關鍵詞：恆壓供水系統can匯流排變頻器 plc技術自動控制技術
一、設計要求
1、系統現狀
小區內有一座水廠、4個水源井；水廠內設有水池2個，4台供水幫浦為居民供水，2條供水管路；每個水源井設定1臺深井幫浦。
供水方式為深井幫浦將水源井的水抽至水倉內，再由供水幫浦將水排至供水管道，再由供水管道供給各使用者生活的需要。
2、系統組成
要求水廠幫浦房實現自動控制，對4個水源井幫浦的遠端啟動，水井水位的監測。
系統由plc（可程式設計邏輯控制器）及其遠端擴充套件模組、操作屏、檢測部分（模擬量和開關量）、執行部分、上位機等組成。
● plc及其遠端擴充套件模組
系統的核心部分，完成對於監測量的處理、運算和儲存，並根據監測結果控制水幫浦啟停等。
● 操作屏
現場設定一台操作屏，實時生動的顯示水幫浦當前執行狀態，現場提供水幫浦自動控制平台。
● 模擬量檢測部分
主要完成對監控需要的模擬量的採集和處理，並送入plc。主要包括以下幾類感測器：
水倉水位感測變送器；
流量感測器；
壓力感測變送器；
溫度感測器。
● 開關量檢測部分
將液壓閘閥、電動球閥、高壓櫃等的工作狀態與啟閉位置等開關量訊號接入plc，監測系統當前執行狀態。
● 執行部分
由就地控制箱、plc集控櫃及電動閘閥系統組成,可完成對水幫浦、閘閥、電動球閥的控制。
● 上位機
上位機實現供水自動控制系統和監控中心自動控制平台之間通訊；實現對供水系統的遠端操控。
3、設計要求
設計出系統的詳細監控方案，包括：
plc各個模組的型號
感測器型號
計算機配置
採用的通訊系統
擬採用的上位機軟體設計思路。
二、引言
1、恆壓供水系統介紹
供水系統是國民生產生活中不可缺少的重要一環。傳統供水方式占地面積大，水質易汙染，基建投資多，傳統的供水系統大部分仍然採用人工手動調整引數控制，生產過程中的重要引數仍然依靠人工定時記錄，用水量的需求具有時變性，在用水高峰期時，管網壓力達不到規定的標準壓力，造成高層建築斷水;用水低峰期時，管網壓力經常超過規定的壓力上限，極易造成爆管事故並且能源損耗嚴重。本文提出採用模糊pid演算法加smith預估補償方式變頻器恆壓控制供水系統具有執行經濟、可靠性高、節能效果明顯等優點，利用can現場匯流排技術構成的底層控制網路，採用了分布式結構和分散控制原理，具有使用方便、易於擴充套件等優點，能有效地滿足監控系統在遠端監控的實時性和可靠性要求。
變頻調速技術是一種新型成熟的交流電機無極調速技術，它以其獨特優良的控制效能被廣泛應用於速度控制領域，特別是供水行業中。由於安全生產和供水質量的特殊需要，對恆壓供水壓力有著嚴格的要求，因而變頻調速技術得到了更加深入的應用。供水系統採用「通用變頻器+微控制器（包括pid調節器）+工頻/變頻切換」的控制方案。
現場控制器能夠完成現場管網壓力反饋值的資料採集、壓力給定值的輸入、模糊pid調節運算，最後將控制量送入變頻器，控制水幫浦電機的轉速，達到恆壓供水的目的;同時通過profibus-fms現場匯流排接收來自其他節點（主要是上位監控計算機）的命令或者主動將自身的資料傳送到profibus匯流排上供上位監控計算機接收，實現人機互動功能。恆壓供水方式技術先進、水壓恆定、操作方便、執行可靠、節約電能、自動化程度高，在幫浦站供水中可完成以下功能：
（1）維持水壓恆定
（2）控制系統可手動/自動執行
（3）多台幫浦自動切換執行
（4）系統睡眠與喚醒，當外界停止用水時，系統處於睡眠狀態，直至有用水需求時自動喚醒
（5）**調整pid引數；
（6）幫浦組及線路保護檢測報警，訊號顯示等
將管網的實際壓力經反饋後與給定壓力進行比較，當管網壓力不足時，變頻器增大輸出頻率，水幫浦轉速加快，供水量增加，迫使管網壓力上公升。反之水幫浦轉速減慢，供水量減小，管網壓力下降，保持恆壓供水。
2、系統硬體構成
