒压供水控制系统,并对系统组成、功能及工作原理进行了详细地描述.

2.期刊论文张美英.屈飞.ZHANG Mei-Ying.QU Fei基于PLC的双恒压供水控制系统设计-机电产品开发与创新

2006,19(6)

该双恒压供水控制系统是以PLC控制为核心,变频调速技术为基础,并结合压力传感器、变频器、水泵、继电器、接触器等组成.在此系统中,PLC将压

力设定值与测量值的偏差经PID运算后得到的控制量作用到变频器,从而通过变频器控制水泵的转速调节管网的压力,实现恒压供水的目的.

3.期刊论文雷宏彬.曹晓娟.LEI Hong-bin.CAO Xiao-juan基于PLC和变频器的恒压供水控制系统-工业仪表与自

动化装置2007(3)

介绍了一种基于PLC和变频器的恒压供水控制系统,阐述了系统组成、系统功能、工作原理和安全措施.该控制系统性能稳定可靠,已成功用于某电厂

供水系统,取得了恒压供水的效果.

4.期刊论文乔维德.QIAO Wei-de模糊神经网络在PLC恒压供水控制系统中的应用-电气传动自动化2007,29(2)

本文介绍了一种基于模糊神经网络控制实现PLC变频调速恒压供水,通过神经网络和模糊逻辑的结合.实现管网压力闭环自适应的控制功能.本系统操

作方便、运行可靠.具有较强的鲁棒性和可靠性.

5.期刊论文周力.ZHOU Li基于PLC的变频恒压供水模糊控制系统设计-机电工程2005,22(3)

设计的变频恒压供水控制系统,应用了模糊控制技术,较好的克服了传统PID控制中稳定性差、参数调整困难的问题,并提供了一种用PLC实现模糊控制

的新方法.该系统取代了高塔或水泵直接加压供水方式,提高了供水质量,节能效果明显,极具推广、应用价值.

6.学位论文顾跃基于PLC的变频调速恒压供水系统研究2003

随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越

高的要求。我国中小城市水厂尤其是老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。控制过程繁琐，而且手动控制无法

对供水管网的压力和水位变化及时作出恰当的反应。为了保证供水，机组通常处于超压状态运行，不但效率低、耗电量大，而且城市管网长期处于超压

运行状态，曝损也十分严重。本论文结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套基于PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。变频调速恒压供水自动控

制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器、工控机以及控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动4台电动机的起动、运行与调速，其中

两台大机(220Kw)和两台小机(160Kw)分别采用循环使用的方式运行。通过工控机和PLC连接，开发出了用于工控机的集数据采集和通信、设备状态控制和

数据管理的监测程序，实现了监测控制。在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n，从而

改变水泵性能曲线得以实现的。

7.期刊论文陶宇君PLC在变频恒压供水技术中的应用-工业控制计算机2003,16(11)

变频恒压供水是发展节水灌溉,提高用水效率的有效途径.本文介绍了以PLC为核心构成的控制系统在变频恒压供水技术中的应用.

8.期刊论文路野.周朝晖.Lu Ye.hou Chaohui基于PLC和变频调速的恒压供水系统设计-计算机与数字工程

2009,37(1)

为了解决水压波动问题,基于恒压供水的原理,设计并实现了由PLC、变频器和压力传感器等组成的恒压供水系统.系统根据管网压力自动调节供水量

,实现了恒压供水的目的.

9.期刊论文罗智勇.LUO Zhi-yong恒压供水PLC模糊控制-工业仪表与自动化装置2008(3)

由于采用高位水塔或直接水泵加压供水不能提供良好的供水质量,该文提出了在由PLC、变频器、触摸屏等器件构成的系统中,采用模糊控制方法进行

恒压供水.通过近一年的试运行,该系统供水质量提高了,节能效果明显.

10.期刊论文宋乐鹏.高国芳.SONG Le-peng.GAO Guo-fang基于PLC自修正模糊控制恒压供水系统设计-节水灌溉

2007(8)

针对现代居民恒压供水问题,设计了一种基于PLC控制,算法采用带自修正因子的模糊控制,在误差、误差变化率、控制量语言变量的全论域范围内带

有自修正因子的模糊控制器.研究结果表明,采用带自修正因子模糊控制系统,比传统PID调节器、传统的模糊控制器有系统输出响应快、无超调、对参数

有较强的鲁棒性等优点,能够很好地解决自动恒压供水的问题,从而产生了较高的经济效益.

本文链接：/Thesis_

下载时间：2010年3月16日