變頻恒壓供水系統(tǒng)

摘 要 我國水廠從七十年代開始應用集中巡檢，到八十年代隨著工業(yè)水平的提高和計算機技術的發(fā)展，自動控制技術發(fā)展得很快。隨著自動控制技術的廣泛應用，大城市的水廠自動化生產(chǎn)程度較高，但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。 本論文在分析和比較了 國內(nèi)外供水 自動控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和特點的基礎上， 結(jié)合我國中小城市供水廠的現(xiàn)狀，設計了一套以變頻調(diào)速技術為基礎的恒壓供水計算機監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng) 綜合運用計算機技術、變頻調(diào)速技術以及自動控制技術，實現(xiàn)了恒壓供水的參數(shù)整定自動控制，保證了隨時 供水系統(tǒng) 維持在 最 佳運行 狀況。 論文對計算機控制系統(tǒng)中的上下位機之間的串行通信進行了分析和研究，運用組件技術和多線程技術開發(fā)了串行通信控件，在自定義通信協(xié)議的基礎上設計了相應的串口通信程序，實現(xiàn)了 上位機 和 可編程序控制器之間 的 實時通訊及遠 程 控制功能 。并在此基礎上研制開發(fā)了一套用于供水系統(tǒng)的信息管理及監(jiān)控系統(tǒng)軟件，分析了軟件設計中的總體結(jié)構(gòu)設計、數(shù)據(jù)庫設計、數(shù)據(jù)處理軟件設計等的實現(xiàn)。 現(xiàn)場調(diào)試和運行表明， 該系統(tǒng) 能夠?qū)┧^程進行自動控制 ， 能夠有效地降低能耗，提高生產(chǎn)管理水平 。 監(jiān)控系統(tǒng)安裝維護方便，運行穩(wěn)定、可靠；監(jiān)控軟件功能齊全 ，人機界面友好，使用方便。 關鍵詞 ： 供水系統(tǒng) 串行通信 信息管理 PLC 3 Abstract Centralizing scout of waterworks is started to apply in 70s in our country. In the 1980s, with the development of industry and computer technology, automation technology is progressed fast. With the widely applications of automation technology, the automatic degree of waterworks in city is much higher than the correspondence in town. Especially in some old waterworks, the equipment of automatic control system is dropped behind. On the basis of analyzing and comparing the development and characteristic of domestic and overseas automatic system of water supply, combined with status in quo of the waterworks in our country, this paper designs a suit of computer controlling system based on variable frequency speed-regulating technology. Through using computer technology, variable frequency speed-regulating technology and automation technology, the system can make the water pressure of water supply system constantly by the way of parameters self-tuning. It assuredly makes the water supply system work on all cylinders. Through analyzing and researching on the serial communication between host computer and PLC of computer control system, a serial communication control is developed base on control technology and multithreading technology. Serial communication program is developed base on the custom communication protocol, the function of real time communication and remote control between host computer and PLC is realized. On the basis of these programs, a information management and real time supervisory control software of water supply system is developed. At the same time, it analyzes the design of frame, database, data management and so on. The realization of these programs is also introduced. 