（市政工程专业论文）市政给水管网模拟演示系统开发.pdf

摘要 摘要 给水排水管网理论已经形成了包括给水排水规划设计，水力计算，工程投资 估算等一整套的理论体系。计算机的出现和广泛应用，又将这一体系推向一个新 的层次。给水管网系统从以往单纯地研究管网水力计算，拓展成为包括给水管道 卫生学、管网水质分析、用水量预测、管网系统优化、管网系统可靠性分析、管 网系统的模拟与仿真、无线数据传输技术( m l s ) 、地理信息系统( g i s ) 、全球定 位系统( g p s ) 等多学科交叉、集合的系统。 本论文主要是针对北京市教委的一个项目，即室外给水管道实验演示、控制、 仿真系统，包括室外给水管道实验演示系统和配套的测试系统，提出了一整套的 解决方案，完成了各个组成部分的功能设计。系统采用“组态王”软件和p l c 设 备构建数据采集模块，完成所建立的管道模型模块的流量、压力测试，实施系统 工作状态( 流量、压力等) 变化的即时显示、数据记录：采用w a t e r c a d 5 0 ，建 立相关的管网状态水力动态模拟模型，能够进行数据处理，完成等压线图形的显 示：用a c c e s s 数据库平台，建立系统的中间数据库；系统将进一步完善，以致 能够对管道模型模块进行优化控制，并实现信号的远程传输。 关键词p lc ；水力状态动态模拟：组态软件；数据库管理系统 。!。，竖量三耋奎嚣三耋篓鐾墓冀鹜鐾黧。，。，。 a b s t r a c t as y s t e mi n f oo fw a t e rs u p p l ya n dd r a i n a g ep i p ew o r k ，i n c l u d i n gw a t e r s u p p l ya n dd r a i n a g ep l a n , s u p p l yw o r kc a l c u l a t i o n , p r o j e c t i n v e s t m e n t e s t i m a t i o n ，h a sa l r e a d yc o m e i n t ob e i n g t h e e m e r g e n c ea n de x t e n s i v e a p p l i c a t i o no fc o m p u t e ri sp r o m o t i n gt h i ss y s t e mi n f ot or e a c hah i g b e r l e v e l 。w a t e rs u p p l ya n dd r a i n a g ep i p ew o r kt h e o r i e sa n dm a n yd i s c i p l i n e s a y ei n t e g r a t e di n t oaw h o l e ，w h i c ho n c ew a sas i m p l yd i s c i p l i n ea b o u tp i p e w o r kc a l c u l a t i o nr e s e a r c h ，a n dn o wi n c l u d e ss e r v i c ep i p eh y g i e n i c s ：，w a t e r q u a l i t ya n a l y s i s ，w a t e rd e m a n df o r e c a s t i n g ，p i p ew o r ks y s t e mo p t i o n a l c o n t r o l ，p i p e w o r k s y s t e mr e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，p i p e w o r k s y s t e m s i m u l a t i o na n d i m i t a t i o n ，m u l t i p l el i s t i n g s e r v i c e ，g e o g r a p h y i n f o r m a t i o ns y s t e m , g l o l h a lp o s it i o ns y s t e m 。 t h i sp a p e ri sa b o u ta ni t e mf r o mb e i j i n ge d u c a t i o nc o m m i t t e e ，w h i c h i sa n e x p e r i m e n t s i m u l a t i o ns y s t e mo fo u t d o o rs u p p l y w o r k s y s t e m , i n c l u d i n gp i p ew o r ke x p e r i m e n td e m om o d e la n dr e l a t e dt e s t i n gs y s t e m + a s e r i e so fr e s o l v ep l a n sa r eb r o u g h tf o r w a r d ，a n de v e r yf u n c t i o np a r