（电气工程专业论文）人工模拟降雨自动控制系统的研究.pdf

a b s t r s c t r e s e a r c h0 ft h ea u t o - c o n t r o ls y s t e mf o r a r t i f i c i a lr a i n f _ a l ls i m u l a t i o n s u p e r v i s o r ： s t u d e n t ： a b s t r a c t t h i s a r t i c l ew i l li n t r o d u c eak i n do fc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi s a p p l i e d t oa r t i f i c i a ls i m u l a t i o nr a i n f a l le x p e r i m e n t ，b a s e do n s t r e n g t hc o n t r o l s o f t w a r ea n d a p p l ya v a i l a b l ee x p e r i m e n td e v i c e so fa r t i f i c i a lr a i n f a l l s i m u l a t i o n a n di tw i l lc o n n e c t f r e q u e n t l y u s e de q u i p m e n t f o r e x p e r i m e n t w i t hi n d u s t r yc o n t r o ls o f t w a r e ，r e f o r mt h ec o n t r o ls y s t e m ，a d d a u t o - c o n t r o ls t e p sa n ds o l v et h ei n c o n v e n i e n tp r o b l e m so fs i z eo fr a i n f a l l s t r e n g t h t h u s ，i tw i l lr e a l i z et h ed o u b l e - c o n t r o lo fs y s t e m sm a n u a la n d a u t o m a t i o nf o rd i f f e r e n tp e r i o d ，d i f f e r e n tr a i n f a l l s t r e n g t ha n dd i f f e r e n t d i s t r i b u t i o n a d o p t i n gc o n t r o ls y s t e mc a nm e e tt h ed e m a n do fa r t i f i c i a l r a i n f a l ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n tb e t t e r t h i ss y s t e mw i l lb eb u i l to nan a t u r a ls l o p e t ii sa b o u t1 0m e t e r sh i g h t h ee x p e r i m e n tf i e l di s2 0m e t e r s l o n ga n d5 m e t e r sw i d e a n dt h e e f f e c t i v er a i n f a l la r e aw i l lb e1 0 0m 2 t h er a i n f a l ls y s t e m w i l lb ef i x e do n t h et r e s t l eo fr a i n f a l ld e v i c e a n dt h e s p r i n k l e rh e a ds e l e c t e dh e a d s a r e v e r yc l o s e l yt ox t y p eo d e s ，w h i c hi sm a d eu po ft h r e ed i f f e r e n ts p r a y n o z z l e s b o r ed i a m e t e ra n dc a ns i m u l a t et h er a i n f a l l s t r e n g t hr a n g e d b e t w e e n3 0 2 4 0 m m h ak i n do fa u t o c o n t r o l e q u i p m e n to fu s i n g t r a n s d u c e rf o ra r t i f i c i a lr a i n f a l ls i m u l a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e d ，w h i c hh a s a d