变频恒压供水系统

摘 要 我国水厂从七十年代开始应用集中巡检，到八十年代随着工业水平的提高和计算机技术的发展，自动控制技术发展得很快。随着自动控制技术的广泛应用，大城市的水厂自动化生产程度较高，但中小城市水厂尤其是老水厂自动控制系统配置相对落后。 本论文在分析和比较了 国内外供水 自动控制系统的发展现状和特点的基础上， 结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套以变频调速技术为基础的恒压供水计算机监控系统。该系统 综合运用计算机技术、变频调速技术以及自动控制技术，实现了恒压供水的参数整定自动控制，保证了随时 供水系统 维持在 最 佳运行 状况。 论文对计算机控制系统中的上下位机之间的串行通信进行了分析和研究，运用组件技术和多线程技术开发了串行通信控件，在自定义通信协议的基础上设计了相应的串口通信程序，实现了 上位机 和 可编程序控制器之间 的 实时通讯及远 程 控制功能 。并在此基础上研制开发了一套用于供水系统的信息管理及监控系统软件，分析了软件设计中的总体结构设计、数据库设计、数据处理软件设计等的实现。 现场调试和运行表明， 该系统 能够对供水过程进行自动控制 ， 能够有效地降低能耗，提高生产管理水平 。 监控系统安装维护方便，运行稳定、可靠；监控软件功能齐全 ，人机界面友好，使用方便。 关键词 ： 供水系统 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 录 第一章 变频调速恒压供水系统的现状和发展 1 1.1 变频调速恒压供水的目的和意义 1 1.2 变频调速和编程软件概述 6 1.2.1 变频调速技术的特点及应用 6 1.2.2 可编程序控制器的特点及应用 9 1.3 毕业设计任务及要求 11 第二章 变频调速恒压供水系统工作原理 13 2.1 系统的工作过程 14 2.2 变频调速的节能调速原理 16 2.3 变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析 19 2.3.1 管路水力损失与性能曲线 19 2.3.2 水泵工作点的确定和调节 20 2.3.3 水泵变频调速节能分析 21 2.3.4 调速范围的确定 24 2.4 本章小结 24 第三章 系统软件设计与实现 26 3.1 系统监控软件总体结构设计 27 3.1.1 数据采集与通信 29 3.1.2 设备状态控制 30 3.1.3 数据管理 31 6 3.2 数据库设计 32 3.2.1 数据库设计的原则 32 3.2.2 数据库的建立 33 3.3 监控软件结构设计 36 3.4 本章小结 37第四章 上位机与 PLC 与的串行通信 38 4.1 上位机与 PLC 与的串行通信 38 4.1.1 串行通信 39 4.1.2 串行通信接口标准 41 4.2 通讯参数设置和通讯测试 界面 44 4.2.1 通讯参数设置 45 4.2.2 通讯测试界面 46 4.3 PLC 通信程序设计 46 4.3.1 PLC 网络通信协议 46 4.3.2 PLC 通信程序设计 49 4.4 上位机通信模块设计 56 4.5本章小结 56 全文总结 57 参考文献 59 致 谢 60 7 第一章 变频调速恒压供水系统的现状和发展 1.1 变频调速恒压供水的目的和意义 近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从 1990 年到 1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有 175.7 升增加到 241.1升，增长了 37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高 1。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。 供水厂希望通过对原有系统的技 术改造，提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平。由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行，设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。 在相当比较 大规模的工业生产供水系统，变频调速恒压供水有它自身的特点： 1.供水量在短时间内（一天时间内）变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。 2.对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。 3.一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流 8 量又是通过供水水泵的输出来提供的。 从上即可结论：以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。 1.2 变频调速及 PLC 在供水行业中的应用 1.2.1 变频调速技术的特点及应用 作为高性能的调速传动，直流发电机电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的调速方法很多，例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。 70 年代以后，由于微电子技术、电力电子 技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到80 年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由 IGBT 或 GTR 模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工 业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电 40 60，节水 15 30 2。 