【正文】 減少一些硬件的投入，通過軟件實(shí)現(xiàn)硬件的功能。 根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際情況， 調(diào)速變頻器我們采用西門子 MicroMaster430 型變頻器 （如圖 14所示） ，該變頻器適用于各種變頻驅(qū)動(dòng)裝置，由于其操作靈活，所以在 許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，尤其適用于工業(yè)部門的水泵和風(fēng)機(jī)。由于負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當(dāng)工作頻率高于額定工作頻率時(shí)，負(fù)載的轉(zhuǎn)矩有可能大大超過變頻器額定轉(zhuǎn)矩，使電 機(jī)過載。 水泵屬于典型的二次方律負(fù)載，其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，機(jī)械特性曲線如圖 13（ A）所示；其功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，功率特性曲線如圖（ B）所示。 變頻調(diào)速技術(shù)與 PID 調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用 對(duì)水 源 地抽水 泵的控制采取變頻調(diào)速技術(shù)?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。三種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。它是根據(jù)被控過程的特性確定 PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。所以對(duì)有較大慣性或滯 后的被控對(duì)象，比例+微分（ PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化 “ 超前 ” ，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在 克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。因此，比例 +積分（ PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤 差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（ System with Steadystate Error）。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（ Steadystate error）。 1. 比例（ P）控制 ： 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。 PID 控制，實(shí)際中也有 PI 和 PD 控制。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 10 PID 控制的原理和特點(diǎn) ： 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱 PID 控制，又稱 PID 調(diào)節(jié)。 PID 控制屬于閉環(huán)控制， 閉環(huán)控制系統(tǒng)（ closedloop control system）的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對(duì)象的輸出（被控制量）會(huì)反送回來影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。 由公式可知，只要平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率 f，就可以平滑地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。與外界的聯(lián)系基本上分為三部分：一是主電路接線端，包括工頻電網(wǎng)的輸入端（ R、 S、 T） ，接電動(dòng)機(jī)的輸出端（ U、 V、 W）；二是控制端子，包括外部信號(hào)控制變頻器的端子，變頻器工作狀態(tài)指示端子，變頻器與微機(jī)或其他變頻器的通訊接口；三是操作面板，包括液晶顯示屏和鍵盤。在自來水行業(yè)，變頻器主要應(yīng)用在取水泵房、送水泵房，除了可以節(jié)電，還可以平滑調(diào)節(jié)取水流量、送水壓力，滿足制水、供水工藝要求。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的發(fā)電總量的 70%左右消耗在電動(dòng)機(jī)上，風(fēng)機(jī)、水泵消耗我國(guó)發(fā)電總量的 40%左右。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境 、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。 根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際情況， PLC 我們采用西門子S7200 系列的相關(guān)產(chǎn)品。變頻器和 P L C 的應(yīng)用為水泵轉(zhuǎn)速的平滑性連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。一般來說， PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，如圖 3 所示，即一個(gè)掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時(shí)間的總和。另外，采用掃描用戶程序的運(yùn)行結(jié)果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運(yùn)行的結(jié)果有所區(qū)別。這時(shí)，才是 PLC 的真正 輸出。 3. 輸出刷新階段 ： 當(dāng)掃描用戶程序結(jié)束后， PLC 就進(jìn)入輸出刷新階段。在掃描每一條梯形圖時(shí)，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點(diǎn)構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點(diǎn)構(gòu)成的控制線路進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后根據(jù)邏輯運(yùn)算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng) RAM存儲(chǔ)區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在 I/O映象區(qū)中對(duì)應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。因此，如果輸入是脈沖信號(hào)，則該脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期，才能保證在任何情 況下，該輸入均能被讀入。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)行和輸出刷新階段。在整個(gè)運(yùn)行期間， PLC的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 當(dāng) PLC投入運(yùn)行后，其工作過程一般 分為三個(gè)階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個(gè)階段。 P L C 的應(yīng)用 PLC 通電后，需要對(duì)硬件和軟件作一些初始化工作。 