（电力电子与电力传动专业论文）环基于gsm网络的dcs远程供水系统.pdf

摘要 r e s e a r c ho nd c s - c o n s t a n tp r e s s u r ea n dl o n g - - d i s t a n c ew a t e rs u p p l y s y s t e mb a s e d o ng s mn e t w o r k w a n g x i a oh u i p o w e re l e c t r o n i ca n dd r i v e s d i r e c t e db ya s s o c p r o f q ix i a n gd o n g a b s t r a c t t h e r ea r eal o t so f p r o b l e m si nt r a d i t i o n a lr e g i o n a lw a t e r - s u p p l ys y s t e m ， s u c ha sw i d ea r e a ，l a r g es i t en u m b e r s ，f a rd i s t a n c ea m o n gs i t e s ，c o m p l i c a t e g e o g r a p h yc o n d i t i o n ，d i f f i c u l t yi nc e n t r a l i z a t i o no fs i t em a n a g e m e n t ，f u r t h e r m o r e ，t h er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fw a t e r w o r k sc a n n o ta c h i e v ec r i t e r i o n ，i t n e e d sm o r em a n a g e r s ，t h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e mi sl o wa n dt h ec o s t si s h i 曲w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ea p p l i c a t i o no fw i r e l e s sm o n i t o r i n g s y s t e m d e v e l o p e dr a p i d l ya sw e l l t h e r ei s n oa r e ac o n s t r a i n t sb yu s i n gw i r e l e s s r e m o t em o n i t o r i n gb a s e d so nc h i n am o b i l eg s mn e t w o r k ，a n du s i n gg s m s h o r tm e s s a g es e r v i c et ot r a n s m i ta l a r ms i g n a lt h e nt of o r mar e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mi sar e l a t i v e l yn e wt e c h n o l o g y , f o rt h e s ea d v a n t a g e si th a s g o tm o r ea n dm o r ef a v o u r a b l e t h i sp a p e ri n t r o d u c e sr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mi n t or e g i o n a lw a t e rs u p p l ys y s t e m ，a n dt h e nt h ea u t o m a t i o nl e v e la n d m a n a g e m e n te f f i c i e n c yo f t h es y s t e mi si m p r o v e dg r e a t l y t h i sp a p e rd e v e l o p sr e g i o n a lc e n t r a l i z e dw a t e r - s u p p l ys y s t e ma n dt h e i i i 基于g s m 网络的d c s 恒压变频供水系统 s y s t e m h a sb e e nr u ni n p r a c t i c a lp r o je c t i ta p p l i e s p l cs e r i a l c o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y , g s m w i r e l e s s t e c h n o l o g y , d c s r e m o t e m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y a n de l e c t r i cm a c h i n ec o n t r o lt e c h n o l o g yt ot h i s s y s t e m t h es y t e mc o