系統採用壓力感測器、plc和saj變頻器作為中心控制裝置，實現所需功能。 **:輸配電裝置網安裝在管網幹線上的壓力感測器，用於檢測管網的水壓，將壓力轉化為4～20 ma的電流或者是0~10v的電壓訊號，提供給saj變頻器。
saj變頻器是水幫浦電機的控制裝置，能按照水壓恆定需要將0～50 hz的頻率訊號供給水幫浦電機，調整其轉速，saj變頻器功能強大，即預先編置好的引數集，將使用過程中所需設定的引數數量減小到最小，引數的預設值依應用巨集的選擇而不同。系統採用pid控制的應用巨集，進行閉環控制。saj變頻器根據恆壓時對應的電壓設定值與從壓力感測器獲得的反饋電流訊號，利用pid控制巨集自動調節，改變頻率輸出值來調節所控制的水幫浦電機轉速，以保證管網壓力恆定要求。
3、系統的其它優點
變頻恆壓供水系統同其它供水方式相比較，除了具有顯著的節能效果外，還有以下顯而易見的優勢：
1、恆壓供水技術因採用變頻器改變電動機電源頻率，而達到調節水幫浦轉速改變水幫浦出口壓力，比靠調節閥門的控制水幫浦出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。
2、由於變數幫浦工作在變頻工況，在其出口流量小於額定流量，幫浦轉速降低，減少了軸承的磨損和發熱，延長幫浦和電動機的機械使用壽命。
3、水幫浦電動機採用軟啟動方式，按設定的加速時間加速，避免電動機啟動時的電流衝擊，對電網電壓造成波動的影響，同時也避免了電動機突然加速造成幫浦系統的喘振。徹底消除水錘現象。
4、實現恆壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節省了人力。
4、恆壓供水使用的領域
1、自來水供水、生活小區及消防供水系統，亦可用於熱水**、恆壓噴淋等系統。
2、工業企業生活、生產供水系統及工廠其它需恆壓控制領域（如空壓機系統的恆壓供氣、恆壓供風）。各種場合的恆壓、變壓控制，冷卻水和迴圈供水系統。
3、汙水幫浦站、汙水處理及汙水提公升系統。
4、農業排灌、園林噴淋、水景和**噴泉系統。
5、賓館、大型公共建築供水及消防系統。
三、 系統的硬體設計
3.1過程控制系統裝置
系統裝置由物件裝置、儀表控制屏、軟體系統（mcgs組態軟體）、個人電腦四部分組成。
3.2技術指標
工作電源：單相三線 220v±5% 50hz
外形尺寸：1510×700×1900mm
整機容量： <2kva
控制訊號：電壓1～5v 電流4～20ma
控制物件：儲水箱,鍋爐
系統動力： 雙路功率可調的迴圈水幫浦
檢測感測器：擴散矽壓力液位感測器渦輪流量感測器和流量積算儀pt100熱電阻溫度感測器
執行機構：單相可控矽調壓裝置：電動調節閥
3.3 儀表控制屏
i7000系列資料採集模組
ai808系列智慧型調節儀
omron系列cpm1a-30型plc
電源控制和訊號介面面板
快插連線線
電氣附件
3.4軟體系統
mcgs工控組態軟體
ddc系統軟體
儀表系統軟體
s7200plc系統軟體
omron型 cpm1a-30型程式設計軟體
3.5 基於can匯流排遠端監控自動化系統的硬體設計
can（controller area network）匯流排是一種支援分布式實時控制系統的序列通訊區域網。其訊號傳輸採用短幀結構，每一幀的有效位元組數為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。由於其高效能、高可靠性、實時性等優點,已廣泛應用於控制系統中的檢測和執行機構之間的資料通訊。
can匯流排符合iso11898標準,最大傳輸速率可達1mb/s（傳輸距離最大為40m），最大傳輸距離為10km（傳輸速率約為5k）。
基於can匯流排遠端監控自動化系統的構成由計算機和各個智慧型節點組成，如圖1所示。計算上安裝具有高效能**比的can 匯流排通訊介面卡pci-9820 非智慧型兩通道can 介面卡，該產品採用標準pci 介面，能讓計算機方便的連線到can 匯流排上，實現can2.0b 協議（相容can 2.