由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线 9 平滑 3，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流 交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。 自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从 90 年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展 ，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。 新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标 准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、 智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。 在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵调速系统投资更为节省，运行效率高， 10 被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。 1.2.2 可编程序控制器的特点及应用 早期的可编程序控制器 (Programmable Logic Controller， PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。 1969 年，美国数字设备公司 (DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、 定时等。 70 年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于 PLC，使得 PLC的功能 大大增强 。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程 I/O 模块 和 各种特殊功能模块。在软件方面， PLC 采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言， 除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。 进入 80 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得 PLC 所采用的微处理器的 档次 普遍提高。而且，为了进一步提高 PLC 的处理速度，各制造 厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片 ，大大提高了PLC 软、硬件功能。 在发达工业国家， PLC 已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界 PLC 以及软件市场报告称， 1995 年全球 PLC 及其软件的市场经济规模约 50 亿美元 5。随着电子技术和计算机技术的发展， PLC 的功能得到大大的增强，具有以下特点 5,6,7： 1可靠性高。 PLC 的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期 11 循环扫描工作方式。 2具有丰富的 I/O 接口模块 。 PLC 针对不同的工业现场信号， 有相应的 I/O 模块与工业现场的器 件或设备直接连接。 另外为了提高操作性能，它还有多种人 机对话的接口模块 ； 为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。 3采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型 PLC 以外，绝大多数 PLC 均采用模块化结构。 PLC 的各个部件，包括 CPU、 电源 、 I/O 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 4 编程简单易学 。 PLC 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理 解和掌握。 5 安装简单，维修方便 。 PLC 不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。 由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。 由于 PLC 强大功能和优点，使得 PLC 在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。 PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、 SCADA 系统和供水管网信息管理系统等 8,9,10,11。其主要功能是进行工艺参数的采集 、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以监测等。 1.3 毕业设计任务及要求 毕业设计课题是变频调速恒压供水系统监控软件设计，大体为以下四项内容： 12 1.