4 The Operation and experiment demonstrates that the system make the work of water supply automated in some degree. It is good for energy saving and improving the management of waterworks. Its also facility to mount and maintain, reliable to operating, and precise to supervise and control. The supervisory control software has abundant functions, kind interface and convenience to using. Key Word： Water supply system, PLC, Information Management Serial Communication 5 目 錄 第一章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展 1 1.1 變頻調(diào)速恒壓供水的目的和意義 1 1.2 變頻調(diào)速和編程軟件概述 6 1.2.1 變頻調(diào)速技術的特點及應用 6 1.2.2 可編程序控制器的特點及應用 9 1.3 畢業(yè)設計任務及要求 11 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)工作原理 13 2.1 系統(tǒng)的工作過程 14 2.2 變頻調(diào)速的節(jié)能調(diào)速原理 16 2.3 變頻調(diào)速恒壓供水工況分析與能耗機理分析 19 2.3.1 管路水力損失與性能曲線 19 2.3.2 水泵工作點的確定和調(diào)節(jié) 20 2.3.3 水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析 21 2.3.4 調(diào)速范圍的確定 24 2.4 本章小結(jié) 24 第三章 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn) 26 3.1 系統(tǒng)監(jiān)控軟件總體結(jié)構(gòu)設計 27 3.1.1 數(shù)據(jù)采集與通信 29 3.1.2 設備狀態(tài)控制 30 3.1.3 數(shù)據(jù)管理 31 6 3.2 數(shù)據(jù)庫設計 32 3.2.1 數(shù)據(jù)庫設計的原則 32 3.2.2 數(shù)據(jù)庫的建立 33 3.3 監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)設計 36 3.4 本章小結(jié) 37第四章 上位機與 PLC 與的串行通信 38 4.1 上位機與 PLC 與的串行通信 38 4.1.1 串行通信 39 4.1.2 串行通信接口標準 41 4.2 通訊參數(shù)設置和通訊測試 界面 44 4.2.1 通訊參數(shù)設置 45 4.2.2 通訊測試界面 46 4.3 PLC 通信程序設計 46 4.3.1 PLC 網(wǎng)絡通信協(xié)議 46 4.3.2 PLC 通信程序設計 49 4.4 上位機通信模塊設計 56 4.5本章小結(jié) 56 全文總結(jié) 57 參考文獻 59 致 謝 60 7 第一章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展 1.1 變頻調(diào)速恒壓供水的目的和意義 近年來我國中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計，從 1990 年到 1998年，我國人均日生活用水量（包括城市公共設施等非生產(chǎn)用水）有 175.7 升增加到 241.1升，增長了 37.2%，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高 1。在用水量高峰期時供水量普遍不足，造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動較大。由于每天不同時段用水對供水壓力的要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗進行人工手動調(diào)節(jié)很難及時有效的達到目的。這種情況造成用水高峰期時供水壓力不足，用水低峰期時供水壓力過高，不僅十分浪費能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故）。 供水廠希望通過對原有系統(tǒng)的技 術改造，提高生產(chǎn)過程的自動化水平。并在此基礎之上配備相應的系統(tǒng)管理軟件，改變傳統(tǒng)的落后管理方式，使管理工作規(guī)范化，提高水廠的業(yè)務管理水平。由于水廠原有的供水控制系統(tǒng)是一個完全依靠值班人員手動控制的系統(tǒng)，所以對該系統(tǒng)技術改造的要求是在原有系統(tǒng)的基礎進行，設計一套取水和供水的自動控制系統(tǒng)，克服由于采用單純手動控制系統(tǒng)進行控制帶來的控制不方便、控制系統(tǒng)對供水管網(wǎng)中壓力和水位變化反應遲鈍的問題，降低能源消耗和資源浪費，提高設備的可維護性和運行的可靠性，以達到降低自來水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的。 在相當比較 大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)供水系統(tǒng)，變頻調(diào)速恒壓供水有它自身的特點： 1.供水量在短時間內(nèi)（一天時間內(nèi)）變化大，這種變化在幾個小時內(nèi)甚至是幾倍或上十倍。 2.對供水壓力的要求比較嚴格，供水的壓力隨供水的流量的變化而變化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道壓力。 3.一般情況下，供水系統(tǒng)的水流量受到水消耗量的控制，而水流 8 量又是通過供水水泵的輸出來提供的。 從上即可結(jié)論：以變頻器為主體構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能夠最大程度滿足需要，也提高整個系統(tǒng)的效率，延長系統(tǒng)壽命、節(jié)約能源、而且能夠構(gòu)成復雜的功能強大的供水系統(tǒng)。 1.2 變頻調(diào)速及 PLC 在供水行業(yè)中的應用 1.2.1 變頻調(diào)速技術的特點及應用 作為高性能的調(diào)速傳動，直流發(fā)電機電動機調(diào)速控制方法長期以來一直應用廣泛。但是直流電動機由于換向器和電刷維護保養(yǎng)很麻煩，價格也相當昂貴。使異步電機實現(xiàn)性能好的調(diào)速一直是人們的理想。異步電機的調(diào)速方法很多，例如變極調(diào)速、有極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速、變頻調(diào)速等。但是因為各種各樣的缺點沒有得到廣泛的應用。 70 年代以后，由于微電子技術、電力電子 技術和微處理機技術的發(fā)展，促使晶體管變頻器的誕生。