1、一般规定城市管网的水压只保证 6层以下楼房的用水，其余上部各层均须提升水压才能满足用水要求。传统的方法是水塔、高位水箱或气压罐式增压设备，其设备一次投资费用高，并且必须由水泵高于实际用水高度的压力来提升水量，其结果往往增大了水泵的轴功率和能量损耗，在使用这些传统的供水方式，还容易造成水的二次污染。使用传统的供水方式，用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水的平衡集中反映在供水的压力上，即用水多但同时供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时用水也多，用水少时用水也少，从而提高了供水的质量。恒压供水
2、是指在供水网中用水量发生变化的时候，出口压力保持不变的供水方式。供水网系出口压力值是根据用户需求确定的，所以恒压变频供水可以达到节约资源，提高供水质量的要求。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户也是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响 产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。1.3 国内外相关技术发展概况国内外相关技术发展概况 变频调速恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，得到了广泛应用。恒压供水调速系
3、统可依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，保持水恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统，在短短的几年内、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为多泵系统所代替，投资更为节省，运行效率提高，成为主导产品。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，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最
4、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很有潜力。2 总体设计总体设计 2.1 方案论证方案论证 恒压变频供水是较为理想和先进的。首先恒压变频供水保证出水压力不变，根据用水量大小进行变频供水，既节约电能，又保证水泵软启动（对电网电压冲击不大），延长了水泵寿命。目前,就恒压变频给水而言，归结起来可采用以下几种方法:（1）压力变送器、单片机与变频器形成控制回路。压力变送器检测管网中的压力，通过控制系统的 A/D转换电路传给单片机，单片机根据
5、管网压力来控制变频器的输出，来控制水泵的转速，以达到控制供水流量的目的。这种控制方式控制器体积小，成本底，可以用于一些特殊场合，比如说现场空间小，并且需求量大的场合。但是它的缺点也是显而易见的，单片机抗干扰能力差，系统稳定性不高，程序修改麻烦，所以现在使用单片机做控制器的恒压变频给水系统普及性很低。（2）压力变送器、PLC控制器与变频器形成控制回路。压力变送器检测管网中的压力，通过 A/D模块传给 PLC控制器，PLC控制器根据管网中的压力来控制变频器的输出，来控制水泵的转速，达到控制供水流量的目的，同时使用组态软件对系统参数进行实时监控。目前这种方式主要应用于集中供水。对于一、二层是商业群房
6、，群房上建有多幢住宅的建筑，目前较多采用此种供水方案。一般设计有地下生活水池一座，集中恒压变频供水，不设屋顶水箱。主水泵一般有三台，二开一备自动切换，副泵为一般为一小流量泵，夜间用水量小时主泵自动切换到副泵，以维持系统压力基本不变。这种方式是目前国内外普遍采用的方法。该系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死。这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。同时它的控制参数可调，可引入 PID调节方式，反应快，并且 PLC控制器的抗干扰能力强，系统稳定性高。但是 P
7、LC与组态软件的成本太高，整个系统性价比不高，不适合小型用户使用。（3）压力变送器、AI-808 人工智能工业调节器与变频器形成控制回路。压力变送器将检测的网管压力传给智能仪表，智能仪表根据系统当前的参数换算出相应的输出值，将输出值输入变频器，以控制水泵的转速，达到控制管网水流量的目的，同时在上位机使用组态王软件设计的监控软件对系统进行实时监控。使用 AI-808 调节器做控制器有一个显著的特点，在系统设计时，由于 AI-808 调节器具有先进的智能调节算法，所以不需要设计 PID算法，并且 AI-808 调节器本身具有 A/D、D/A转换模块，不需要系统再设计单独的 A/D、D/A转换电路或