变频调速恒压供水系统现状和发展 主要介绍其系统的目的和意义，简述了目前我们常用的供水系统，根据社会发展的需要必须要进行技术改造，变频器的广泛应用，随着技术的发展，其优越性越来越多，主要是节能、恒压、综合技术的集成等，以后将朝大容量、小体积、高性能、易操作、寿命高、可靠性强、无公害化发展，从而可以看出变频调速恒压供水的广泛前景；同时介绍了该供水系统起关键 作用的变频调速技术和 PLC 的应用以及其特点。 2.变频调速恒压供水系统的理论原理 主要介绍变频调速恒压供水系统的工作原理，变频器的节能、调速原理；变频器的工况点的确定和能耗机理分析，以及系统调速范围的确定。 3.系统软件设计与实现 主要介绍变频调速恒压供水监控软件的总体结构设计，包括了数据采集与通信，设备状态控制及数据管理；供水监控软件的数据库设计和供水监控软件结构设计都是采用 Delphi6.0 编程软件及其中的数据库开发 Database Desktop 而进行的。 4.PLC 与上位机间的串口通信设计 主要 介绍串行通信与并行通信的优缺点，从而确定供水监控软件必须采用 PLC 与上位机的串口通信，然后进行通讯参数设置，开发出通信测试界面，用 PLC 通信程序指令实现串行通信。 总之，通过完成毕业设计的主要内容，必须掌握变频恒压供水监控系统软件设计的一系列技术，也必须达到如下要求：完成毕业论文说明书，不得少于 45 页；完成恒压供水系统监控软件主窗体，设计出能正常运行的系统软件；完成 PLC 与上位机间的串行通信设计，能够进行通信测试。 13 第二章 变频调速恒压供水系统工作原理 在变频调速供水系统中，是通过变频器来改 变水泵的转速，从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点，是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。因 此水泵工况点的确定和工况调节与这三者密切相关。 2.1 系统工作过程 根据现场生产的实际情况，白天一般只需开动一台大泵和一台小泵，就能满足生产需要，小机工频运行作恒速泵使用，大机变频运行作变量泵；晚上用水低峰时，只需开动一台大机就能满足供水需要。因此可以采用一大一小搭配的进行设计，即把 1#水泵电机（ 160KW）和 2#水泵电机（ 220KW）为一组，自动控制系统可以根据运行时间的长短来调整选择不同的机组运行。 分析自动控制系统的机组（ 1#、 2#水泵电机）工作过程 ,可分为以下三个工作状态：1) 1#电机变频起动 ； 2)1#电机工频运行， 2#电机变频运行； 3) 2#电机单独变频运行。一般情况下，水泵电机都处于这三种工作状态之中，当管网压力突变时，三种工作状态就要发生相应转换，因此这三种工作状态对应着三个切换过程。 1.切换过程 14 1#电机变频起动，频率达到 50HZ,1#电机工频运行， 2#电机变频运行。系统开始工作时，管网水压低于设定压力下限iP， 按下相应的按钮 ,选择机组运行，在 PLC 可编程控制器控制下 , KM2 得电， 1#电机先接至变频器输出端，接着接通变频器 FWD 端，变频器 对拖动 1#泵的电动机采用软起动， 1#电机起动，运行一段时间后，随着运行频率的增加，当变频器输出频率增至工频0f（即 50Hz），可编程控制器发出指令，接通变频器 BX 端，变频器 FWD 端断开， KM2 失电， 1#电机自变频器输出端断开， KM1 得电 1#电机切换至工频运行。 1#电机工频运行后 ,开启 1#泵阀门， 1#泵工作在工频状态。接着 KM3 得电， 2#电机接至变频器输出端 ,接通变频器 FWD 端，变频器 BX 端断开 ,2#电机开始软起动，运行一段时间后，开启 2#泵阀门， 2#水泵电机工作在变 频状态。从而实现 1#水泵由变频切换至工频电网运行， 2#水泵接入变频器并启动运行，在系统调节下变频器输出频率不断增加，直到管网水压达到设定值（ki PPP ）为止。 2.切换过程 由 1#电机工频运行， 2#电机变频运行转变为 2#电机单独变频运行状态。当晚上用水量大量减少时，水压增加， 2#水泵电机在变频器作用下，变频器输出频率下降，电机 转速下降，水泵输出流量减少，当变频器输出频率下降到指定值 minf ，电机转速下降到指定值，水管水压高于设定水压 上限kP时（ 2# 电机kPPff ,m in） ,在 PLC 可编程控制器控制下，1#水泵电机从工频断开， 2#水泵继续在变频器拖动下变频运行。 3.切换过程 由 2#电机变频运行转变为 2#电机变频停止， 1#电机变频运行状态。当早晨用水量再次增加时， 2#电动机工作在调速运行状态，当变频器输出频率增至工频0f（即 50Hz），水管水压低于设定水压上限iP时（ 2#电机iPPff ,0），接通变频器 BX端，变频器 FWD 端断开， KM3 断开， 2#电机自变频器输出端断开； KM2 得电 ,1#电机接至变频器输出端；接 15 通变频器 FWD 端 ,与此同时变频器 BX端断开 ,1#电机开始软起动。控制系统又回到初始工作状态，开始新一轮循环。 1#和 2#机组工作过程流程图如下： 图 2-1 1#和 2#机组工作过程流程图 2.2 变频调速的节能、调速原理 水泵机组应用变频调速技术，即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，可以相应地改变水泵转速及工况，使其流量与扬程 适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。 如图 2 2所示， n为水泵特性曲线 ,A为管路特性曲线 ,H0为管网末端的服务压力 , H为泵出口压力。当用水量达到最大 Qmax 时 ,水泵全速运转 ,出口阀门全开 ,达到了满负荷运行 ,水泵的特性曲线 n0 和用水管路特性曲线 A0 汇交于 b 点 ,此时 ,水泵报出口压力为 H ， 16 末端服务压力刚好为 H0。