晶體管變頻器不但克服了以往交流調(diào)速的許多缺點，而且調(diào)速性能可以和直流電動機的調(diào)速性能相媲美。三相異步電動機具有維修方便、價格便宜、功率和轉(zhuǎn)速適應面寬等優(yōu)點，其變頻調(diào)速技術在小型化、低成本和高可靠性方面占有明顯的優(yōu)勢。到80 年代末，交流電機的變頻調(diào)速技術迅速發(fā)展成為一項成熟的技術，它將供給交流電機的工頻交流電源經(jīng)過二極管整流變成直流，再由 IGBT 或 GTR 模塊等器件逆變成頻率可調(diào)的交流電源，以此電源拖動電機在變速狀態(tài)下運行，并自動適應變負荷的條件。它改變了傳統(tǒng)工 業(yè)中電機啟動后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運行方式，從而達到節(jié)能目的?，F(xiàn)代變頻調(diào)速技術應用于電力水泵供水系統(tǒng)中，較為傳統(tǒng)的運行方式是可節(jié)電 40 60，節(jié)水 15 30 2。 由于變頻調(diào)速具有調(diào)速的機械特性好，效率高，調(diào)速范圍寬，精度高，調(diào)整特性曲線 9 平滑 3，可以實現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積小、維護簡單方便、自動化水平高等一系列突出的優(yōu)點而倍受人們的青睞。尤其當它應用于風機、水泵等大容量負載時，可以獲得其它調(diào)速方式無法比擬的節(jié)能效果。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流直流 交流變頻器和交流交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交直交變頻器。 自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術在各個領域得到了廣泛的應用。變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術裝備水平從 90 年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展 ，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻調(diào)速恒壓供水設備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。 新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國內(nèi)幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術產(chǎn)品。目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制，多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標 準化是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設成片開發(fā)、 智能樓宇、網(wǎng)絡供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。 在短短的幾年內(nèi)，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸被多泵調(diào)速系統(tǒng)所代替。雖然單泵調(diào)速系統(tǒng)設計簡易可靠，但由于單泵電機深度調(diào)速造成水泵、電機運行效率低，而多泵調(diào)速系統(tǒng)投資更為節(jié)省，運行效率高， 10 被實際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設計，很快發(fā)展成為主導產(chǎn)品。 1.2.2 可編程序控制器的特點及應用 早期的可編程序控制器 (Programmable Logic Controller， PLC)，主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著計算機技術、通信技術和自動控制技術的迅速發(fā)展，可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術與新興的計算機技術和通信技術融為一體，具有可靠性高、功能強、應用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優(yōu)點，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動控制目標實現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。 1969 年，美國數(shù)字設備公司 (DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成，主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、 定時等。 70 年代初期，體積小、功能強和價格便宜的微處理器被用于 PLC，使得 PLC的功能 大大增強 。在硬件方面，除了保持其原有的開關模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程 I/O 模塊 和 各種特殊功能模塊。在軟件方面， PLC 采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語言， 除了保持原有的邏輯運算等功能以外，還增加了算術運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。 進入 80 年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得 PLC 所采用的微處理器的 檔次 普遍提高。而且，為了進一步提高 PLC 的處理速度，各制造 廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片 ，大大提高了PLC 軟、硬件功能。 在發(fā)達工業(yè)國家， PLC 已經(jīng)廣泛的應用在所有的工業(yè)部門。據(jù)“美國市場信息”的世界 PLC 以及軟件市場報告稱， 1995 年全球 PLC 及其軟件的市場經(jīng)濟規(guī)模約 50 億美元 5。隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展， PLC 的功能得到大大的增強，具有以下特點 5,6,7： 1可靠性高。 