5. 體積小，重量輕，能耗低 ： 復(fù)雜的控制系統(tǒng)使用 PLC 后，可以減少大量的中間繼電器和時(shí)間繼 電器，小型的 PLC 的體積僅相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的 1/2 至 1/10。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。為不熟悉電子電路、不懂計(jì)算機(jī)原理和匯編語言的人使用計(jì)算機(jī)從事工業(yè)控制打開了方便之門。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。加上 PLC 通信能力的增強(qiáng)及人機(jī)界面技術(shù)的發(fā)展，使用 PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代 PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。 2. 配套齊全，功能完善，適用性強(qiáng) ，性價(jià)比高 ： PLC 發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各種規(guī)模的 系列化產(chǎn)品。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除 PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護(hù)。從 PLC的機(jī)外電路來說，使用 PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點(diǎn)已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。 P L C 的特點(diǎn) PLC 的特點(diǎn) 主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1. 可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) ： 高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。隨著計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展，工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各 PLC 廠商都十分重視 PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系 統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。 5. 數(shù)據(jù)處理 ： 現(xiàn)代 PLC 具有數(shù)學(xué)運(yùn)算（含矩陣運(yùn)算、函數(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。 PID 處理一般是運(yùn)行專用的 PID 子程序。 PID 調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用 得較多的調(diào)節(jié)方法。 4. 過程控制 ： 過程控制是指對(duì)溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。如可驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)的單軸或多軸位置控制模塊。 3. 運(yùn)動(dòng)控制 ： PLC 可以用于圓周運(yùn)動(dòng)或直線運(yùn)動(dòng)的控制。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實(shí)現(xiàn)模擬量（ Analog）和數(shù)字量（ Digital）之間的 A/D 轉(zhuǎn)換及 D/A 轉(zhuǎn)換。如注塑機(jī)、印刷機(jī)、訂書機(jī)械、組合機(jī)床、磨床、包裝生產(chǎn)線、自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 6 電鍍流水線等。 目前， PLC 在國(guó)內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。 P L C 控制 P L C 的概述 PLC 即可編程控制器（ Programmable logic Controller） ， 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。 3. 采用快速自適應(yīng)均衡技術(shù)以消除在傳輸 過程 中由于多徑、（中繼）群延時(shí)引起的波形失真、混迭以獲得最佳的接收性能 ，解調(diào)靈敏度高， 誤碼率優(yōu)于 106 4. 超強(qiáng)的前向糾錯(cuò) GF(256)ReedSolomon 碼和交織算法的結(jié)合，在惡劣的通信環(huán)境中保障了通信的可靠性 ； 設(shè)計(jì)有 Watchdog 以防止在工業(yè)環(huán)境中的干擾造成意外死機(jī) ；環(huán)境溫度范圍達(dá)到 40℃～ +70℃ ， 滿足設(shè)備在野外惡劣環(huán)境中的可靠運(yùn)行 。能自動(dòng)識(shí)別發(fā)送方所采用的信道速率 ,正確地解調(diào)各種速率的信號(hào)；因而通信網(wǎng)中的 主分站 或各個(gè)子站可以根據(jù)實(shí)際的通信環(huán)境或 遠(yuǎn)近采用不同的通信速率，整個(gè)通信網(wǎng)不需要統(tǒng)一采用同一速率，這樣同時(shí)兼顧了通信的可靠性和有效性 。日精電臺(tái)功耗非常小，守候電流是一般同類產(chǎn)品的產(chǎn)品的 1/3 不到，發(fā)射電流也要低 30%以上，因?yàn)橥耆?FET 而不是晶體管產(chǎn)品。日精電臺(tái)特別適合于在非常嚴(yán)酷環(huán)境下穩(wěn)定工作，如強(qiáng)電自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 5 磁場(chǎng)（變壓器 及泵站旁）、高溫（如寶鋼的煉鋼車間的運(yùn)送鋼水的小火 車遙控遙測(cè)，克拉瑪依油田油井監(jiān)控）、低溫（如大慶油田、東三省的電力負(fù)監(jiān)控系統(tǒng)）、潮濕（如水利防汛自動(dòng)化系統(tǒng)）。 綜合各方面的因素，我們?cè)诒菊n題的系統(tǒng)中采用 日精系列的 ND250A 產(chǎn)品 ，該產(chǎn)品采用微處理器和先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理 DSP 芯片，借助 DSP 技術(shù)以軟件的方式實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的無線數(shù)字調(diào)制解調(diào)算法、快速自適應(yīng)均衡算法和前向糾錯(cuò)算法，從而保證了在各種惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，數(shù)據(jù)傳輸性能的穩(wěn)定性和一致性，克服了傳統(tǒng)的用硬件實(shí)現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)器因溫度變化或是環(huán)境惡化帶來的性能下降的缺點(diǎn) 。其 工作頻率大多使用 220240MHz 或 400470MHz 頻段，具有數(shù)話兼容、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性好、專用數(shù)據(jù)傳輸通道、一次建設(shè)投資、沒有運(yùn)行使用費(fèi)、適用于惡劣環(huán)境、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 圖 11 日精 ND250A SCADA 系統(tǒng)主要傳輸途徑是無線數(shù)傳電臺(tái) 。