当用水量从 Qmax 减少到 Q1 的过程中 ,采用不同的控制方案 ,其水泵的能耗也不同。 泵全速时泵出口压力恒定时管网末端恒定时泵出口恒定时扬程流量关小阀门时泵速下调到 时泵速下调到 1时)图 2 2 节能分析曲线图 （ 1）水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制：此时，管路阻力特性曲线变陡（ A2），水泵的工况点由 b 点上滑到 c 点，而管路所需的扬程将由 b 点滑到 d点，这样， c 点和 d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。 （ 2）水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制：此时，当用水量由 Qmax 下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点始终在 H 上平移。在水量到达 Q1 时，相应的水泵特性曲线为 nx，面管路的特性曲线将向上平移到 A1，两线交点 e 即为此时的工况点。这样，在水量减少到 Q1 时，将导致管网不利点水压升高到 H1H0，则 h1 即为水泵的能量浪费。 （ 3） 水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制：此时，当用水量由 Qmax 下降 17 到 Q1 时，水泵降低转速，水泵的特性曲线变为 n1，其工况点为 d点，正好落在管网特性曲线 A0 上，这样可以使水泵的工作点始终沿 A0 滑动。管网的服务压力 H0 恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪 费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了 h1。 根据水泵的相似原理： 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 分别为泵流量、压力、轴的功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。 根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数， 通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术落后相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的。保证了居民用水压力的可靠。 采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵机组启动，降低了起动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性，另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。 目前水泵电机绝大 部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速 n 为 : n =120 f(1-s)/p （ 2 5） 式 2 5中 s为电机的滑差 (s=0.02)， p为电机极对数， f为定子供电频率。当水泵电机选定后， p 和 s为定值，也就是说电机转速的大小与电源的频率高低成正比，频率越高， 18 转速越高，反之，转速越低。变频调速是根据这一公式来实现无级调速的。 由流体力学知：管网压力 P、流量 Q和功率 N 的关系为 N = PQ （ 2 6） 又 功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比基于流量控制可以大幅度降低轴功率。 2.3 变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析 2.3.1管路水力损失及性能曲线 管路水力损失分为沿程损失和局部损失两种，即 jys hhh (2.3.1) 沿程损失： 2LQhyy (2.3.2) 局部损失： 22222 QgAgh jjj (2.3.3) 式中y管路沿程摩擦损失系数；j局部损失系数； L管路长度 (m)； 各局部损失的计算流速 (m/s)； A 过水截面的面积 ( 2m )。 将式 (2.3.2)和 (2.3.3)代人 (2.3.1)可得 222222 22 SQQgALQgALQh jyjys (2.3.4) 式中 S 被称为管路阻力系数。当水泵管路系统确定后，相应的y、j、 L、 A等参数都能确定， S 也就确定了。由式 (2.3.4)可知管路水力损失与流量的平方成正比。当上下水位确定后，管路所需要的水头损失就等于上下水位差（即实际扬程sjH）加上管路损失11。 19 ssjx HHH (2.3.5) 由式 (2.3.5)可以得到如图 2-3所示的 QHx 管路性能曲线。 2.3.2水泵工作点的确定和调节 1水泵工作点的确定 如果把某一水泵的性能曲线（即 HQ曲线）和管路性能曲线画在同一坐标系中，如图 2-3 所示，则这两条曲线的交点 A 就是水泵的工作点。若把水泵的效率曲线 -Q 也画在同一坐标系中，可以找出 A 点的扬程 AH 、流量 AQ 以及效率 A 。 从图中可以看出，水泵 在工作点 A 点提供的扬程和管路所需的水头损失相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。 2水泵工作点的调节 交流电动机的转速 n 与电源频率 f具有如下关系： )1(60 sp fn (2.3.6) AQQ AH AAH x - QAH Qn 1 Q图 2-3 水泵工作点的确定 20 式中： p极对数； s转差率 因此不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。