PLC 的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期 11 循環(huán)掃描工作方式。 2具有豐富的 I/O 接口模塊 。 PLC 針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號， 有相應的 I/O 模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器 件或設備直接連接。 另外為了提高操作性能，它還有多種人 機對話的接口模塊 ； 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊。 3采用模塊化結(jié)構(gòu)。為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 PLC 的各個部件，包括 CPU、 電源 、 I/O 等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。 4 編程簡單易學 。 PLC 的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術人員所理 解和掌握。 5 安裝簡單，維修方便 。 PLC 不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。 由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。 由于 PLC 強大功能和優(yōu)點，使得 PLC 在我國的水工業(yè)自動化中得到廣泛的應用。 PLC在水工業(yè)自動化中的應用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、自動加氯、自動加礬、水泵變頻調(diào)速、 SCADA 系統(tǒng)和供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等 8,9,10,11。其主要功能是進行工藝參數(shù)的采集 、生產(chǎn)過程控制、信息處理、設備運行狀態(tài)監(jiān)測以監(jiān)測等。 1.3 畢業(yè)設計任務及要求 畢業(yè)設計課題是變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控軟件設計，大體為以下四項內(nèi)容： 12 1.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展 主要介紹其系統(tǒng)的目的和意義，簡述了目前我們常用的供水系統(tǒng)，根據(jù)社會發(fā)展的需要必須要進行技術改造，變頻器的廣泛應用，隨著技術的發(fā)展，其優(yōu)越性越來越多，主要是節(jié)能、恒壓、綜合技術的集成等，以后將朝大容量、小體積、高性能、易操作、壽命高、可靠性強、無公害化發(fā)展，從而可以看出變頻調(diào)速恒壓供水的廣泛前景；同時介紹了該供水系統(tǒng)起關鍵 作用的變頻調(diào)速技術和 PLC 的應用以及其特點。 2.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論原理 主要介紹變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理，變頻器的節(jié)能、調(diào)速原理；變頻器的工況點的確定和能耗機理分析，以及系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定。 3.系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn) 主要介紹變頻調(diào)速恒壓供水監(jiān)控軟件的總體結(jié)構(gòu)設計，包括了數(shù)據(jù)采集與通信，設備狀態(tài)控制及數(shù)據(jù)管理；供水監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)庫設計和供水監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)設計都是采用 Delphi6.0 編程軟件及其中的數(shù)據(jù)庫開發(fā) Database Desktop 而進行的。 4.PLC 與上位機間的串口通信設計 主要 介紹串行通信與并行通信的優(yōu)缺點，從而確定供水監(jiān)控軟件必須采用 PLC 與上位機的串口通信，然后進行通訊參數(shù)設置，開發(fā)出通信測試界面，用 PLC 通信程序指令實現(xiàn)串行通信。 總之，通過完成畢業(yè)設計的主要內(nèi)容，必須掌握變頻恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計的一系列技術，也必須達到如下要求：完成畢業(yè)論文說明書，不得少于 45 頁；完成恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控軟件主窗體，設計出能正常運行的系統(tǒng)軟件；完成 PLC 與上位機間的串行通信設計，能夠進行通信測試。 13 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)工作原理 在變頻調(diào)速供水系統(tǒng)中，是通過變頻器來改 變水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵工作點來達到調(diào)節(jié)供水流量的目的。反映水泵運行工況的水泵工作點也稱為水泵工況點，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數(shù)。在調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過程中，水泵工況點的調(diào)節(jié)是一個十分關鍵的問題。如果水泵工況點偏離設計工作點較遠，不僅會引起水泵運行效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴重的氣穴現(xiàn)象，還可能導致管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定而影響正常的供水。水泵在實際運行時的工作點取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實際揚程，這三種因素任一項發(fā)生變化，水泵的運行工況都會發(fā)生變化。