n s i s t so fm a i ns t a t i o na n ds u b s t a t i o nw h i c hi ss c a t t e r e d o v e re a c hw a t e rs u p p l ys t a t i o n t h es u b s t a t i o ni si nc h a r g eo fr e c e i v i n gt h e c o n t r o lo r d e rf r o mm a i ns t a t i o na n ds e n d st h er u nc o n d i t i o nt om i a ns t a t i o n t h em a i ns t m i o ni nt h i sr e g i o n a lc e n t r a l i z e dw a t e r - u p p l ys y s t e mi sc o m p o s e d b yt c 3 5w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d e la n dc o m p u t e r m a n a g e m e n t s o f t w a r ei sd e v e l o p e db yv b t h ef o u n c t i o no fm a i ns t a t i o ni si m p l e m e n t e d a sw e l la st h ed a t a si sr e c o r d e da n ds a v e db yu s i n gt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y o f c o m p u t e r t or e c e i v et h ee m s b y t c 35w i r e l e s s c o m m u n i c m i o nm o d e l s u b s t a t i o ni sc o m p o s e do fp l c ，t c 3 5w i r e l e s s c o m m u n i c m i o nm o d e l ，t r a n s d u c e r , w a t e rp u m p ，a n dk i n d so fs e n s o r p l c r e c e i v e si n s t r u c t i o n so fm a i ns t a t i o na n dc o n t r o l st h ee q u i p m e n to p e r m i o no f e a c hs u b s t a t i o na n ds e n d sr u n n i n gs t a t eo ft h es u b s a t i o n sb a c kt om a i ns t a t i o n a sw e l lb yt c 35w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d e l ，a n dt h ew a t e rp u m p c o n t r o l l i n g o fs u b s t a t i o n sa d o p t sf r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n s t a n t p r e s s u r e t e c h n i c a l t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e c o m p o n e n t s h a sb e e n d e b u g g e d s u c c e s s f u l l ya n dt h es y s t e mh a sb e e nr u ns u c c e s s f u l l yf o rn e a r l yo n ey e a r t h i sr e s e a r c hr e s u l t sn o to n l ym e e tt h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi nu r g e n t n e e d ，b u ta l s op r o v i d es o m ei d e a st ot h ep e o p l ei nd e a l i n gw i t ht h es i m i l a r i v 摘要 p r o je c t t h i sp a p e ru s e s t h e t h i r d p a r t y m a t u r en e t w o r k ，a n di n t e g r a t e n u m e r o u sm o d e mt e c h n o l o g i e st or e a l i z et h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i n d u s t r ym o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hh a ss t r o n gp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e