o p t e da d v a n c e dc l o s e c i r c l ea u t o - c o n t r o l t h e o r y a n d t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt o t h ef i n a la n dp r a c t i c a lr a i n f a l lc o n t r o la sw e l la se a c h r a i n f a l lp a r t ，t h ee q u i p m e n tw i l lo v e r c o m et h er a n d o mi n f l u e n c e so fm a n y l i n k sf r o mt h eo r i g i nt os p r i n k l e rb e a d s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h em a i nc a p a c i t yi n d e xo ft h i sd e v i c e w i l lb es u p e r i o rt oo t h e rr a i n f a l ls y s t e m sa th o m e a n da b r o a d a n di ti sa n i m p o r t a n te x p e r i m e n td e v i c ef o re a r t he r o d i n ga n d s c i e n t i f i cr e s e a r c h t h e a r t i f i c i a lr a i n f a l ls i m u l a t i o nc a no v e r c o m et h e s h o r t c o m i n g s ，s h o r t e n 0 x p e r i m e n tp e r i o da n da c c e l e r a t et h er e s e a r c hs p e e d t h e r e f o r ei th a sa 西安理工大学工程硕士学位论文 r a t h e ri m p o r t a n tm e a n i n gi nw a t e ra n ds o i lm a i n t e n a n c ea sw e l la s s c i e n t i f i ce x p l o i t a t i o no fw a t e rr e s o u r c e s k e yw o r d s ：s i m u l a t i o nr a i n f a l ls y s t e m 、c l o s e dl o o pa u t oc o n t r o l 、 t r a n s d u c e r 、e l e c t r o m a g n e t i cv a l v e 、s i z eo fr a i n f a l ls t r e n g t h 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：血趱一 班铂哕日 学位论文使用授权声明 本人丝錾硷在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阐读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：i 兰童硷导师签名： 率节多吵日 前言 1 前言 在水文学、土壤学、环境科学等学科中，水文物理规律及土壤水环境基本规律 一直是一项重要的研究领域，而试验环境尺度的物理模型试验，是这一领域内的重 要手段。在过去几十年的水力模型试验中，主要靠一些简单的测量仪器进行测量， 对铡量数据，主要靠作图分析、运用经验公式、查曲线等统计方法进行整理。随着 科学技术的迅速发展和计算机技术的广泛运用，模型试验对测量技术提出了更高的 要求，如精度、高灵敏度、高速度以及多参数的自动测量与控制等等，在测量参数、 测点多少、测试方法等方面都发生了根本性的变革。 1 1 课题的来源、背景和意义n m 本课题来源于黄河水土保持委员会西峰治理监督局与西安理工大学自动化与 信息工程学院、水利水电学院合作研究项目：人工模拟降雨控制系统的设计与实现。 多年来，世界各国对雨水的利用都非常重视，不仅少雨国家( 如以色列、荷兰 等) 在雨水利用方面发展较快，而且一些多雨国家( 如东南亚一些国家) 也得到发 展。一些工业发达国家( 如日本，澳大利亚和美国等) 都在积极开发利用雨水，所 以积极开展雨水高效利用也是摆在我国水利工作者面前的一项崭新的研究项目。因 此，如何因地制宜充分利用当地潜在的降雨资源，发展有限灌溉，提高作物产量， 促使农牧脱贫致富，不仅是当地迫切需要解决的问题，也是我国农业生产中一个带 有战略性的问题。 在每年的不同时期或不同年的同一时期，对土壤的水分状况进行田间实际监 测，研究不同耕作措施的保水效果，所需研究周期长，受环境气候影响大，要获得 ： 理想的结果至少需要好几年的时间。