因 此水泵工況點的確定和工況調(diào)節(jié)與這三者密切相關。 2.1 系統(tǒng)工作過程 根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際情況，白天一般只需開動一臺大泵和一臺小泵，就能滿足生產(chǎn)需要，小機工頻運行作恒速泵使用，大機變頻運行作變量泵；晚上用水低峰時，只需開動一臺大機就能滿足供水需要。因此可以采用一大一小搭配的進行設計，即把 1#水泵電機（ 160KW）和 2#水泵電機（ 220KW）為一組，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)運行時間的長短來調(diào)整選擇不同的機組運行。 分析自動控制系統(tǒng)的機組（ 1#、 2#水泵電機）工作過程 ,可分為以下三個工作狀態(tài)：1) 1#電機變頻起動 ； 2)1#電機工頻運行， 2#電機變頻運行； 3) 2#電機單獨變頻運行。一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)之中，當管網(wǎng)壓力突變時，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應轉(zhuǎn)換，因此這三種工作狀態(tài)對應著三個切換過程。 1.切換過程 14 1#電機變頻起動，頻率達到 50HZ,1#電機工頻運行， 2#電機變頻運行。系統(tǒng)開始工作時，管網(wǎng)水壓低于設定壓力下限iP， 按下相應的按鈕 ,選擇機組運行，在 PLC 可編程控制器控制下 , KM2 得電， 1#電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器 FWD 端，變頻器 對拖動 1#泵的電動機采用軟起動， 1#電機起動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，當變頻器輸出頻率增至工頻0f（即 50Hz），可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器 BX 端，變頻器 FWD 端斷開， KM2 失電， 1#電機自變頻器輸出端斷開， KM1 得電 1#電機切換至工頻運行。 1#電機工頻運行后 ,開啟 1#泵閥門， 1#泵工作在工頻狀態(tài)。接著 KM3 得電， 2#電機接至變頻器輸出端 ,接通變頻器 FWD 端，變頻器 BX 端斷開 ,2#電機開始軟起動，運行一段時間后，開啟 2#泵閥門， 2#水泵電機工作在變 頻狀態(tài)。從而實現(xiàn) 1#水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運行， 2#水泵接入變頻器并啟動運行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到管網(wǎng)水壓達到設定值（ki PPP ）為止。 2.切換過程 由 1#電機工頻運行， 2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?2#電機單獨變頻運行狀態(tài)。當晚上用水量大量減少時，水壓增加， 2#水泵電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機 轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當變頻器輸出頻率下降到指定值 minf ，電機轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設定水壓 上限kP時（ 2# 電機kPPff ,m in） ,在 PLC 可編程控制器控制下，1#水泵電機從工頻斷開， 2#水泵繼續(xù)在變頻器拖動下變頻運行。 3.切換過程 由 2#電機變頻運行轉(zhuǎn)變?yōu)?2#電機變頻停止， 1#電機變頻運行狀態(tài)。當早晨用水量再次增加時， 2#電動機工作在調(diào)速運行狀態(tài)，當變頻器輸出頻率增至工頻0f（即 50Hz），水管水壓低于設定水壓上限iP時（ 2#電機iPPff ,0），接通變頻器 BX端，變頻器 FWD 端斷開， KM3 斷開， 2#電機自變頻器輸出端斷開； KM2 得電 ,1#電機接至變頻器輸出端；接 15 通變頻器 FWD 端 ,與此同時變頻器 BX端斷開 ,1#電機開始軟起動。控制系統(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)，開始新一輪循環(huán)。 1#和 2#機組工作過程流程圖如下： 圖 2-1 1#和 2#機組工作過程流程圖 2.2 變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理 水泵機組應用變頻調(diào)速技術，即通過改變電動機定子電源頻率來改變電動機轉(zhuǎn)速，可以相應地改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚程 適應管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點壓力恒定，達到節(jié)能效果。 如圖 2 2所示， n為水泵特性曲線 ,A為管路特性曲線 ,H0為管網(wǎng)末端的服務壓力 , H為泵出口壓力。當用水量達到最大 Qmax 時 ,水泵全速運轉(zhuǎn) ,出口閥門全開 ,達到了滿負荷運行 ,水泵的特性曲線 n0 和用水管路特性曲線 A0 匯交于 b 點 ,此時 ,水泵報出口壓力為 H ， 16 末端服務壓力剛好為 H0。當用水量從 Qmax 減少到 Q1 的過程中 ,采用不同的控制方案 ,其水泵的能耗也不同。 泵全速時泵出口壓力恒定時管網(wǎng)末端恒定時泵出口恒定時揚程流量關小閥門時泵速下調(diào)到 時泵速下調(diào)到 1時)圖 2 2 節(jié)能分析曲線圖 （ 1）水泵全速運轉(zhuǎn)，靠關小泵出口閥門來控制：此時，管路阻力特性曲線變陡（ A2），水泵的工況點由 b 點上滑到 c 點，而管路所需的揚程將由 b 點滑到 d點，這樣， c 點和 d點揚程的差值即為全速水泵的能量浪費。 （ 2）水泵變速運轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定來控制：此時，當用水量由 Qmax 下降時，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點始終在 H 上平移。在水量到達 Q1 時，相應的水泵特性曲線為 nx，面管路的特性曲線將向上平移到 A1，兩線交點 e 即為此時的工況點。這樣，在水量減少到 Q1 時，將導致管網(wǎng)不利點水壓升高到 H1H0，則 h1 即為水泵的能量浪費。 （ 3） 水泵變速運轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點壓力恒定來控制：此時，當用水量由 Qmax 下降 17 到 Q1 時，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線變?yōu)?n1，其工況點為 d點，正好落在管網(wǎng)特性曲線 A0 上，這樣可以使水泵的工作點始終沿 A0 滑動。管網(wǎng)的服務壓力 H0 恒定不變，其揚程與系統(tǒng)阻力相適應，沒有能量的浪 費。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了 h1。 根據(jù)水泵的相似原理： Q1/Q2=n1/n2 （ 2 2） H1/H2=(n1/n2)*2 （ 2 3） P1/P2 =(n1/n2)*3 （ 2 4） 式中， Q、 H、 P、 n 分別為泵流量、壓力、軸的功率和轉(zhuǎn)速。即通過控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。 根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點允許的最低壓力為控制參數(shù)， 通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術和自控技術落后相結(jié)合，達到最佳節(jié)能效果。此外，最不利點的控制壓力還保證了用戶水壓的穩(wěn)定，無論管路特性等因素發(fā)生變化，最不利點的水壓是恒定的。保證了居民用水壓力的可靠。 采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵機組啟動，降低了起動電流，避免了對供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負荷，提高了供水供電的安全可靠性，另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。 目前水泵電機絕大 部分是三相交流異步電動機，根據(jù)交流電機的轉(zhuǎn)速特性，電機的轉(zhuǎn)速 n 為 : n =120 f(1-s)/p （ 2 5） 式 2 5中 s為電機的滑差 (s=0.02)， p為電機極對數(shù)， f為定子供電頻率。當水泵電機選定后， p 和 s為定值，也就是說電機轉(zhuǎn)速的大小與電源的頻率高低成正比，頻率越高， 18 轉(zhuǎn)速越高，反之，轉(zhuǎn)速越低。變頻調(diào)速是根據(jù)這一公式來實現(xiàn)無級調(diào)速的。 由流體力學知：管網(wǎng)壓力 P、流量 Q和功率 N 的關系為 N = PQ （ 2 6） 又 功率與水泵電機轉(zhuǎn)速成三次方正比關系，基于轉(zhuǎn)速控制比基于流量控制可以大幅度降低軸功率。 2.3 變頻調(diào)速恒壓供水工況分析與能耗機理分析 2.3.1管路水力損失及性能曲線 管路水力損失分為沿程損失和局部損失兩種，即 jys hhh (2.3.1) 沿程損失： 2LQhyy (2.3.2) 局部損失： 22222 QgAgh jjj (2.3.3) 式中y管路沿程摩擦損失系數(shù)；j局部損失系數(shù)； L管路長度 (m)； 各局部損失的計算流速 (m/s)； A 過水截面的面積 ( 2m )。 將式 (2.3.2)和 (2.3.3)代人 (2.3.1)可得 222222 22 SQQgALQgALQh jyjys (2.3.4) 式中 S 被稱為管路阻力系數(shù)。當水泵管路系統(tǒng)確定后，相應的y、j、 L、 A等參數(shù)都能確定， S 也就確定了。由式 (2.3.4)可知管路水力損失與流量的平方成正比。當上下水位確定后，管路所需要的水頭損失就等于上下水位差（即實際揚程sjH）加上管路損失11。 19 ssjx HHH (2.3.5) 由式 (2.3.5)可以得到如圖 2-3所示的 QHx 管路性能曲線。 2.3.2水泵工作點的確定和調(diào)節(jié) 1水泵工作點的確定 如果把某一水泵的性能曲線（即 HQ曲線）和管路性能曲線畫在同一坐標系中，如圖 2-3 所示，則這兩條曲線的交點 A 就是水泵的工作點。若把水泵的效率曲線 -Q 也畫在同一坐標系中，可以找出 A 點的揚程 AH 、流量 AQ 以及效率 A 。 從圖中可以看出，水泵 在工作點 A 點提供的揚程和管路所需的水頭損失相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到能量和流量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。一旦當水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。 2水泵工作點的調(diào)節(jié) 交流電動機的轉(zhuǎn)速 n 與電源頻率 f具有如下關系： )1(60 sp fn (2.3.6) AQQ AH AAH x - QAH Qn 1 Q圖 2-3 水泵工作點的確定 20 式中： p極對數(shù)； s轉(zhuǎn)差率 因此不改變電動機的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速就按比例變動。變頻器調(diào)速的工作原理就是通過選擇電壓頻率比（ V/F）曲線，設定加減速時間以及轉(zhuǎn)矩補償曲線，使電動機起動時轉(zhuǎn)速從零開始逐漸升高，實現(xiàn)軟啟動，減少了啟動電流。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率 f來改變電機的轉(zhuǎn)速 n從而改變水泵的轉(zhuǎn)速。由于水泵的流量、揚程和消耗的功率都可以隨其轉(zhuǎn)速的變化而變化，變頻調(diào)速技術可以使水泵性能曲線改變，達到調(diào)節(jié)水泵工況，大大擴展了水泵的高效運行范圍。 當管網(wǎng)負載減小時，通過 VVVF 降低交流電的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速從 n1 降低到 n2。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論 11，改變 轉(zhuǎn)速 n，可使供水泵流量 Q、揚程 H和軸功率 N以相應規(guī)律改變。 HQkN (2.3.7) 1212 / nnQQ (2.3.8) 21212 nnHH (2.3.9) 將式 (2.3.8)和 (2.3.9)代入 (2.4.7)可得： 31212 nnNN (2.3.10) 式 (2.3.7)中： 水的比重； k功率常數(shù)。 