变频器调速的工作原理就是通过选择电压频率比（ V/F）曲线，设定加减速时间以及转矩补偿曲线，使电动机起动时转速从零开始逐渐升高，实现软启动，减少了启动电流。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率 f来改变电机的转速 n从而改变水泵的转速。由于水泵的流量、扬程和消耗的功率都可以随其转速的变化而变化，变频调速技术可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况，大大扩展了水泵的高效运行范围。 当管网负载减小时，通过 VVVF 降低交流电的频率，电动机的转速从 n1 降低到 n2。另外根据叶片泵工作原理和相似理论 11，改变 转速 n，可使供水泵流量 Q、扬程 H和轴功率 N以相应规律改变。 HQkN (2.3.7) 1212 / nnQQ (2.3.8) 21212 nnHH (2.3.9) 将式 (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功率常数。 从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 相似工况抛物线Hx Q 管路性能曲线H Q 水泵性能曲线图 2-4 变频调速恒压供水单台水泵工况调节图 21 22121 QQHH(2.3.11) 即 kQHQH 22 221 1 或 2kQH (2.3.12) 式 (2.3.12)是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。 在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过改变电源的频率来改变电机转速 n，从而改变水泵性能曲线得以 实现的。由图 2-4可见，设定管网压力值（扬程）为H0，管网初始用水量为 QA，初始工况点为 A，水泵电机的转速为 n1。当管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成 420A 电流信号送往 PID 调节器，经比较处理后，输出一个信号令变频器频率降低，从而降低电机转速至 n2。水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛物线下降的，也就是从点 A 移至 B 点，在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应减小 .。恒压供水系统中压力值恒定在 H0,因此水泵工作点又沿着转速 n2 所对应的水泵性能曲线从点 B 移至 C 点，在此阶段水泵输出 压力升高，流量减少，水泵运行在新的工作点 C点，在图 2-4中可以找出 C 点的扬程 HC、流量 QC 以及水泵运行效率C。 考察水泵的效率曲线 -Q，当变频调速使水泵偏离甚至位于高效区之外时，水泵的运行效率会大大下降。因此，水泵转速调节要尽量使水泵在高效区之内运行，避免使变频器频率下降得过低，而造成水泵在低效率段运行。 2.3.3 水泵变频调速节能分析 水泵运行工况点 A是水泵性能曲线 n1 和管路性能曲线 R1的交点。在常规供水系 统中，采用阀门控制流量。需要减少流量时关小阀门，使管路性能曲线由 R1 变为 R2。运行工况 22 点沿着水泵性能曲线从 A点移到 D 点，扬程从 H0 上升到 H1，流量从 Q0减少到 Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线 R1 保持不变，水泵的特性取决于转速。如果水泵转速从n0 降到 n1，水泵性能曲线从 n0 平移到 n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从 A 点移到 C点，扬程从 H0 下降到 H2，流量从 Q0 减少到 Q1。在图 2-7 中，水泵运行在 B点时消耗的轴功率与 H1BQ1O 的面积成正比，运行在 C 点时消耗的轴功率与 H2CQ1O 的面积成正比。从图上可以看出 ，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果十分明显。 由 (2.3.7)求出运行在 B 点的泵的轴功率 11 HkQN B ，运行在 C 点时泵的轴功率21 HkQN C ， 两者之差： 121 )( kQHHNNN CB (2.3.13) 也就是说，采用阀门控制流量时有 N 的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小而增加。 相反，采用变频调速控制水泵电机时，由式 (2.3.10)可知， 当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果十分显著。 2.3.4调速范围的确定 考察水泵的效率曲线 -Q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行 19。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，QQ 0Q 1n 0AH sjBR 2R 1H 0H 10n 1CH 2H图 2-5 水泵节能分析图 23 在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在 40Hz 以上，也就是说转速下降在 20%以内，在此范围内，电动机的负载率在 50% 100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。 2.4 本章小结 本章从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点（工况点）的确定方法。