而用人工模拟降雨的方法，模拟不同环境，通 过控制试验条件，可以在短时间内，研究出不同耕作措臆的保水效果。用这种方法 可以弥补在自然降雨不足的条件下，因环境变化，而无法得到试验期内计划的研究 结果，或者进一步补充论证在自然降雨环境下得到的研究结果。目前，在国内人工 模拟降雨的方法很多，但用在水土保持方面的科研活动中，用于农田耕作措施的研 究还不多见 为了给水土保持、雨水集蓄工程及田间试验提供科学依据，定量的评价降雨条 件下土壤水分状况以及入渗产流关系，使用人工模拟降雨系统，可以克服常用的野 外径流小区进行定位观测耗时费力的缺点，缩短试验周期，加速雨水入渗规律及土 壤侵蚀规律研究的进程。因此本课题具有重要的研究意义和使用价值! 模拟降雨系统的性能好坏关系到试验能否顺利进行，农林试验中的模拟降雨强 度是否与自然降雨强度相匹配，具有十分密切的关系。国内外在研究模拟降雨系统 方面主要考虑的技术参数有：降雨均匀度、降雨强度、中数雨滴分布、雨滴终极动 能等。这些技术参数，可总结用降雨量的概念来表示，而降雨量的多少可以通过人 西安理工大学工程硕士学位论文 2 工模拟降雨系统来控制。目前，我国模拟降雨系统对降雨量的控制主要通过调节管 道流量和控制哐力来实现的。 1 2 人工模拟降雨系统的发展现状一一w 一 2 0 世纪3 0 年代，美国首先使用和开发了人工降雨模拟系统，当时主要用来模 拟美国中西部和中南部地区经常发生的对流雨和季风雨，模拟的雨强和雨滴都比较 大。从3 0 年代到5 0 年代期间，众多科学家对人工降雨模拟的设备进行了研究， 从雨滴的降落速度、撞击土壤表面的角度、水滴大小分布、降雨的分布、风的干扰 和喷洒的间歇性等方面对众多喷头进行了调查、对比，实验和分析，发现只有 v e e j e t 、f u l l j e t 和w f 喷头最接近天然降雨的特征。这些实验为以后人工降雨模拟 系统的制作提供了较为用力科学依据。 从5 0 年代开始，我国首先应用人工模拟降雨进行入渗试验。近年来。已经研制 出了适于室内与野外各种试验要求和研究目的的人工模拟降雨装置。 其中主要有以下几种： 。 黄毅等通过多次筛选试验，研制出单喷变雨强模拟降雨装置。该装置模拟降雨 的工作原理是利用喷灌自吸泵将水以不同流速送到装有特制弹性压片的喷体，有压 力流在弹性压片的作用下形成薄厚不等的连续水舌，水舌射向空中时受到空气的阻 力形成大小不同的雨滴。在这样一个连续的系统内，施加不同的供水压力就形成不 同厚度的水舌，进而形成从小到大的雨量。该装置的有效降雨面积为2 0 4 0 m 2 ，降 雨强度3 0 1 5 0 m h ，降雨均匀系数k o 8 。 刘素娟经5 年研究、3 年应用和3 万个数据率定研制成功的s b - y z c p ( 野外移 动、组合、侧向、喷洒式) 人工降雨装置，其降雨喷头由6 种不同孔径( 7 ，9 ，1 1 ， 1 3 ，1 5 ，1 7 r a m ) 喷嘴和碎流板组成。喷嘴出流由6 支水管分别供水，不同孔径的喷 头可组成任意组合的降雨机组降水，出水流量和时间由车间里的自动装置、仪表检 测控制，雨滴高度1 i m 。塔架由5 层金属架组成，第四层设平台以调整喷头。 冯绍元等采用人工降雨方法研究降雨入渗规律，初始含水率分布均匀条件下， 提出4 种不同雨强处理降雨入渗径流的简便计算方法。 王小燕等在中澳合作项目中用人工降雨方法研究保护性耕作条件下地表径流 与水分入渗关系，降雨模拟器的降雨量、雨型和降雨强度可通过选定喷头、调节供 水压力和控制喷头摆动速度来完成。 陈文亮等研制的s r 人工降雨装置是一种多喷头、多单元组合式的间歇降雨装 置，该装置喷头出水孔径较大，其雨滴直径大小分布与天然降雨相似喷头处辅以使 喷头往返摆动的机械装置，可增加喷头的散水面积和均匀度，可将降雨强度控制在 实用的雨强范围内，是一种较理想的入工模拟降雨装置。 高小梅等研制的人工模拟降雨装置，采用医用注射针头在一圆圈内振动散落水 前言 滴模拟降雨。经过两年多现场试验中的使用，证明它具有降雨强度可交范围宽，降 雨强度下限低和性能稳定等特点 。 随着计算机技术和自动控制技术的广泛运用，人工模拟降雨装置由最初的手动 控制，逐渐发展到可编程逻辑控制器( p l c ) ，总线型工控机( s t d ) ，工业控制计算 机( i p e ) 以及三者之间的相互结合来作为控制系统，使得人工模拟降雨系统的精 度、高灵敏度、高速度以及多参数的自动测量与控制等方面都发生了重大的变化。 1 3 可编程计算机控制器及其发展m 在2 0 世纪6 0 年代初期，顺序控制器还主要由继电器组成，此时的控制系统 都是按预先规定的时间或条件顺序的工作。若要改变控制顺序就要改变控制器的硬 件接线。对于复杂控制系统来说，不但设计制造困难，可靠性不高，而且查找和排 除故障也往往比较困难而且费时，因此，便提出了用新的控制装置取代继电器控制 的装置。 1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c ) 成功研制的世界上第一台可编程逻辑控制 器( p l c ) ，应用于美国通用汽车自动装配生产线，取得了极大的成功。