從上述比例律公式中消去 n1/n2就得到下式 A CQ AQ C Q Qn 1n 2H 0HH Q 相似工況拋物線Hx Q 管路性能曲線H Q 水泵性能曲線圖 2-4 變頻調(diào)速恒壓供水單臺水泵工況調(diào)節(jié)圖 21 22121 QQHH(2.3.11) 即 kQHQH 22 221 1 或 2kQH (2.3.12) 式 (2.3.12)是頂點在坐標原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。 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)是通過改變電源的頻率來改變電機轉(zhuǎn)速 n，從而改變水泵性能曲線得以 實現(xiàn)的。由圖 2-4可見，設定管網(wǎng)壓力值（揚程）為H0，管網(wǎng)初始用水量為 QA，初始工況點為 A，水泵電機的轉(zhuǎn)速為 n1。當管網(wǎng)負載減小時，管網(wǎng)壓力升高，壓力傳感器將檢測到升高壓力轉(zhuǎn)換成 420A 電流信號送往 PID 調(diào)節(jié)器，經(jīng)比較處理后，輸出一個信號令變頻器頻率降低，從而降低電機轉(zhuǎn)速至 n2。水泵轉(zhuǎn)速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點 A 移至 B 點，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會相應減小 .。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在 H0,因此水泵工作點又沿著轉(zhuǎn)速 n2 所對應的水泵性能曲線從點 B 移至 C 點，在此階段水泵輸出 壓力升高，流量減少，水泵運行在新的工作點 C點，在圖 2-4中可以找出 C 點的揚程 HC、流量 QC 以及水泵運行效率C。 考察水泵的效率曲線 -Q，當變頻調(diào)速使水泵偏離甚至位于高效區(qū)之外時，水泵的運行效率會大大下降。因此，水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)要盡量使水泵在高效區(qū)之內(nèi)運行，避免使變頻器頻率下降得過低，而造成水泵在低效率段運行。 2.3.3 水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析 水泵運行工況點 A是水泵性能曲線 n1 和管路性能曲線 R1的交點。在常規(guī)供水系 統(tǒng)中，采用閥門控制流量。需要減少流量時關小閥門，使管路性能曲線由 R1 變?yōu)?R2。運行工況 22 點沿著水泵性能曲線從 A點移到 D 點，揚程從 H0 上升到 H1，流量從 Q0減少到 Q1。采用變頻調(diào)速控制時，管路性能曲線 R1 保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果水泵轉(zhuǎn)速從n0 降到 n1，水泵性能曲線從 n0 平移到 n1，運行工況點沿著水泵性能曲線從 A 點移到 C點，揚程從 H0 下降到 H2，流量從 Q0 減少到 Q1。在圖 2-7 中，水泵運行在 B點時消耗的軸功率與 H1BQ1O 的面積成正比，運行在 C 點時消耗的軸功率與 H2CQ1O 的面積成正比。從圖上可以看出 ，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果十分明顯。 由 (2.3.7)求出運行在 B 點的泵的軸功率 11 HkQN B ，運行在 C 點時泵的軸功率21 HkQN C ， 兩者之差： 121 )( kQHHNNN CB (2.3.13) 也就是說，采用閥門控制流量時有 N 的功率被白白浪費了，而且損耗隨著閥門的關小而增加。 相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機時，由式 (2.3.10)可知， 當轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果十分顯著。 2.3.4調(diào)速范圍的確定 考察水泵的效率曲線 -Q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行 19。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，QQ 0Q 1n 0AH sjBR 2R 1H 0H 10n 1CH 2H圖 2-5 水泵節(jié)能分析圖 23 在根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在 40Hz 以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在 20%以內(nèi)，在此范圍內(nèi)，電動機的負載率在 50% 100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。 2.4 本章小結(jié) 本章從水泵理論和管網(wǎng)特性曲線分析入手，討論水泵工作點（工況點）的確定方法。接著介紹了水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。本章重點對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機理進行深入研究，得出了以下結(jié)論： 1、水泵的工作點就是在同一坐標系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點。水泵工作點是水泵運行的理想工作點 ，實際運行時水泵的工作點并非總是固定不變的。 2、水泵工況的調(diào)節(jié)就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動工作點，使其符合要求。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 來改變電機的轉(zhuǎn)速 n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。 3、考察水泵的效率曲線 -Q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。實際配泵時揚程應設定在水泵的高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在 40Hz 以上，轉(zhuǎn)速下降在20%以 內(nèi)。 