a n di t p r o v i d e sn oal o to fv a l u a b l ee x p e r i e n c e s f o r s y s t e m sd e v e l o p m e n tt h a t u n m a n n e do v e r w a t c h ，a n di th a saw i d ed e v e l o p m e n ts p a c e k e yw o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n g ；g s m ；r e m o t et e r m i n a l ；t c 35 ： f r e q u e n c y - c o n v e r s i o n v 承诺书水话吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独 立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技大学。如果今 后以其他单位名义发表与在读期间学位论文相关的内容，将 承担法律责任。除文中已经注明引用的文献资料外，本学位 论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。 学位论文作者( 签章) ： 2 0 0 年月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着山西省经济的飞速发展，各个行业也在不断进行自身的完善，谋求新的发 展。然而山西以煤为龙头的发展模式，致使采煤区的环境污染相当严重，尤其是造 成了采煤区水资源大面积的污染。为了保证百姓吃到安全、无污染的水，政府出资 为百姓建设了远程供水工程。 传统的水利工程仅仅局限于单独的水泵控制，水表等也需要人力去完成抄送。 这样造成集中管理多个泵房比较困难，系统的可靠性和安全性得不到保障，并且效 率低下，人员浪费严重，形成管理上的瓶颈。随着自动化水平的不断提高，以及高 新技术的发展，迫切需要能够通过微机进行统一监控，统一管理。然而，由于这些 供水工程大多都在山区且距离较远，如果采用传统的有线监控方式，不但花费较高， 而且还容易遭到雷击等自然灾害和人为因素的损坏。 远程技术，就是运用远程的通信技术，对远方的设备运行情况进行监视和控制， 以实现远程测量，远程控制和远程调节等各项功能。将远程技术运用到水利行业， 可以提高该行业的自动化水平。减少人力资源的浪费，按照目前的水平，维护各个 水泵的开启以及水表的读数，现场阀门开启状态以及水压的大小都要靠人力去看守， 去读取，往往出了故障不能及时的处理。迫切需要一种远程技术能够做到故障实时 诊断，实时传递，实时报警。作者在山西省临汾市洪洞县甘亭镇参与的“基于g s m 网络的远程自动化监控系统 项目，就运用了此项技术。该项目自2 0 0 7 年8 月项目 竣工以来，运行情况良好。 1 2 课题的研究背景 目前国内对这方面研究的课题比较少，将g s m 网络运用于水利系统的无线监 控比相对较少，有实际项目作为研究对象的就更少了，本人充分运用洪洞甘亭自动 化供水系统将g s m 网络运用于实际，使本人研究的课题有了实际项目作为证明。 1 2 1 山西省水资源的现状 基于g s m 网络的d c s 恒压变频供水系统 山西省是全国最缺水的省份之一。山西人均占水量只有4 3 8 立方米，相当于全 国人均水平的1 7 。全省目前城市日缺水量约6 0 万吨，2 4 7 万人存在饮水困难，5 0 万农村人口吃水困难。在全国污染严重的3 0 个城市中，山西占了1 3 个。目前，全 省仍有3 3 8 7 万人饮用高氟、高砷水，4 0 余万亩水地沦为风沙源，而且山西的水资 源仍在锐减。国家水利部门对山西水资源量的分析表明：从2 0 世纪中叶至末叶，山 西水资源减少超过了1 3 。据专家分析，到2 0 1 0 年，山西中等干旱年的缺水量将达 5 0 亿立方米，将是目前缺水量的2 5 倍。全省水资源开发比例己高达6 8 ，远远超 出2 0 - - - 4 0 的国际公认用水标准。我们必须加强对水资源合理开发利用的研究， 为全省水资源相关的决策提供依据，把科学用水、节约用水的观念牢固树立起来。 1 2 2 实施远程自动化的必然性 水资源严重缺乏外就是供水及管理任务日渐繁重。因此，传统的先用水后缴费、 人工抄表、水费定期结算的管理模式，已越来越不能适应现代社会发展的需要，用 先进手段改变现有落后的供水管理模式已势在必行。由于社会文化及地区经济发展 的不平衡，有偿使用水资源及自觉缴费意识不够，国内多数地方仍面临用水收费困 难、用水纠纷等问题。用水欠费已制约了供水部门经营管理的发展，然而，供水管 理部门对供水及管理的技术投入却无能为力，因此，管理部门也对供水及管理的技 术投入无能为力，形成自来水行业在高技术引进管理方面相对其他行业落后的局面。 综上所述，基于原始机械计量表建立的传统供水及管理模式，难以适应社会进 步及经济发展的需要，要改变目前自来水行业管理相对落后的局面，就必须寻求高 效管理水资源管理模式。自来水行业管理模式与水表机具的变革经济和技术的迅速 发展，必然要带动自来水管理体制的变革。传统的人工抄表计费收费 催费管理模式，只能适应人口相对较少的情况，而随着人口及高层建筑的增加，这 种人工抄表所带来的管理费用增多、抄表工劳动强度增加，以及漏抄、少抄、欠费 等种种弊端就日益突出，同时表现出管理效率极低，已严重阻碍了行业的发展，社 会效益极差。