这种新型的 工业装置以其简单易懂、操作方便、可靠性高、体积小、适应在工业化的环境下、 使用寿命长等一系列优点，迅速地在各工业领域得到了广泛使用。 1 9 9 4 年，奥地利贝加莱公司首次提出了“可编程计算机控制器一一p c c ( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ) ”的概念。p c c 是从p l c 大家族脱颖而出最 新一代可编程控制器，是集计算机技术、通讯技术、自动控制技术( 简称3 c 技术) 为一体的新型工业控制装置，它融合了p l c 和i p c 两者的特点，取长补短，从而以 较高的性能价格比，构成当今高水平的工业控制平台。 随着3 c 技术的高速发展，新一代的p c c 已经能胜任大型的集散控制和复杂的 过程控制。其良好的兼容性、强大的通讯功能、优良的适时性、丰富的功能函数、 品种繁多的硬件模块、多种编程语言的使用等，使p c c 己能适应各种工业控制的需 要 ” 传统的人工模拟降雨系统大都使用可编程逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r 。简称p l c ) ，p l c 具有编程方便，现场可随时修改程序以改变雨强大小； 适应性强，应用灵活，多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便，维修方便， 同时，采用模块化结构，还具有可靠性高，其平均无故障时闯大大超过i e c 规定的 1 0 万小时，有些p l c 还采用了冗余设计和差异设计，迸一步提高了其可靠性；体积 小，控制系统设计、安装、调试方便，设计人员只要有p l c 就可进行控制系统设计， 并可在实验室进行模拟调试；维修方便，工作量小，p l c 有完善的自诊断，历史资 料存储及监视功能，工作人员可以方便的查出故障原因，迅速处理；功能完善，除 基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能块，还可以实现 3 西安理工大学工程硕士学位论文 4 点位控制、p i d 运算、过程控制、数字控制等功能，既方便工厂管理又可与上位机 通信，通过远程模块还可以控制远方设备等优点。但是常规的p l c 还存在一些缺点： ( 1 ) 大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外 部的v o 通道的状态采集与刷新，控制实时性较差；( 2 ) 编程语言比较少，程序设 计灵活性较差：( 3 ) 系统扩展能力和组网能力较差；( 4 ) 不便于远距离控制等缺点。 同时，对现场工作情况无法显示。近年来，可编程计算机控制器( p c c ) 以其极高的 可靠性、丰富的编程语言、实用的编程方法、强大的功能、优良的性能、良好的耐 恶劣环境的能力而成工业控制领域中增长速度最迅猛的工业控制设备。它集成了可 编程逻辑控制器( p l c ) 的标准控制功能和工业计算机( i p c ) 的分时多任务操作系 统功能，能够方便地实现远距离控制并进行回路调节，与i p c 连机可通过界面控制 并显示，并能用高级语言或p l c 的常规语言编程，具有大型机的分析运算能力。由 于p c c 具有以上特点，所以比较适用于人工模拟降雨的控制和故障诊断。 目前，可编程计算机控制器( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ，简称p c c ) 取代p l c 以逐渐被广泛采用于工业控制领域，p c c 最大的优点在于其类似于大型计 算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计，除具备p l c 的高可靠性外， 还具有p c 机的高速性和大容量等特点。故该系统采用p c c 控制系统实现。 1 4 本文主要研究内容 1 4 1 研究目的 模拟降雨系统是模拟自然界降雨对地表土壤入渗情况的装置。系统中采用工控 机( i p c ) 和组态王( k i n gv i e v ) 构成上位机与可编程计算机控制器( p c c ) 下位机 以及现场控制机构三部分的设计来实现人工模拟降雨的功能，以解决实际工程问 题。根据现场环境的要求，该系统选择了9 6 个喷头，并根据不同的出水量由小到 大三种，通过三种喷头的不同组合，实现对降雨量大小的调节，来模拟自然界的降 雨过程，各种喷头的开关打开由电磁阀控制。为了保证被打开的喷头能够喷出水来， 这就必须保证管道中的水压达到一定的值，不同出水量的大小对应不同的水压，故 在总管道中安装有流量调节阀和压力传感器，管道中水流量的大小通过流量调节阀 的开度大小调节，水压的大小经过压力传感器检测，并将检测到的信号通过转换电 路转换后送变频器，由变频器调节调速水泵转速，以改变水泵出水量来实现恒定水 压的要求。整个现场控制系统由变频器、调速水泵、压力传感器构成闭环控制系统 可实现自动调节；同时降雨量大小的调节也可采用手动调节。 按照试验要求，本系统技术参数如下： ( 1 ) 模拟降雨系统的均匀度指标大于0 8 5 ( 一般都大于0 8 ) 。 ( 2 ) 降雨量可调范围3 0 2 4 0 n n h ，要求在不同时间段内，降雨量大小可通过 闭环控制系统自动调节和手动调节两种方法实现。 