24 第三章 系統(tǒng)監(jiān)控軟件的設計與實現(xiàn) 對于一個計算機監(jiān)控系統(tǒng)來說，硬件是基礎，軟件是靈魂。軟件已經(jīng)成為計算機系統(tǒng)的主體，在很大程度上決定了系統(tǒng)的先進性、可靠性、實用性以及實時性。信息管理及監(jiān)控軟件是一種特殊的軟件，它具有如下特點： 1要求可靠性特別高?？煽啃圆粌H意味著系統(tǒng)工作的正確性，而且要求系統(tǒng)工作的連續(xù)性。例如控制過程不允許中斷，系統(tǒng)中各種參數(shù)不允許丟失； 2要求監(jiān)控軟件實時性強。實時性要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r反映監(jiān)測量并及時做出控制決策，即具有較快 的響應速度。 3要求軟件的使用和維護方便。信息管理及監(jiān)控軟件主要由工程技術人員和操作人員使用，要求系統(tǒng)的使用和維護都很方便。 4要求支持數(shù)據(jù)庫安全登錄，數(shù)據(jù)庫訪問權(quán)限和程序使用安全。 5支持數(shù)據(jù)庫備份和基于事務的數(shù)據(jù)庫操作，數(shù)據(jù)集中管理并且具有很強的綜合統(tǒng)計、分析及報表輸出功能。 充分利用計算機的強大的處理能力，設計出實時性好、監(jiān)測控制高效可靠，軟件分析功能齊全，并且具有動畫效果、操作界面友好的信息管理及監(jiān)控軟件是本系統(tǒng)的主要任務。 Windows 2000 是 Windows NT 4.0 的升級產(chǎn)品，不 但集 Windows 9x 和 Windows NT 4.0的眾多優(yōu)良的功能 /性能于一身，而且在穩(wěn)定性、網(wǎng)絡功能和安全性能方面，比 Windows NT 4.0 都有了極大的改善。 它不僅可以在一個小的工作組網(wǎng)絡中為用戶提供文件 服務 和打印服務，也可以在一個大型企業(yè)的網(wǎng)絡中為用戶提供應用程序、 Web 瀏覽與發(fā)布、 文件傳輸、電子郵件和通訊等服務，是一個性能更好、工作更穩(wěn)定、更容易管理的操作系統(tǒng) 。因此上位機采用的操作系統(tǒng)是 Microsoft 公司的 Windows 2000 Server。 25 由 Inprise 公司（原 Borland 公 司）推出的基于 Windows 平臺的可視化快速應用開發(fā)工具 Delphi 6.0 在數(shù)據(jù)庫編程方面功能十分強大而且有很強的程序界面開發(fā)能力。本控制系統(tǒng)的系統(tǒng)監(jiān)控軟件主要采用 Delphi 6.0 來開發(fā)。 3.1 系統(tǒng)監(jiān)控軟件總體結(jié)構(gòu)設計 軟件總體設計的任務是確定軟件的總體結(jié)構(gòu)、子系統(tǒng)和模塊的劃分，并確定模塊間的接口和評價模塊劃分的質(zhì)量，以及進行數(shù)據(jù)分析。按照軟件工程學的觀點，軟件的總體設計在整個軟件的開發(fā)過程中處于十分重要的地位。在詳細編寫代碼之前進行總體設計，可以 站在全局的高度上，用較少的成本，從抽象的層次上來分析對比多種可能的系統(tǒng)實現(xiàn)方案和最合理的軟件結(jié)構(gòu)，從而可以用較低的成本開發(fā)出質(zhì)量較高的軟件來。總體設計過程通常由兩個主要的階段組成： 1)系統(tǒng)設計，即確定系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案； 2)結(jié)構(gòu)設計，即確定軟件的結(jié)構(gòu)。 軟件總體設計的具體步驟如下： 1提出各種可供選擇的方案； 2對各個方案進行論證，選取合理的方案，對于每個合理的方案都應該有系統(tǒng)流程圖、組成系統(tǒng)的物理元素清單、成本效益分析和實現(xiàn)這個系統(tǒng)的進度進化； 3確定最佳方案，在綜合分析對比各種合理方案的基礎之上選擇一 個最佳方案； 4功能分解。通常分為結(jié)構(gòu)設計和過程設計兩個階段。結(jié)構(gòu)設計確定程序由哪些模塊組成，以及這些模塊之間的關系；過程設計確定每個模塊的處理過程。 5設計軟件結(jié)構(gòu)，將各個模塊組織成良好的層次系統(tǒng)； 6數(shù)據(jù)庫設計，即在需求分析階段對數(shù)據(jù)要求所做的分析的基礎上進一步進行數(shù)據(jù)庫設計、子模式設計、完整性設計和安全性設計并進行優(yōu)化； 7制定測試計劃：在軟件開發(fā)的早期考慮測試問題，能促使軟件設計人員在設計時注意提高軟件的可測試性； 8書寫文檔：應該用正式的文檔記錄總體設計的結(jié) 26 果，在這個階段應該完成的文檔有系統(tǒng)總體設 計說明、用戶手冊、測試計劃、詳細的實現(xiàn)計劃和數(shù)據(jù)庫設計說明； 9審查與復查：對總體設計的結(jié)果進行嚴格的技術審查，在技術審查之后由使用部門的負責人從管理的角度進行復審。 根據(jù)軟件總體設計的要求和過程，我們對系統(tǒng)的信息管理及監(jiān)控程序按不同的功能進行功能分解，劃分為不同的模塊。供水自動化計算機控制系統(tǒng)的信息管理及監(jiān)控軟件主要包括數(shù)據(jù)采集和通信、設備狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)管理三個部分。數(shù)據(jù)采集和通信部分采集水位、壓力、流量、電壓和電流等數(shù)據(jù)，用于記錄、存儲和分析，以及與 PLC 網(wǎng)絡通信。設備控制部分根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng) 當前的運行狀態(tài)，并可通過修改運行參數(shù)對設備工作狀態(tài)進行調(diào)整。數(shù)據(jù)管理部分負責數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、查詢以及打印輸出，還有數(shù)據(jù)庫的備份和維護。系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 5-1所示。 整個系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、存儲和分析功能，并能夠通過分析和計算制作相應的數(shù)據(jù)報表，系統(tǒng)主界面如圖 3-2所示。下面對各個部分功能和作用進行詳細的介紹。 3.1.1 數(shù)據(jù)采集和通信 報警處理圖 5 - 1 系 統(tǒng) 軟 件 總 體 結(jié) 構(gòu) 圖監(jiān)控系統(tǒng)軟件設備狀態(tài)控