引进现代化高新技术，提高自来水行业的管理效益，是水资源管理必 由之路。 1 2 3 目前存在的问题 通过对国内外在该领域的现状深入研究发现，目前供水大多采用原始的水泵工 作，经常是由专人看守泵房，通常情况下都采用工频启动的方式，这样不仅多消耗 了电能，而且很大程度上也影响泵的寿命。 第一章绪论 甘亭集中供水工程水源地分散，管线长，供水量大，控制点较多供水工程的 运行上，采用传统的管理模式，必然存在诸多问题： ( 1 ) 需要多名管理人员，操控及调节各阀门室、水源井等控制点设备，才能保 障供水工程的正常供水，操作人员的增多，必然增加供水站的运营成本，对整个供 水工程的顺利、长期运行存在包袱。 ( 2 ) 控制点数量多，距离分散，供水点设备及管道难免发生破裂跑漏水等事故， 传统的人工巡视管理模式，很难及时发现问题，无意中造成了设备的更严重损坏， 水资源浪费，使供水、用水不能平衡，增加了供水成本和设备的维修、维护费用。 ( 3 ) 供水工程需随时调整阀门开度、合理调配供水流量，才能最有效的保障用 户的安全用水，使有限的水量得到最合理化利用，采用人工操作，不能及时调节阀 门开度，只能采用单一的阀开或阀关，不能使供水最合理化运行。 由此可见，供水工程采用远程自动化控制的迫切性。远程控制系统通过计算机、 通讯、自动控制等技术对供水工程进行全面监测和自动控制，不仅能有效地保障老 百姓的实时供水需求，提高供水站的科学管理水平；通过对机井、管网及蓄水池等 全面自动化监控，能有效保障供水站设备的运行安全，避免跑冒水事故的发生，减 轻管理员的劳动强度。 1 3 课题的主要研究工作 通过对目前水利系统的自动化程度进行研究分析，已经初步了解了目前在供水 系统技术方面存在的瓶颈。特别是在集中供水站中，人力，物力等方面急需的技术 方面的革新。所以有必要在远程监控方面作深入的研究，尤其是在故障诊断，及时 报出。在这方面有迫切的要求，以及中国移动在网络建设上已经达到要求。所以有 必要在这方面的理论上做深入研究，以及在实际工程实施方面的研究。本论文主要 研究方面包括： 学习了g s m 网络( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 全球移动通信 系统) 短信息业务的通信原理，熟练掌握a t 指令的具体功能，并将其应用于实际， 完成远程系统的控制，报警等功能。 学习了g s m 模块与p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r l l o r ：可编程序逻辑控制 器) 的串口通讯，以及数据采集，数据转换，数据传递，命令读取以及命令执行等 功能。 基于g s m 网络的d c s 恒压变频供水系统 研究了g s m 模块与上位机( 工控机) 的串口通讯功能，以及信息读取，命令显 示，报表打印，数据库存储等功能。 针对实际情况，对系统本身进行了分析，设计出了系统的整体方案，并通过具 体电路的设计和程序的实现解决实际中遇到的问题。在实际的项目中程序及电路也 得到实际验证。 课题创新点： ( 1 ) 将g s m 短信运用于水利远程自动化供水系统中，将原有的方法彻底提高到一 个层次。 ( 2 ) 将d c s 系统发展到无线网络，补充了d c s 系统的多样性。 1 4 本文的内容安排 首先，本文介绍了山西省的水资源情况以及其自动化水平，详细说明实施远程 自动化系统的迫切性。 其次，介绍了基于g s m 网络远程供水系统的设计，相关技术的应用，远程终端 设备的结构和原理。 最后，介绍了整个系统的软件部分，和详细实现情况。 4 第二章基于g s m 网络的远程供水系统设计 第二章基于g s m 网络的远程供水系统设计 2 1g s m 的概述 2 1 1g s m 的含义 g s m 全名为：g l o b a ls y s t e mf o rm o b il ec o m m u n i c a t i o n s ( 全球移动通讯系统) ， 俗称”全球通”，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术， 其开发目的是让全球各地可以使用一个共同移动电话网络标准，让用户使用一部手 机就能行遍全球。我国于2 0 世纪9 0 年代初引进采用此项技术标准，此前一直是采 用蜂窝模拟移动技术，即第一代g s m 技术( 2 0 0 1 年1 2 月3 1 日我国关闭了模拟移动 网络) 。目前，中国移动、中国联通各拥有一个g s m 网，为世界最大的移动通信网络。 g s m 系统包括g s m9 0 0 ：9 0 0 m h z 、g s m l 8 0 0 ：1 8 0 0 m h z 及g s m 一1 9 0 0 ：1 9 0 0 m i - i z 等几个 频段。 2 1 2g s m 的特点 1 g s m 使用的特点： g s m 系统有几项重要特点：防盗能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、通话 清晰、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、通话死角少。 2 g s m 的技术特点： ( 1 ) 频谱效率：由于采用了高效调制器、信道编码、交织、均衡和语音编码技 术，使系统具有高频谱效率。 ( 2 ) 容量：由于每个信道传输带宽增加，使同频复用栽干比要求降低至9 d b ， 故g s m 系统的同频复用模式可以缩小到4 1 2 或3 9 甚至更小( 模拟系统为7 2 1 ) ； 加上半速率话音编码的引入和自动话务分配以减少越区切换的次数，使g s m 系统的 容量效率( 每兆赫每小区的信道数) 比t a c s 系统高3 5 倍。 ( 3 ) 话音质量：鉴于数字传输技术的特点以及g s m 规范中有关空中接口和话音 编码的定义，在门限值以上时，话音质量总是达到相同的水平而与无线传输质量无 关。 ( 4 ) 开放的接口：g s m 标准所提供的开放性接口，不仅限于空中接口，而且报 刊网络直接以及网络中个设备实体之间，例如a 接口和a b i s 接口。 ( 5 ) 安全性：通过鉴权、加密和t m s i 号码的使用，达到安全的目的。鉴权用 5 基于g s m 网络的d c s 恒压变频供水系统 来验证用户的入网权利。加密用于空中接口，由s i m 卡和网络a u c 的密钥决定。t m s i 是一个由业务网络给用户指定的临时识别号，以防止有人跟踪而泄漏其地理位置。 ( 6 ) 与i s d n 、p s t n 等的互连：与其他网络的互连通常利用现有的接口，如i s u p 或t u p 等。 ( 7 ) 在s i m 卡基础上实现漫游：漫游是移动通信的重要特征，它标志着用户可 以从一个网络自动进入另一个网络。g s m 系统可以提供全球漫游，但是需要网络运营 者之间的某些协议，例如计费。 2 1 3g s m 的网络短消息 短消息是g s m 中唯一不用建立端对端路径的业务，即使移动台处于电路通信的 情况下仍可进行短消息传输。它通过信令信道传输信息，把要发的信息加上目标地 址先发到s m s c ( s h o r tm e s s a g es e r v i c ec e n t e r ，短消息服务中心) ，再由s m s c 在适 当的时候转发给目标，即由s m s c 完成短消息的存储和中继功能，系统认为不同的消 息彼此独立。每个消息的信息量限制为1 4 0 个八位组( 7 个特编码，1 6 个字符) 。 利用g s m 短信业务传输报警信号，进行控制构成远程监控系统是一项比较新的 技术，国内外一些公司对采集点分散且相距较远的远程监控系统采用了g s m 中的短 信系统。与传统的有线传输或数传电台传输相比，减少了信号干扰、降低了设备投 资及维护成本。利用g s m 短信业务的双相传输性能，可方便的实现对各类设备及运 行情况的远程控制和信息采集。具有通信成本底，不受通信线路及地区限制等特点， 使用方便。 2 1 4 短消息的实现方式 现场级作为数据采集的实现部分，采用基于p l c 采集数据与p l c 连接的模块向 上位机发数据。这样就可以借助中国移动g s m 网络这么个平台完成我们对距离较远 而且分散的运行设备进行监控。p l c 作为现场采集数据的执行者需要连接g s mm o d e m 来完成通信，及执行动作功能。g s mm o d e m 与g s mm o d e m 通过短信进行通信，当数据 完成传递后。工控机可以瞬间读取短信息内容，并且解码后将其显示出来。当需要 控制的时候，则传递方式倒转过来。用户也可以根据提前给定的代码内容，直接对 设备进行控制。当出现报警等紧急情况的时候，系统可以及时将报警内容发送给管 理员。 2 2 系统的结构及实现方式 6 第二章基于g s m 网络的远程供水系统设计 针对洪洞甘亭集中供水的特点及现场调研情况，洪洞集中供水工程主要由三座 水源井( 天井村，杨曲村，燕壁村) 、一座蓄水池和1 2 个用户组成。此工程的最大 特点是工程线路长，管理分散且存在很多不科学管理因素。整个控制系统总体分为 三个部分，提水控制系统、总控制室系统、恒压供水控制系统。整个系统相互关联 又可独立工作。提水控制系统主要对水源地3 眼机井进行监测控制，系统根据蓄水 池水位自动启动机井抽水到蓄水池。同时对3 眼机井的工作状态及运行参数进行监 测，发现故障及时保护并向管理人员和总控室报警。总控制室系统负责远程监测控 制水源地和各村供水点设备的运行、停止，远程数据获取、参数修改，数据分析、 统计、存储、报表打印等工作。 ( 1 ) 组网选择 目前常用的网络组建分为有线和无线两大类，有线包括电话p s t n 、光纤、r s - 4 8 5 双绞屏蔽线等，无线包括移动公网g s m 、g p r s 、电台、数据载波等通讯手段。 结合该工程的实际情况以及水利局的要求，该工程采用传输距离远、通讯性能 可靠、实时监测的g s m 网络进行通讯。 ( 2 ) 系统结构示意图 供水点 譬爨解曝 水量口 o 阀门“吣渗 电赢型矽电流喇嬲獠矿 电压r - - - 3 压力 k 量 水泵 g s m 总控室监控中心 图2 1 系统结构图 监控网络建成以后，使得水源地及下游用户的用水信息能够及时地上传到总控 室监控中心，管理人员在不需要出门的情况下了解各点设备的使用情况，用户的用 水情况，可将相关的数据报表打印上报或者保存。 2 3 系统功能的介绍 7 基于g s m 网络的d c s 恒压变频供水系统 2 3 1 控制方式 ( 1 ) 总控制室系统 总控制室系统主要由监控电脑、底层控制模块、打印机、通讯模块等组成。总 控制室监控电脑c o m 口通过r s 2 3 2 专用线与通讯模块连接； 各监控终端可根据条件自动向总控室返回数据，同时通过监控电脑可以对每个 监控点的相关关键设备进行操作，以及对监控终端相关数据的采集。 另外通过监控电脑可以对蓄水池水量进行下置，在用水量上进行限额管理。当 预置水量不足设定值时，控制器发出指令关闭电阀切断该管线的用水，待用户续交 水费后电动阀打开供水。 