前言 1 4 2 研究内容 人工模拟降雨系统的设计是一项复杂、烦琐而又富有挑战性的工作，需要跨学 科、众多人的协同努力。整个系统的设计包括有： ( 1 ) 控制系统总体分析与设计； ( 2 ) p c c 的系统分析、配置设计及软件编程； ( 3 ) 上位机、下位机监控软件设计与编程； ( 4 ) 上、下位机联调； ( 5 ) 通过闭环控制系统利用变频器实现对降雨量大小自动调节的功能。 在整个系统中，本人主要完成的工作是： 在原手动的人工模拟降雨控制系统的基础上，增加闭环网络，通过变频器来调 节调速水泵的转速以改变出水量，实现自动控制功能。对原有系统进行改造后，解 决了原有系统对降雨量大小调节不方便的问题，以及降雨量大小变化时流量调节阀 和管道工作不安全的问题。从而实现了在不同时问段，对降雨区域的不同分布以及 不同降雨量大小调节的手动和自动的双控控制。 1 4 3 预期效果 p 该研究课题最总终要达到在不同时问段内，根据现场对降雨量大小的要求，可 以通过改变不同压力设定值u ，的大小来决定，其实施过程经反馈网络将信号输入变 频器，由变频器控制水泵的转速调节水泵的出水量来实现；要求系统在各项性能指 一标达到工程要求的情况下，设备配置尽可能做到选型最经济，运行最稳定。 西安理工大学工程硕士学位论文 6 2 系统总体设计n m m n m m ” 2 1 人工模拟降雨系统简介 评价人工模拟降雨系统性能优劣的主要参数是降雨特征，其包括有雨滴大小、 雨滴分布状况、雨滴终点速度、雨滴动能、降雨空间均匀性、降雨的有效面积等， 以上这些参数可归纳用降雨量一词表示。另外，人工模拟降雨系统应轻巧、便携、 易于运输安装和野外使用；同时，水的利用率要高，受风的影响较小 本次设计的人工模拟降雨系统位于甘肃省西峰市南小河沟试验监测站，属野外 人工降雨系统。根据以往的研究成果，为了使模拟降雨的特征与天然降雨相似，降 雨系统的布设位置必须在距离地面1 8 o m 的高度以上。但由于受野外模拟降雨试验 现场条件的限制，只能将模拟降雨系统布设在离地面7 o l n 左右的模型支架上，模 拟降雨的水平覆盖面积为5 2 0 m 2 ，这就要求系统出水处应有足够的水压，同时， 出水设备根据试验要求合理分布。 2 2 系统整体设计 随着计算机在自动控制系统方面的广泛应用，为了满足该试验区对降雨的多种 参数要求，结合人工模拟降雨控制系统的特点，该控制系统采用了研华工控计算机 作为上位机，贝加莱公司的可编程计算机控制系统b rp c c - 2 0 0 3 系列模块作为下 位机。上位机采用i p c 安装了b & ra u t o m a t i o ns t u d i ov 2 4 0 操作系统；下位机采 用高性能的可编程计算机控制器b rp c c 一2 0 0 3 系列的c p 4 7 4 ，模拟量输入模块a 1 7 7 4 ， 模拟量输出模块a 0 3 5 2 ，数字量混合模块d m 4 6 5 等；。该c p 4 7 4 系列带有c a n 口，既可 以利用c a n 口实现i o 的通讯，也可以进行远距离联网通讯，总线长度可达1 0 0 0 m 左右，所以本系统上、下位机的通讯采用c a n 总线，这为系统的远程控制提供了有 利的条件。 整个模拟降雨系统由三部分组成，分布采用上、下二级结构，分别为上级用上 位机i p c 部分，下级尉下位机可编程控制器p c c 单元和现场控制机构部分，其结构 框图如下图2 一l ( a ) 所示。 上位机i p c 与下位机p c c 之间的通讯采用c a n 总线，下位机p c c 与现场机构( 变 频器) 之间采用现场总线p r o f i b u sd p 进行通讯，其接口采用4 8 5 接口连接。上位 机系统的人机界面可进行全线监控，具备压力状态显示、动画模拟降雨、电磁阀的 开关组合、流量调节阀开度大小控制及显示等功能。下位机由c p u 模块与上位机进 行通讯并实时监控现场设备；模拟量输入模块a 1 7 7 4 与压力表和流量调节阀相接来 显示压力和调节阀开度；模拟量输出模块 0 3 5 2 与流量调节阀相接来控制调节阀的 开度；数字量混合模块d m 4 6 5 的输出功能用来控制调速水泵和电磁阀的开启。 系统总体设计 图2 - 1 ( a ) 系统结构框图 f i 9 2 q ( a ) s y s t e mc o n s t r u c t i o n 要实现多个电磁阀的开关显示与控制、流量调节阀的开度显示与控制、供水管道内的 压力显示与控制以及水泵的启停显示与控制等现场执行机构的功能，上位机i p c 、下位机 b & r 2 0 0 3 p c c 系列模块以及现场执行机构三部分之间的整体结构如图2 - 1 ( b ) 所示。 图2 - 1 ( b ) 系统结构框图 f i 9 2 1 ( b ) s y s t e mc o n s t r u c t i o n 彳 西安理工大学工程硕士学位论文 8 2 2 1 系统软件设计 根据控制系统的要求，编制了系统控制软件，它主要由上位机组态软件和下位 机控制软件构成。 