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 4 第 1 章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 數(shù)傳電臺(tái) 日精 ND250A 在 本 系統(tǒng)中，由于各管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)具有分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)、個(gè)別地點(diǎn)地處偏僻、環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，所以選擇有線通信顯然不切合實(shí)際。該產(chǎn)品在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其是有較強(qiáng)的是有較強(qiáng)的組網(wǎng)能力。 主分站 PLC 完成兩方面任務(wù)，一是水廠區(qū)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集；二是與水源地的 五 個(gè)從站進(jìn)行通信，完成水源地現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與深井泵的控制 ；同時(shí)在系統(tǒng)抽供水的過程中，還要考慮本市用電時(shí)段的波峰波谷情況，從自來水公司的經(jīng)濟(jì)上進(jìn)行考慮 （這主要通過 PLC 編 程來實(shí)現(xiàn)） 。 其監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 01 所示： 自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 3 圖 01 自來水廠的系統(tǒng)監(jiān)控圖 整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由位于水廠區(qū)的上位 PC 機(jī)、 主分站 PLC 和 五 個(gè) 水源地的 五 個(gè)從站 PLC構(gòu)成（見圖 1）。水廠區(qū)的任務(wù)是對(duì)水池的水進(jìn)行消毒處理后，通過加壓泵向市區(qū)管路進(jìn)行恒壓供水；而水源地的任務(wù)是通過 五 個(gè) 深井泵 組 對(duì)水廠區(qū)的蓄水池進(jìn)行供水 ，這是本課題研究的主要內(nèi)容 。 自來水廠水 的 生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)多變量（如流量、溫度、壓力等）多任務(wù)（如水的輸送、投藥 /加氯控制、格柵與排泥控制 、濾池控制、出水泵起 /停控制、壓力控制、數(shù)據(jù)管理等）多設(shè)備（如電機(jī)、閥門、泵等）并具有時(shí)變性、耦合性和隨機(jī)性的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。 工控機(jī)選用研華公司的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， PLC 選用西門子公司的 S7200 系列，監(jiān)控軟件選用 MCGS 組態(tài)軟件，上位機(jī)與 PLC 之間通過 自由端口 進(jìn)行通信，可通過上位機(jī)的控制界面實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能 , 實(shí)現(xiàn)了對(duì)水廠各個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及對(duì)歷史數(shù)據(jù)的記錄和對(duì)相關(guān)被控對(duì)象的報(bào)警等相關(guān)功能。 2. 操作站： 中心控制室由一臺(tái)工控機(jī)、一套 PLC 設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)等組成 。 主分站 對(duì)各分 站進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 采集 的方式， 并 通過數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái) 日精 ND250A將各水源地現(xiàn)場(chǎng) PLC所檢測(cè)到的信號(hào) 送入 主分站 進(jìn)行相關(guān)的控制與管理 ；分站控制系統(tǒng)采用西門子 S7200系列 的相關(guān)產(chǎn)品 和 變頻器對(duì)水泵電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，同時(shí) 分站控制系統(tǒng) 也 通過數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái) 日精 ND250A和主 分 站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，分站接收 主分站 發(fā)送過來的命令或者相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制，分站的數(shù)據(jù)發(fā)往 主分站 控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn) 主分站 對(duì)各分站的監(jiān)控和記錄。 主分自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 2 站 將通過巡檢把故障信號(hào)采集到主控室給出報(bào)警。其控制優(yōu)先等級(jí)為：現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)→中央手動(dòng)→中央自動(dòng)→現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)。當(dāng) PLC 或無線數(shù)字傳輸電臺(tái)處于編程狀態(tài)或出現(xiàn)故障時(shí)可以采用就地控制方式。系統(tǒng)具有就地和遠(yuǎn)程兩種控制方式，各水源地深井泵通過電氣控制柜上的選擇開關(guān)，可以選擇就地控制方式或遠(yuǎn)程控制方式。操作人員在主控室即根據(jù)系統(tǒng)的上位機(jī)所顯示的數(shù)據(jù)信息情況來監(jiān)測(cè)各水源地分站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)遠(yuǎn)端出現(xiàn)故障時(shí)，中心點(diǎn)會(huì)通過無線傳輸回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找到出故障的地點(diǎn)，從而能在最短的時(shí)間內(nèi)解決問題，恢復(fù)供水，提高了整體的服務(wù)水平，從而實(shí)現(xiàn)了水廠的信息化、現(xiàn)代化。不同于一般的控制系統(tǒng)，這種新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅降低了故障率和檢修的時(shí)間，也降低了停水次數(shù)，提高了對(duì)系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。但國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的自來水公司目前還幾乎沒有將水泵電機(jī)分時(shí)段按照用電谷段進(jìn)行自動(dòng)遠(yuǎn)程變頻控制。基于工業(yè)以太網(wǎng)下的恒壓供水系統(tǒng)是目前自來水公司的一大熱點(diǎn)，也是未來自來水公司的一大發(fā)