监控软件采用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c 软件开发，监控软件设计定时刷新数据， 每隔- d , 时保存一次数据；监控软件通过无线g s m 网络与水源地控制系统远程通讯， 并定时保存水源地控制系统传来的数据；监控软件可以按照日、月、年查询用水量、 蓄水池水位、阀门状态、出水量及系统操作日志、故障报警记录。通过图形模拟现 场设备工作状态，动态显示，操作简单、监控直观方便。 专业的数据分析软件，对供水数据自动统计，生成： 日报表，详细统计每天每小时的供水数据； 月报表，分月统计每月每天供水数据； 年报表，分年统计每个月的供水数据和水费征收情况； 查询表，任意查询一段时间用水数据； 报警记录表，记录系统故障报警，包括设备故障、数据超限等； 水费管理表，详细统计用户的交费金额、交费时间，系统的售水时间，售水量， 售水人员。 ( 2 ) 提水控制系统 1 # 井控制系统主要由p l c 、计数模块、通讯设备和各种仪表等组成。 2 # 井控制系统主要由p l c 、模拟量模块、远传水表、通讯设备和变频器等组成。 3 # 井控制系统主要由智能控制器p l c 、模拟量模块、远传水表、通讯设备和变 频器等组成。 提水控制系统主要对水源地3 台机井的启停，实现自动控制，实现无人值守，并 且随时接收总控室的启停指令，同时对机井设备的工作状态进行自检保护，有异常 情况立即启动保护装置保护设备安全，并向管理人员和总控室发送报警信息。 2 3 2 运行模式 r 第二章摹于g s m 网络的远程供水系统设计 整个控制系统分本地控制、自动控制和远程控制三种工作模式： 自动控制，系统自动根据蓄水池水位的高低启停l # 水源地机井进行补水，2 # 、 3 # 水源地机井变频的启停，电流，电压，流量，并将相关数据自动传向总控制室， 及管理员手机上。所有数据由监控计算机进行分析处理，同时生成各种报表可供打 印保存。 总控制室系统实时各种监测数据，并分析处理，形成图形表、数据表及决策支 持表。 远程控制，现场设备工作模式切换在远程状态，操作人员可在总控制室通过点 击鼠标控制各个设备工作。 本地控制，现场设备工作模式切换在手动状态，操作人员可通过按钮就地控制 设备工作，方便可靠。 2 3 3 设计功能 ( 1 ) 总控制室监测水源地系统状态，控制深井泵启停； ( 2 ) 总控制室监测蓄水池的水位，水量，下置水量，电动阀状态；远程控制电 动阀的开关； ( 3 ) 提水控制系统自动根据蓄水池水位控制启动或停止； ( 4 ) 整个系统各监控点的设备动作及条件报警数据同时向总控室及管理员手机 发送； ( 5 ) 总控制室自动统计监测点蓄水池的水位、各用户的用水量； ( 6 ) 预付费售水系统根据用户需求预收取水费，用完自动停水； ( 7 ) 历史数据存档，故障报警自动记录，报表自动生成。 2 3 4 系统特点 ( 1 ) 环境要求低 智能管理系统主要用在无人职守的地方，为了解决潮湿、温度、电压不稳等问 题，该系统在设计过程中，采用元件设备均为工业级，正常工作温度可达一4 0 到+ 5 5 ，潮湿度兰9 5 ( 现场结露) 。 ( 2 ) 计量可靠 为适应水资源控制现场的恶劣环境条件，系统设计时，在计量功能上采用求平 算法和数据滤波原则，避免杂质数据的存入，同时系统在实时采集上百次数据后存 入闪存，再通过求平算法得出最具代表性的数据，保证了每次存入数据的有效性。 9 基于g s m 网络的d c s 恒压变频供水系统 ( 3 ) 运行安全 系统具有自检功能，每隔两小时系统自检一次，当有设备损坏时，系统会自动 判断损坏设备及分析损坏原因，及时向总控室报警。与此同时，系统将会关闭与损 坏设备相关联的其它设备，避免造成更大损失。总控制系统将故障情况自动记录在 相应的报表中，并在监控界面上动态报警。 ( 4 ) 查询方便 用户可通过手机发送短信到相应的监控点上，方便查询水量信息、用水情况、 控制点工作状态等，方便可靠。 ( 5 ) 安全报警 系统具有故障报警和故障原因自动侦测功能，通过无线网络可实现远程修改参 数、远程系统维护和软件升级功能；同时，系统具有远程短信报警功能。 ( 6 ) 记忆存储 监控核心内具大容量存储器和高速c p u ，系统信息、参数信息和实时数据信息 分成三个存储区，更加安全可靠。且数据存储区可连续保存3 6 5 天每天每时的相关 数据，当发生通讯故障等情况时，不会影响数据的连续性。 ( 7 ) 扩展性强 整个系统采用g s m 网络，可随时随地扩充监控点( 只要有移动网络信号) ，且监 控点系统采用模块化结构，本身具有多路i o 输入输出和a d 或d a 输入输出，且 扩充方便，只能把扩展模块和主机接口相联，就可实现i o 扩充和a d 扩充，以防 止系统的更新换代或不断升级造成重复建设和浪费。 ( 8 ) 智能决策 智能管理系统不仅能自动生成各种形式的日、月、年报表，曲线图，饼形图等， 且具有模型数据库和智识库，系统接合先进的测控技术、流量式数据库和现代水利 专业知识，自动对水资源进行分析，为水资源的科学开采和优化调度提供科学的决 策依据。且系统具有w e b 信息发布功能，预留i n t e r n e t 网络接入则可以在互联网上 发布水资源政策、公报等信息。 1 0 第三章相关技术及原理 第三章相关技术及原理 3 1 p i d 参数调节及其具体实现 3 1 1p i d 的基本原理 比例积分微分( p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld e r i v a t i v e ，p i d ) 控制是迄今为止 最通用最基本的方法。大多数反馈回路用该方法或其较小的变化来控制。p i d 调节器 及其改进型是在工业控制中最常见的控制器。