上位机组态软件设计：上位机组态软件的开发平台选用北京亚控公司的组态王 6 0 ( k i n g v i e w 6 o ) 软件，组态王软件是随着对工业自动化的要求越来越高，以及大 量控制设备和过程监控装置之间通讯的需要，为实现监控和数据采集系统而开发， 运行在w i n d o w s9 x 2 0 0 0 n t 上的一种组态软件。组态王6 0 软件具有完备的工业 图形库，如阀门、管道、模拟传统显示仪表等，使操作画面更贴切用户，装置工艺 流程、设备运行状态一目了然，提高用户操作的安全性和可靠性。 系统的监控界面设计主要包括：主操作界面设计、调节阀界面设计、组合方式 设定界面设计、电磁阀组合界面设计、模拟降雨大厅界面设计等。主操作界面可在 手动方式下监控调速水泵和电磁阀的开启、调节阀的开度和管道的压力；调节阀调 节界面具有调节其开度并显示的功能；组合方式界面和电磁阀组合界面用于组合方 式下，其中组合方式界面用来设定时间段的选择、降雨时问和调节阀开度；电磁阀 组合界面用来控制电磁阀的开启，以实现现场所要求的在不同时间段、不同组合方 式下对雨强大小的控制；显示雨强的历史曲线并动态显示实时曲线，便于进行雨强 的比较；模拟降雨大厅界面用来模拟降雨并具有监视现场设备工作运行情况的功 能。将窗口中的图形对象与实时数据库中的数据变量建立连接并进行适当设置，窗 口即可随数据变量的改变而完成。通过鼠标点击电磁阀门按钮控制电磁阀门的开与 关，通过设定电磁调节阀的开度及检测到的管内压力大小，经变频器调节调速泵的 转速改变水泵的出水量，从而达到控制雨强大小的目的，也可以通过事先设定好的 雨强大小和指定区域的阀门开关情况，实现群控操作等功能。 下位机控制软件设计：下位机控制软件利用贝加莱工业自动化公司的 a u t o m a t i o ns t u d i o ( a s ) 编程软件，a u t o m a t i o ns t u d i o 的特点支持梯形图、指令 表、结构文本、顺序功能图、a u t o m a t i o n b a s i c 、标准c 语言等6 种的标准的开发 语言；用户可根据需要可以在同一个项目中选择一种或多种语言进行编程。同时， 编程环境中包含丰富的函数库及功能块，根据需要可直接调用，大大减轻了开发人 员的工作置。下位机软件设计主要包括上、下位机通信，控制方式和组合方式等任 务模块。 可编程计算机控制器( p c c ) 是奥地利贝加莱( 腿r ) 自动化公司于1 9 9 4 年在工 控界提出的。它将工业控制计算机( i p c ) 与常规可编程控制器( p l j c ) 的特点结合起 来。无论是从内部的硬件功能，还是从外部的编程、开发环境的简便方面而言，它都 比常规可编程控制器p l c 有较大进步。 p c c 的硬件和软件具有如下特点： ( 1 ) c p u 模块采用多处理器结构。 系统总体设计 ( 2 ) 定性的分时多任务操作系统。 ( 3 ) 模块式结构，系统配置灵活，便于安装。t ( 4 ) 较大的程序存储空间。 ( 5 ) 编程语言高级化。 p c c 程序设计是根据被控系统的硬件结构和工艺要求，在软件系统的基础上， 使用相应编程语言指令，对实际应用程序进行编写和形成相应文件的过程。p c c 程 序设计的基本内容包括：参数定义；程序流程框图的编写；程序编写与调试。 参数的定义及地址的分配就是按一定格式对被控系统的各种参数进行说明和 归类，为各参数分配具体的输入输出地址为程序框图的编写和程序的编写做准备。 在进行参数的定义及地址的分配时，需要了解控制系统的控制规模，控制方式，输 入输出信号的类型和数量，是否有特殊的功能接口与要求，以及与其他设备的关系 等等，并做详细的记录。表2 1 为参数的定义。 表2 - 1 参数定义表 融2 - 1p a r a m e l e rd c f i n a t i o n i on a m e d a t at y p ep vn a m er e m a r k a i d 0i n t 1 f l ( 压力显示)0 2 0 m a a 1 0 1i n t t s f f ( 调节阀反0 2 0 m a 馈) a 0 0 0i n t珊( 调节阀控1 0 v o _ ， 制) 2 0 m a d 1 0 1b 0 ( ) ll 瓣( 调速泵指2 4v d c ，1m s 示灯) d ( ) 0 1唧l f 0 1 ( 1 # 电磁阀)o 5 a 。2 4 v d c 程序流程框图是根据工艺流程而编写的控制过程方框图。其主要工作是根据系 统的总体要求和控制系统的具体情况，确定应用程序的具体结构。本系统的控制过 程设计有手动和自动两种方式，分别如图2 - 2 与图2 3 所示。 9 西安理工大学工程硕士学位论文 1 0 i 初始化l i 组合方式 上 i 时间段选定 i ll i上l l 撒l 旧li 糕l lli 工 时间到，关水泵、电磁阀 上 i 退出l 图2 - 2 手动方式流程图 图2 - 3 自动方式流程图 f i 9 2 - 2f l o wc h a r to fhandt晤92-3 f l o wc h a r to f a u t o 程序的编写是p c c 程序设计中主要的阶段，是控制功能的具体实现过程，是整 个p c c 程序设计工作的核心。 