8、设备。在系统运行时只需要对智能仪表的参数进行修改就可以对系统进行控制。同时 AI-808 调节器具有完善的通讯功能，可以与上位机进行通讯，因此可在上位机中通过软件对智能仪表的参数进行修改，还可对系统进行实时监控。使用组态王设计上位机监控软 件可以大大的减少系统设计成本，并且其灵活性也大于使用组态软件设计的监控软件。通过以上方案的对比分析，第三种方案除了系统成本优于其他方案，其灵活性、系统的简洁性也优于其他方案，因此本课题使用第三种方案设计系统。2.2 设计思想设计思想 按照课题要求，本系统使用压力变送器检测供水管线中的压力，调节水泵电机的运转频率来实现 PID闭环控制。水泵电机的运转频率由变频
9、器输出，频率的高低由 AI-808 调节器控制。压力变送器的电流信号通过转换变成电压信号后传入 AI-808 调节器，AI-808 调节器根据当前的输入值与给定值的关系，按照系统的参数值，输出相应的调节值给变频器，变频器再根据输入值输出相应的频率来控制水泵电机的转速。同时 AI-808 调节器与上位机监控软件进行通信，在上位机显示当前管网水压、给定水压、输出值曲线以及 AI-808 调节器的系统参数，同时还可以在上位机进行历史曲线查询，系统参数修改等操作。在系统工作过程中，压力传感器将主管网水压变换为4mA20mA的电流信号，通过串联一个 250 电阻，将电流信号转换为 1V5V的电压信号。将
10、电压信号传入 AI-808 调节器，AI-808 调节器根据输入信号换算出水压高低，在仪表上显示出来；同时 AI-808调节器也根据输入值与当前系统给定值的关系，按照系统调节参数运算出相应的输出信号。如果输入值大于给定值，AI-808 调节器将减小输出信号值；如果输入值小于给定值，AI-808 调节器将增加输出信号值。AI-808 调节器在调节输出信号的大小的同时，也通过 RS232 串口与上位机进行通信，将 AI-808 调节器采集的数据以及系统参数传到上位机监控软件，同时也接受上位机传来的参数修改指令，使用户可以在上位机监控系统运行状态。系统总体结构如图 2.1 所示。图 2.1 系统总体
11、结构图 2.3 可行性分析可行性分析 本课题设计要求在短时间内完成，并且由于条件与资金有限，不能大量的采购新设备来完成系统设计。按上述系统设计要求，系统需要 PC机一台、AI-808 调节器一台、变频器一部、供水泵一台、压力变送器一个以及若干管道和通信线。系统 AI-808 调节器需要与上位机通讯，所以还得另加一块 AI-808 串口通信模块。而这些设备除 AI-808 串口通信模块以外，其它的都能使用实验室的设备解决，并且上位机的监控软件使用组态王软件进行设计，这样就在很大的程度上减少了系统的设计成本。AI-808 调节器不需要进行编程，而且使用组态王软件设计监控程序技术成熟，降低了整个系统
12、设计的技术要求，相应的也减少了系统设计的周期。总之，系统的设计在时间、经费、材料和技术方面满足了课题的要求，能够在规定条件下完成课题的设计。3 系统的硬件设计系统的硬件设计 3.1 变频器的选型设计变频器的选型设计 3.1.1 变频器选型变频器选型 课题的设计要求变频器支持 420mA的电流来设定频率，对其它的参数要求不高。目前三菱 S500 变频器应用广泛，功能全面，价格低廉，并且支持 4-20mA电流输入来设定频率，符合课题设计的要求，并且三菱 S500 变频器具有数字式拨盘，设定简单快捷，操作方便，因此本课题的变频器选用三菱 S500变频器。3.1.2 变频器介绍变频器介绍 变频器是把工
13、频电源（50Hz或 60Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。变频器实际上就是一个逆变器。它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行开关变为交流电。一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转数，使转数在一定的范围内可调。变频器广泛用于交流电机的调速中。变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流 变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显。因此，交流变频调速已逐渐取代了过去的传统滑差调速、变极调速、直流调速等调速系
14、统，越来越广泛的应用于冶金、纺织、印染、烟机生产线及楼宇、供水等领域。一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路等几大部分。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，平波电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。三菱 S500变频器 3.1.3 三菱三菱 S500变频器的基本接线图变频器的基本接线图 图 3.2 变频器基本接线图 3.2 调节器的选型设计调节器的选型设计 3.2.1 调节器的选型调节器的选型 现在市场上的调节器产品种类繁多，产品良莠不齐。在经过大量的实地考察和实验测试，最终选择了厦门宇电自动化科技有限公司生产的 AI-808 型人