尽管自2 0 世纪初p i d 控制器诞生以来， 随着计算机技术和信息技术的飞速发展，控制理论与控制技术取得了令人瞩目的成 就，一些先进控制策略不断提出，但是p i d 控制器以其结构简单、对模型误差具有 鲁棒性以及易于操作等特点，在大多数控制中能够获得令人满意的控制性能，且被 广泛应用在冶金、化工、水利、电力、轻工和机械等行业。 p i d 控制最核心的问题就是如何整定p i d 控制器参数，使p i d 控制系统达到所 期望的控制性能。模拟p i d 控制原理如图3 1 所示： 图3 1 模拟p i d 控制原理图 p i d 控制器是一种线性控制器，它根据给定值，与实际输出值c 似构成的控制 偏差： 4 0 - - r g ) 一c o )( 3 1 ) 将偏差的比例尸、积分，、微分d 通过线性组合构成控制量，对受控对象进行控 制，其控制规律为： 甜o ) 喝胁j 1 ，e ( t ) d t + 掣( 3 - 2 ) 或写成传递函数形式 基于g s m 网络的d c s 恒压变频供水系统 g 阱锱喝( ，+ 去哪 p 3 ， 式中，k p 为比例系数，乃为积分时间常数，为微分时间常数。 3 1 2 数字f ：) i d 的控制器 当计算机实现p i d 控制时，首先必须将上述p i d 控制规律的连续形式变成离散 形式，然后才能编程实现。p i d 控制器控制算法的离散形式为 “ ) = 蜂 ) + 墨p u ) + k 。 e ( k ) - e ( k - 1 ) ) ( 3 - 4 ) 或 甜 ) = k 尸 【p ) + 争p 0 ) + 等k ) 一p 一1 ) 】 ( 3 - 5 ) ，z 0 上 式中t ：采样周期 k ：采样序号，k = 0 , 1 ，2 ， u ( k ) ：第k 次采样时刻的计算机输出值 x ，：生：称为积分系数 z j p ) ：第k 次采样时刻输入的偏差值 k n ：茎磐：称为微分系数 也可以将数字p i d 控制器表示为旅递函数形式： g 阱剖= 砟+ 占蝎p ) ( 3 - 6 ) 由于计算机输出的“ ) 直接去控制执行机构( 如阀门) ，u ( k ) 的值和执行机构 的位置( 如阀门的开度) 是一一对应的，所以通常称式( 3 4 ) 或式( 3 - 5 ) 为位置式p i d 控制算法。位置式p i d 控制系统的示意图见图3 2 。 图3 2 位置式p i d 控制系统 这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计 1 2 第三章相关技术及原理 算时要对p 仅) 进行累加，计算机运算工作量大。而且因为计算机输出的材( 七) 对应 的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，材( 七) 的大幅度变化，会引起执 行机构的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在有些场合，还可 能造成重大的生产事故，因而产生了增量式p i d 控制算法。 增量式p i d 控制算法形式为 “( 尼) = k p p ) + k ，4 k ) + x d a 4 k ) 一a e ( k 一1 ) 】 ( 3 - 7 ) 式中：p ) = a e ( k ) 一p 一1 ) p i d 控制的原理和特点： 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简 称p i d 控制，又称p i d 调节。p i d 控制器问世至今已有近7 0 年历史，它以其结构简 单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象 的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难 以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用p i d 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的 测量手段来获得系统参数时，最适合用p i d 控制技术。p i p 控制，实际中也有p i 和 p d 控制。p i d 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进 行控制的。 ( 1 ) 比例( p ) 控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关 系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差( s t e a d y s t a t ee r r o r ) 。 ( 2 ) 积分( 1 ) 控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动 控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或 简称有差系统( s y s t e mw i t hs t e a d y s t a t ee r r o r ) 。为了消除稳态误差，在控制器 中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会 增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的 输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+ 积分( p 1 ) 控制器，可以 使系统在进入稳态后无稳态误差。 ( 3 ) 微分( d ) 控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成正比关 基于g s m 网络的d c s 恒压变频供水系统 系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由 于存在有较大惯性组件( 环节) 或有滞后( d e l a y ) 组件，具有抑制误差的作用， 其 变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即 在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比 例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微 分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+ 微分的控制器，就能够提前 使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以 对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+ 微分( p d ) 控制器能改善系统在调节过程中 的动态特性。 3 1 3 目前p i d 控制器的发展 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时， 控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。 智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和 闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出 接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控 量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、 变送器、执行机构是不一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制 系统的传感器是温度传感器。目前，p i d 控制及其控制器或智能p i d 控制器( 仪表) 已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的p i d 控制器产品， 各大公司均开发了具有p i d 参数自整定功能的智能调节器( i n t e l l i g e n t r e g u l a t o r ) ，其中p i d 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应 算法来实现。有利用p i d 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现p i d 控制功能的可编程控制器( p l c ) ，还有可实现p i d 控制的p c 系统等等。可编程控制 器( p l c ) 是利用其闭环控制模块来实现p i d 控制，而可编程控制器( p l c ) 可以直接与 c o n t r o l n e t 相连，如r o c k w e l l 的p l c - 5 等。还有可以实现p i d 控制功能的控制器， 如r o c k w e l l 的l o g i x 产品系列，它可以直接与c o n t r o l n e t 相连，利用网络来实现 其远程控制功能。 1 、开环控制系统 开环控制系统( o p e n - l o o pc o n t r o ls y s t e m ) 是指被控对象的输出( 被控制量) 对控 制器( c o n t r o l l e r ) 的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖被控量返送回来以 1 4 第三章相关技术及原理 形成任何闭环回路。 2 、闭环控制系统 闭环控制系统( c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m ) 的特点是系统被控对象的输出( 被 控制量) 会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反 馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( n e g a t i v e f e e d b a c k ) ，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负 反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制 系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确 的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例， 当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切