2 2 2 通讯设计 b & r2 0 0 3 系列的c p 4 7 4 模块带有c a n 口，即可以利用c a n 实现i 0 的通信，又 可以进行联网通信。b & r2 0 0 3 在c a ni 0 远程连接中，最多可接6 4 个c a n 站，总 线长度为1 0 0 0 m 。所以本系统的上、下位机的通讯采用c a n 总线。这为系统以后的 远程控制打卞了基础。下位机p c c 与现场机构( 变频器) 之间采用现场总线p r o f i b u s d p 进行通信，其接口采用4 8 5 接口连接。 控制局域网c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 属于现场总线的范围，它是一种在自 动化领域内，广泛应用的多线路协议和有效支持分布式控制，或实时控制的串行通 讯网络 c a n 总线具有下列主要特性：强有力的错误检测能力及差分驱动功能；在强噪 声十分苛刻的环境中仍运行良好；在媒体传输和线路设计方面也十分灵活。所以其 应用范围遍及工厂自动化、机床、医疗设备、建筑环境控制、以及从高速网络到低 成本的多线路网络非常广范。 2 3 本章小结 在本章中，阐述了系统的设计原则，工控组态软件与控制器的选择，分析了系 统的工艺流程，控制要求；并据此介绍了上、下位机的应用程序，上、下位机以及 下位机与现场机构的连接及其通信方式，并对系统的硬件抗干扰性能进行了介绍。 现场控制机构设计 3 现场控制机构设计蛳咖“- 删嘲洲n n m 3 1 整体分析 在给水过程中，流量、压力等参数常随工况的改变而变化，以前，由于技术水 平的限制，没有一种合适的调速方法，只能采用控制阀门或挡板开度大小的方法来 改变流量、压力等，即用人为增减阻力的方法来实现调节。这样，当工艺需要小流 量时，大量能量损失在阀门或挡板上。泵站是供水系统的重要组成部分，它需要保 证用水有足够的水量与水压。由于水泵的选型是按照最不利条件下、最大时流量设 计的，而在实际运行中，由于季节变化，要求水泵出水量的大小随之改变，以前靠 泵出口阀门开度的大小来调节水量与水压，往往会出现很多意想不到的问题而达不 到工程要求。 近年来，随着电力电子技术的发展，变频调速技术是近年来迅速发展起来的比 以往任何调速方法更为优越的新技术，因其具有节能效果明显、调速曲线平滑、调 速过程简单、安全可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点而受 到越来越多的企业的青睐，也被广泛应用到工业生产控制过程中的许多场合，显著 的节能效果给众多的企业带来了巨大的经济效益。同时使得交流电机变频调速技术 也有了很大的发展，变频器的功能及可靠性越来越高，作为一种高效的交流电机调 速装置，它不仅可以实现整个启动过程中平滑、无冲击，而且可根据电机的负载特 性来调整启动时间等参数，其最大的优点是保持压力稳定。在该系统中采用变频调 速技术，对水泵实现闭环自动控制，可以很好地解决过去存在的问题，同时达到了 自动调节和稳定运行的目的。特别是近年来随着i g b t 功率元件和d s p 微处理系统 在变频器中的应用，变频器本身已经非常成熟，使得变频调速技术的优越性更加突 出，传动效率也越来越高，使用越来越方便，节能效果好，可靠性也得到了进一步 的提高。 目前，变频调速在给水工程中应用越来越广泛，其主要原因是： l 、变频调速给水的供水压力可随时可调，可以方便地满足各种供水情况的需 要。在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求。 2 、随着变频器技术的日益成熟，在市场上有很多国内外品牌的变频器，这为 变频调速供水提供了充份的技术和物质基础变频器已在国民经济各部门广泛使 用。使用变频器与变频供水控制器相配合，容易可实现变频调速恒压供水的要求。 由于工程供水系统的广泛应用，一些变频器生产厂家在设计时常把变频供水控制器 直接做在变频器中，成为供水专用变频器。这种变频器具有可靠性高，使用方便等 优点。 3 、变频调速恒压供水具有优良的节能效果。由水泵一管道供水原理可知，调 节供水流量，原则上有二种方法；一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供 i l 西安理工大学工程硕士学o - - 论- 文 1 2 水阀，流量下降。调节流量的第二种方法是调速调节，水泵转速升高，供水流量增 加；转速下降，流量降低，对于用水流量经常变化的场合，采用调速调节流量的方 法实现，其具有操作方便，稳定性能高，节能效果好等特点。 对于变频恒压变量给水通常有两种工作模式，一是变频泵固定方式；二是变频 循环软启动工作方式在变频泵固定方式中，各并联水泵是按工频方式自动投入或 超出的。为了均衡各水泵的运行时间，对于变频泵固定运行方式投资高，控制的电 路比较复杂，会增加变频控制柜的造价并降低其使用可靠性。因此一般不主张采用 具有自动轮换控制功能的变频泵固定方式。为了保证恒压供水，同样要求各并联泵 的大小相同，所以，变频循环软启动的工作模式同样不适为理想的模式。清华紫光 集团自动化工程部在其a b b 恒压供水系统用户手册中说，“循环软启动! 这是一 个危险的诱惑，很多搞恒压供水的人热衷于发展此项技术，但我们的建议是否定 的。”