15、工智能工业调节器作为主调节器使用。AI-808 型调节器的主要技术特征；0.2 级精度，带手/自动控制功能，模糊控制算法，多分度输入，多种控制输出（在此选择 4-20mA输出）和多种报警输出。更重要的是厦门宇电自动化科技有限公司还提供 5年的免费维修，这保证了使用 AI-808 调节器的系统能够得到很好维修服务，解除了用户的后顾之优。3.2.2 AI-808 人工智能工业调节器人工智能工业调节器 本系统采用的 AI-808 调节器支持各种热电偶、热电阻、线性电压、电流、电阻及辐射温度计等，并具备扩充输入插座安装特殊输入规格，并可自定义特殊输入的非线性校正表格。除主输入外的第二路输入用于外给定或
16、阀门信号反馈功能，可组成串级或比值调节器等复杂调节系统。AI-808 智能调节器具有先进的控制算法,并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。其具有无超调、高精度、参数确定简单，对复杂对象也能获得较好控制效果等特点。其整体调节效果比一般的 PID算法更明显。这一点在系统调试中得到验证，起初选用日本生产的单纯 PID调节器，在用水量变化和水泵投退过程中，其超调量和稳定时间均不理想，在改用 AI-808 智能仪表后，其动态、静态指标均满足了要求。3.2.3 调节器配线及控制面板使用说明调节器配线及控制面板使用说明 图 3.3 AI-808 人工智能工业调节器 图 3.4 AI-8
17、08 人工智能工业调节器配线图 图 3.5 AI-808 人工智能工业调节器控制面板 面板说明：（1）调节输出指示灯（2）报警 1指示灯（3）报警 2指示灯（4）AUX辅助接口工作指示灯（5）显示转换（兼参数设计进入）（6）数据移位（兼手动/自动切换及程序设置进入）（7）数据减少键（兼程序运行/暂停操作）（8）数据增加键（兼程序停止操作）（9）给定值显示窗（10）测量值显示窗 3.2.4 AI-808 接线图及参数设置接线图及参数设置 图 3.6 AI-808 接线图 为了满足系统要求，需要对 AI-808 的参数进行设置。参数设置及说明如表 3.1 表 3.1 AI-808 参数设置 参数
18、设置值 说明 Sn 33 用于选择输入规格,33表示 15V电压输入 dIP 1 设置小数点位数为 1 dIL 0 设置线性输入信号下限刻度值为 0kPa dIH 100 设置线性输入信号上限刻度值 100kPa Ctrl 4 设置控制方式,以获得更精细的控制 3.3 压力变送器的选型设计压力变送器的选型设计 3.3.1 压力变送器选型压力变送器选型 本课题设计的系统的被控参数管网水压是由压力变送器传给 AI-808 调节器的。按照课题设计的要求，压力变送器必须支持 420mA的电流输出，并且应该具有耐腐蚀、灵敏度高的特点。扩散硅压力变送器灵敏度高，耐腐蚀性好，加之它的低电压、低电流、低功耗、
19、低成本和本质安全防爆的特点，可替代诸多同类型的同功能产品，具有最优良的性价比。本系统设计时采用的是 DBYG型硅扩散硅压力变送器。3.3.2 DBYG 型硅扩散硅压力变送器介绍型硅扩散硅压力变送器介绍 DBYG 扩散硅压力变送器是一种新型的压力检测仪表。压力测量头的核心部件是扩散硅压力传感器，因此没有可动部件，抗震性能优良。仪表在工业测量和自动调节系统中作为检测环节用来测量液体、气体或蒸气的压力，并将被测参量转换成 420mA DC的标准电流信号输出，与其它仪表配合实现生产过程中的自动检测和控制。DBYG型硅扩散硅压力变送器技术参数如下：输出电流：420mA DC二线制传输 供电电压：DC 2
20、4 2.4V 负载电阻：0250（另加导线电阻 100）精度等级：0.2FS（255时）0.5FS（255时）环境温度：-20+80 相对湿度：95 接液温度：100 外磁场强度：400A/m 图 3.6 DBYG 扩散硅压力变送器 4.1 系统通讯程序设计系统通讯程序设计 本课题的通讯部分主要是满足 AI-808 调节器与上位机的通讯，使上位机组态王软件设计的监控程序能监控系统的运行状态。AI-808调节器拥有完善的通讯协议（AIBUS），可以快速的与上位机系统进 行通讯。组态王软件也拥有通讯控件，可以方便的使用 PC机的串口与下位机进行通讯。4.1.1 AI-808 调节器的通信协议调节器
21、的通信协议 AIBUS是厦门宇电自动化科技有限公司为 AI系列显示控制仪表开发的通讯协议，能用简单的指令实现强大的功能，并提供比其它常用协议（如 MODBUS）更快的速率（相同波特率下快 3-10 倍），适合组建较大规模系统。AIBUS采用了 16 位的求和校正码，通讯可靠，支持 4800、9600、19200 等多种波特率，在 19200 波特率下，上位机访问一台 AI-7/8 系列高性能仪表的平均时间仅 20mS，访问 AI-5系列仪表的平均时间为 50mS。仪表允许在一个 RS485 通讯接口上连接多达 80 台仪表（为保证通讯可靠，仪表数量大于 60 台时需要加一个 RS485 中继器