接着介绍了水泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。本章重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得出了以下结论： 1、水泵的工作点就是在同一坐标系中水泵的性能曲线和管路性能曲线的交点。水泵工作点是水泵运行的理想工作点 ，实际运行时水泵的工作点并非总是固定不变的。 2、水泵工况的调节就是采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点，使其符合要求。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。 3、考察水泵的效率曲线 -Q,，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。实际配泵时扬程应设定在水泵的高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在 40Hz 以上，转速下降在20%以 内。 24 第三章 系统监控软件的设计与实现 对于一个计算机监控系统来说，硬件是基础，软件是灵魂。软件已经成为计算机系统的主体，在很大程度上决定了系统的先进性、可靠性、实用性以及实时性。信息管理及监控软件是一种特殊的软件，它具有如下特点： 1要求可靠性特别高。可靠性不仅意味着系统工作的正确性，而且要求系统工作的连续性。例如控制过程不允许中断，系统中各种参数不允许丢失； 2要求监控软件实时性强。实时性要求系统能够实时反映监测量并及时做出控制决策，即具有较快 的响应速度。 3要求软件的使用和维护方便。信息管理及监控软件主要由工程技术人员和操作人员使用，要求系统的使用和维护都很方便。 4要求支持数据库安全登录，数据库访问权限和程序使用安全。 5支持数据库备份和基于事务的数据库操作，数据集中管理并且具有很强的综合统计、分析及报表输出功能。 充分利用计算机的强大的处理能力，设计出实时性好、监测控制高效可靠，软件分析功能齐全，并且具有动画效果、操作界面友好的信息管理及监控软件是本系统的主要任务。 Windows 2000 是 Windows NT 4.0 的升级产品，不 但集 Windows 9x 和 Windows NT 4.0的众多优良的功能 /性能于一身，而且在稳定性、网络功能和安全性能方面，比 Windows NT 4.0 都有了极大的改善。 它不仅可以在一个小的工作组网络中为用户提供文件 服务 和打印服务，也可以在一个大型企业的网络中为用户提供应用程序、 Web 浏览与发布、 文件传输、电子邮件和通讯等服务，是一个性能更好、工作更稳定、更容易管理的操作系统 。因此上位机采用的操作系统是 Microsoft 公司的 Windows 2000 Server。 25 由 Inprise 公司（原 Borland 公 司）推出的基于 Windows 平台的可视化快速应用开发工具 Delphi 6.0 在数据库编程方面功能十分强大而且有很强的程序界面开发能力。本控制系统的系统监控软件主要采用 Delphi 6.0 来开发。 3.1 系统监控软件总体结构设计 软件总体设计的任务是确定软件的总体结构、子系统和模块的划分，并确定模块间的接口和评价模块划分的质量，以及进行数据分析。按照软件工程学的观点，软件的总体设计在整个软件的开发过程中处于十分重要的地位。在详细编写代码之前进行总体设计，可以 站在全局的高度上，用较少的成本，从抽象的层次上来分析对比多种可能的系统实现方案和最合理的软件结构，从而可以用较低的成本开发出质量较高的软件来。总体设计过程通常由两个主要的阶段组成： 1)系统设计，即确定系统的具体实现方案； 2)结构设计，即确定软件的结构。 软件总体设计的具体步骤如下： 1提出各种可供选择的方案； 2对各个方案进行论证，选取合理的方案，对于每个合理的方案都应该有系统流程图、组成系统的物理元素清单、成本效益分析和实现这个系统的进度进化； 3确定最佳方案，在综合分析对比各种合理方案的基础之上选择一 个最佳方案； 4功能分解。通常分为结构设计和过程设计两个阶段。结构设计确定程序由哪些模块组成，以及这些模块之间的关系；过程设计确定每个模块的处理过程。 5设计软件结构，将各个模块组织成良好的层次系统； 6数据库设计，即在需求分析阶段对数据要求所做的分析的基础上进一步进行数据库设计、子模式设计、完整性设计和安全性设计并进行优化； 7制定测试计划：在软件开发的早期考虑测试问题，能促使软件设计人员在设计时注意提高软件的可测试性； 8书写文档：应该用正式的文档记录总体设计的结 26 果，在这个阶段应该完成的文档有系统总体设 计说明、用户手册、测试计划、详细的实现计划和数据库设计说明； 9审查与复查：对总体设计的结果进行严格的技术审查，在技术审查之后由使用部门的负责人从管理的角度进行复审。 根据软件总体设计的要求和过程，我们对系统的信息管理及监控程序按不同的功能进行功能分解，划分为不同的模块。供水自动化计算机控制系统的信息管理及监控软件主要包括数据采集和通信、设备状态控制和数据管理三个部分。数据采集和通信部分采集水位、压力、流量、电压和电流等数据，用于记录、存储和分析，以及与 PLC 网络通信。设备控制部分根据采集到的数据判断系统 当前的运行状态，并可通过修改运行参数对设备工作状态进行调整。数据管理部分负责数据的统计、查询以及打印输出，还有数据库的备份和维护。系统软件总体结构框图如图 5-1所示。 整个系统具有数据采集、存储和分析功能，并能够通过分析和计算制作相应的数据报表，系统主界面如图 3-2所示。下面对各个部分功能和作用进行详细的介绍。 3.1.1 数据采集和通信 报警处理图 5 - 1 系 统 软 件 总 体 结 构 图监控系统软件设备状态控