我们赞同清华紫光集团自动化工程部的上述学术见解，不热衷于搞变频 循环软启动供水。由水泵管路供水原理可知，当节流损耗等于零，则供水系统 具有最佳的节能效果，此时水泵的供水扬程完全消耗在供水高度和供水流阻损失 上。这种变频调速供水称为理态的变压变量供水，这种供水系统的扬程一流量曲线 和管路系统的流阻流量曲线重合。在理想的变压变量供水系统中，在用水点，其 扬程恒定，属于恒压供水。在该模拟降雨相对较小的系统中，则属于恒压供水系统， 从经济方面考虑，我们认为选择一台变频泵实现该系统的恒压变量供水方案完全能 满足工程的要求。变频泵与工频泵工作曲线对照示意图如下图3 - 1 所示。 图3 - 1 变频泵与工频泵工作曲线对照图 飚3 1c o m p a r a t i o n t a b l eo f c o n v e r t e r - p u m pa n dg e n e r a l - p u m p 水量) 现场控制机构设计 原手动供水系统结构框图如下图3 _ 2 所示， 图3 2 手动供水系统结构框图 h 9 3 - 2w a t e rs u p p l ys y s t e mc o n s l r u o i o no f h a n d 它是通过流量调节阀的开度大小控制喷头的出水量来调节雨量大小等，当工程 需要小雨量时，大量能量则会损失在阀门或挡板上。水泵是供水系统的重要组成部 分，它需要保证用水处有足够的水量与水压由于水泵的选型是按照最不利条件下、 最大时流量设计的，而在实际运行中，由于雨量随季节变化，要求水泵出水量的大 小随之改变，而靠泵出口阀门开度的大小来调节水量与水压，往往会出现很多意想 不到的问题而达不到工程要求。比如：降雨量要求增大时，水泵出水量无法调节， 喷头处水量与水压达不到要求而喷不出水；降雨量要求减小时，水泵出水量保持恒 定，将导致管道及调节阀承受水压过大，容易损坏等不利因素发生。 由于在供水控制系统中，流量是供水系统的基本对象。但流量的测量比较复杂， 考虑到在动态情况下，管道中水压p 的大小与水泵供水能力( 用流量q c 表示) 和喷 头出水量( q i f ) 之间的平衡有关： 如：供水能力q 喷头出水量瓯时，则压力增大( p t ) ； 如：供水能力如 1 8 v ，输出o k ( l e d ：o k ) 输入 输入点数 1 6 接线漏式 输入电压 最小值1 8 v i ) c 额定值 2 4 v i ) c 西安理工大学工程硕士学位论文 最大值 3 0 v d c 切换阈值 低值 1 5 v 输入滞后最大l m s 隔离 输入一p c c有 输入一输入 无 输出 类型 高位驱动器i c ( 晶体管) 开关电压 最小值 1 b y i x ； 额定值 2 4 v d c 最大值 3 0 v d c 连续电流 每个输出最大值0 5 a 每个输入最大值8 a 过载保护有 连续短路电流一般戡 内部保护电路 有 感应载荷关断时的制 4 7 v 动电压 隔离 输入一p c c 有 输入一输入无 5 4 7 通讯模块 表5 5 通讯模块技术参数表 t 。z 彩5 - 5c o m m u n j r i o nm o d l es k i l la r g u m e n t 模块名称说明 i f 3 1 1 1 个r s 2 3 2 接口 i f 3 2 1 1 个r s 2 3 2 r s 4 8 5 接口，电隔离。可连接网络 i f 3 6 l 1 个r $ 4 8 5 接口( 连接变频器) ，电隅离，可连接网络， 传输协议 i f 3 1 7 1 个c a n 接口( 连接上位机) ，电隔离，可连接网络 可编程计算机控制器( p c c ) 的应用 5 5 本章小结 鉴于p c c 的多任务操作系统、模块式结构、较大的程序存储空间以及编程语言 高级化等特点，特选此作为人工模拟降雨控制系统的控制单元的核心，以实现系统 的顺序控制、数据采集及通信管理等功能。本章首先介绍了可编程计算机控制器的 发展、基本组成、工作原理及编程系统。然后结合实际应用，详细说明本系统所选 用模块的参数极其功能。 西安理工大学工程硕士学位论文 6 经济效益分析及投赘回报分析m m 引枷m ” 变频调速器在供水系统中的应用从“节能原理、控制方式、系统设计及变频调 速后的节能效果”等几个方面进行论述。 水泵变频调速后，泵的出口扬程大幅度下降，节能显著。使用变频器后，电机 转速下降，泵出口压力降低，减少了机械磨损，降低了维修工作量，延长了设备使 用寿命，提高了功率因数。变频器的软启动特性避免了电机直接起动时大电流对电 机线圈和电网的冲击。采用变频器后，电动机和泵共同组合为一体，它既是动力源， 又是供水调节执行机构，改变了传统的控制方式，实现了生产过程自动化，减少了 操作人员的劳动强度。闭环控制系统适应水量变化，实现在线调整，保证管网末端 压力恒定，不存在人为调整的滞后现象。总之，变频器调速技术具有设备体积小、 调速范围大、调速特性好、无级调速、效率和功率因数高等优点，实现闭环控制后， 满足用水量随时变化的需要，保证管网末硬度力恒定，具有明显的节能降耗作用， 经济效益十分显著。 变频调速恒压供水控制装置能够极大地改善给水管网的供水环境，该系统可根 据管网瞬问压力变化，