22、）。AI系列仪表可以用 PC、触摸屏及 PLC作为上位机，其软件资源丰富，发展速度极快。基与 PC的上位机软件广泛采用 WINDOWS作为操作环境，不仅操作直观方便，而且功能强大。最新的工业平板触摸屏式 PC的应用，更为工业自动化带来新的界面。这使得 AIDCS系统价格大大低于传统 DCS系统，而性能及可靠性也具备比传统 DCS系统更优越的潜力，V7.X版本 AI-7/8 系列仪表允许连续写参数，写给定值或输出值，可利用上位机将仪表组成复杂调节系统。AI系列仪表使用异步串行通讯接口，接口电平符合 RS232C或RS485 标准中的规定。数据格式为 1 个起始位，8位数据，无校验位，1 个或 2
23、 个停止位。通讯传输数据的波特率可调为 480019200 bit/S，通常用 9600 bit/S，单一通讯口所连接仪表数量大于 40 台或需要更快刷新率时，推荐用 19200bit/S，当通讯距离很长或通讯不可靠常中断时，可选 4800bit/S。AI仪表采用多机通讯协议，采用 RS485通讯接口，则可将 180 台的仪表同时连接在一个通讯接口上。RS485 通讯接口通讯距离长达 1KM以上（部分实际应用已达 3-4KM），只需两根线就能使多台 AI仪表与计算机进行通讯，优于RS232 通讯接口。为使用普通个人计算机 PC能作上位机，可使用RS232/RS485 或 USB/RS485 型
24、通讯接口转换器，将计算机上的RS232 通讯口或 USB口转为 RS485 通讯口。宇电为此专门开发了新型 RS232/RS485 及 USB/RS485 转换器，具备体积小、无需初始化而可适应任何软件、无需外接电源、有一定抗雷击能力等优点。AI仪表的 RS232及 RS485 通讯接口采用光电隔离技术将通讯接口与仪表的其他部分线路隔离，当通讯线路上的某台仪表损坏或故障时，并不会对其它仪表产生影响。同样当仪表的通讯部分损坏或主机发生故障时，仪表仍能正常进行测量及控制，并可通过仪表键盘对仪表进行操作，工作可靠性很高。16 位校验码的正确性是简单奇偶校验的 30000 倍，基本能保证数据可靠性。并
25、且同一网络上有其他公司也采用主从方式通讯的产品时，如 PLC、变频器等，多数情况下 AI系列仪表都不会受其它公司产品通讯干扰，不会产生采集数据混乱或无法通讯的问题。但是 AI仪表协议并不能保证其它公司产品能否正常工作，所以除非万不得已，不应将 AI仪表与其它产品混在一个RS485 通讯总线上，而应分别使用不同的总线。AI仪表采用 16 进制数据格式来表示各种指令代码及数据。AI仪表软件通讯指令经过优化设计，标准的通讯指令只有两条，一条为读指令，一条为写指令，两条指令使得上位机软件编写容易，不过却能100%完整地对仪表进行操作；标准读和写指令分别如下：读：地址代号+52H（82）+要读的参数代号
26、+0+0+校验码 写：地址代号+43H（67）+要写的参数代号+写入数低字节+写入数高字节+校验码 地址代号：为了在一个通讯接口上连接多台 AI仪表，需要给每台 AI仪表编一个互不相同的通讯地址。有效的地址为 080（部分型号为 0100），所以一条通讯线路上最多可连接 81 台 AI仪表，仪表的通讯地址由参数 Addr 决定。仪表内部采用两个重复的 128208（16 进制为 80HD0H）之间数值来表示地址代号，由于大于 128 的数较少用到（如 ASC方式的协议通常只用 0-127 之间的数），因此可降低因数据与地址重复造成冲突的可能性。AI仪表通讯协议规定，地址代号为两个相同的字节，数
27、值为（仪表地址+80H）。例如：仪表参数 Addr=10（16 进制数为 0AH，0A+80H=8AH），则该仪表的地址代号为：8AH 8AH。参数代号：仪表的参数用 1个 8 位二进制数（一个字节，写为 16进制数）的参数代号来表示。它在指令中表示要读/写的参数名。校验码：校验码采用 16 位求和校验方式，其中读指令的校验码计算方法为：要读参数的代号 256+82+ADDR 写指令的校验码计算方法为以下公式做 16 位二进制加法计算得出的余数（溢出部分不处理）：要写的参数代号 256+67+要写的参数值+ADDR 公式中 ADDR为仪表地址参数值，范围是 080（注意不要加上80H）。校验码
28、为以上公式做二进制 16 位整数加法后得到的余数，余数为 2 个字节，其低字节在前，高字节在后。要写的参数值用 16 位二进制整数表示。返回数据：无论是读还是写，仪表都返回以下 10个字节数据：测量值 PV+给定值 SV+输出值 MV及报警状态+所读/写参数值+校验码 其中 PV、SV及所读参数值均各占 2个字节，代表一个 16 位二进制有符号补码整数，低位字节在前，高位字节在后，整数无法表示小数点，要求用户在上位机处理；MV占一个字节，按 8位有符号二进制数格式，数值范围-110110，状态位占一个字节，校验码占 2个字节，共 10 个字节。表 4.1 回各数据含义 PV 测量值 PV SV