0a ）的連線通訊。pci-9820 介面卡配備兩通道邏輯獨立can 介面，使得在開發應用中更顯方便和靈活：每個通道光電隔離，保護計算機機避免地環流的損壞，增強系統在惡劣環境中使用的可靠性。
圖1 供水系統的構成圖圖2 供水系統現場控制器的組成框圖
本系統與dcs控制系統不同的是它的拓撲結構中不是所有的下位機都以上位機為中心,而是所有的節點都以「平等主體」的形式掛接在匯流排上，上位計算機僅僅作為can的乙個平等智慧型節點。
3.6 供水系統現場控制器的硬體設計
恆壓供水系統可分為：cpu模組、人機介面模組（包括鍵盤輸入、led顯示電路）、a/d和d/a轉換模組、di/do模組、can通訊模組五部分，如圖2所示。
cpu模組中採用了atmel公司片內具有4kb flash rom的微控制器晶元at89c51。為提高系統的可靠性，採用了具有電壓監測、整合看門狗（watchdog）的max1232晶元，可有效地防止程式的彈飛。a/d和d/a轉換模組中訊號輸入電路主要是把壓力變送器的電流（4～20ma）輸出訊號，經過電流電壓變換晶元rcv420放大濾波轉換成0～5v的電壓模擬訊號，通過adc0809模數轉換，最終把採集到的多路模擬量訊號轉換成數字量訊號;同樣，經cpu模糊pid運算處理後，通過數模轉換器ad558變換成0～10v的電壓訊號，控制變頻器的輸出轉速。
本設計採用一片8255進行i/o擴充套件，8255的a口用於can網通訊的id設定;8255的b口用於開關量的輸入，外部的水位檢測等開關量，經光電耦合輸入到8255的b口;8255的c口用於開關量的輸出，用於控制接觸器組，使其處於不同的接通和斷開狀態，微控制器的控制資訊從8255的c口輸出，經驅動和繼電器隔離控制接觸器動作，產生相應的控制訊號。
圖3 供水系統can通訊模組電路原理圖
在can匯流排通訊功能中硬體電路設計中，。。sja1000由微控制器89c51通過8位位址資料復用匯流排和讀寫控制訊號進行控制。sja1000的中斷請求訊號int端連線至89c51的外部中斷輸入int0端，can通訊控制器可通過中斷與微控制器進行資料傳輸。
sja1000的傳送輸出端tx0與接收輸入端rx0、rx1分別經高速整合光電耦合器6n137隔離後與can匯流排介面晶元tja1040相連，6n137中的光敏器件採用了光敏二極體，可以滿足高速數碼訊號的傳輸，實現了can匯流排與節點間的隔離傳輸，有助於提高節點裝置的安全性和可靠性。
3.7變頻器技術
3.7.1 變頻器原理及應用
使用者用水的多少是經常變動的，因此，供水不足或供水過剩的情況時有發生。而用水和供水之間的不平衡集中地表現在供水壓力上：用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。
保持供水的壓力恆定，可使供水和用水之間保持平衡，從而提高供水的質量。另一方面用變頻調速來實現恆壓供水節能效果十分顯著。s7-300變頻器是西門子公司推出的通用變頻器，適用於自控等各類場合。
在恆壓供水中採用這種變頻器，可以更穩定、更安全地保證系統執行。
變頻器採用igbt的pwm控制，採用空間向量pwm技術，在控制方面有很多突出的優點：低電流紋波，低轉矩紋波，低電動機溫公升，並提高了功率因素，這是ih變頻器的基本控制特性。這種空間向量pwm技術在很多具體的應用場合得到了驗證。
另外，內建pi控制功能，此功能使用於過程控制，通過閉環的給定值和反饋值之間的比較，應用比例、積分的演算法控制流量、溫度、壓力等。恆壓供水是指使用者端在任何時候，不管用水量的大小，總能保持管網中水壓的基本恆定。在恆壓供水系統中，為保持管網水壓的反饋訊號進行比較以調節水幫浦的轉速，達到控制管網中水壓的目的。
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