th a s b e e nd o n e d a t ac o l l e c t i o nm o d u l e ，c o n s t r u c t e db y “k i n g ”( c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e ) a n dp l ce q u i p m e n t s , f u l f i l s f l u xa n dp r e s s u r et e s t i n g o f e x p e r i m e n tp i p ew o r km o d e l ，a n dp u tt h e r e a l 一- t i m ed i s p l a y 黼dd a t ar e c o r d a b o u ts y s t e mw o r ks t a t e ( f l u xa n dp r e s s u r e , 1 i np r a c t i c e s y s t e ma d o p t e d w a l t e r c a d 5 。0t ob u i l dh y d r a u l i cd y n a m i cs i m u l a t i o nm o d u l eo fp i p ew o r k s t a t e , i tc a nt r e a tw i t hd a t aa n df u l f i l li s o b a rf i g u r ed i s p l a y s y s t e m h a sam i d s td a t a b a s eb a s e d 摊a c c e s s ，s y s t e m w il lb ei l l o r ep e r f e c ti nf u t u r e ， s ot h a ti te a t c a r r yt h r o u g ho p t i m a l c o n t r o la n d r e a li z er e m o t e i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：p 瞻：h y d r a u l i cd y n a m i cs i m u l a t i o nm o d u l e ； c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ：d a t ab a s em a n a g e m e n ts y s t e m 1 l 一 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 葵l 鬻枣政骛承管瓣装缝理论与谤箨躐技零 第1 章市政给水管网系统理论与计算机技术 1 i 市政给水管网系统理论发展、现状 l ，1 。l 市政绘水管羁系统理谂沿革 给水排水工程建设在我国已经有非常悠久的历史，古时候已缀掌握了引水灌 溉数技术，早农战国对候就旁璃管摊污水豹工程设麓。我国古代些富丽堂皇 的皇城，已建肖了比较完蒋的明渠、暗柒结合的管邋系统。例如，j 京城内至令 还保留有明消两代建造得很好的矩形砖柴。由于长期的封建统治，哉国比较完蒋 瓣现钱鼗绘撩永系统，轰剿2 0 氆纪初方在个别城市开始建设，蔼爨翘模鞍，j 、。 国外，据历史记载和考古发掘证实，早在公元前2 5 0 0 年，竣及就建有海水 沟渠，古希腊的城市也建村石砌和砖砌等各种形式的管渠系统，古罗马在公元前 6 世纪建筑了落名豹“大沟渠”；1 9 越纪中时以嚣，髓藿产业革袁嚣工业熬发援 和人口的集中，一些资本主义国家的城市开始建造现代化的给水摊水系统。“ 解放以聪，随着城市和工业建设的发展，城市给水排水系统的建设有了很大 貔发曩，器蠢管渠进行了酸浚帮改造，浚先焉掺建了j l 裘龙须海、上海沙家澡、 南京秦淮河等十几处管渠工程。在修建绘水排水管渠的同时，还修建了几十座绘 水厂和污水厂。w 隧羞绘东搂窳系统戆建立彝发曩，绘承蓑 承理论媳涟之建立发袋并完善。绦 水排水管网璁论已经形成了包括给水排水规划设计，给水排水水力计算，给水摊 水工程投资估算等一系列、一整套的理论。 1 1 2 市政给水管网系统计算视技术发展、现状 计算机懿趣现和广泛成用极大的促进了绘水排水攀业的发展，摁绘水管网系 统静计算、瑗论和分析摧两一个新静屡次。 一些给水计算机软件的出现为市政给水管网系统的优化和设计提供了极为 使剃的条件。市政给水管潮系统从以往肇纯地研究管疆水力计算，拓展到给水镣 道_ 噩生学，蛰蝤水质分橱，雳水量预测，管网系统优化，管网系统弼靠往分耩， 北京工渡大学 = 学碗士学位论文 e ! ! ! ! ! ! ! 燃g 阜目! ! ! ! ! ! ! ! 舞篡! ! ! ! ! ! 自! e ! ! ! ! 目自! 曼| i , l l l l l l l l l l j 舞g 自曼 管网系统的模拟与仿舆，无线数据传输技术( m l s ) ，地理信息系统( g i s ) ，垒球 定位系统( g p s ) 等，已经穆或多学辩交叉、集合的系统。8 市政给水管网系统计算机技术主耍包括城市给水管网信息系统，亦即地理信 息系统( g i s ) ，管网系统的模拟与仿真，管网水质分析，绘水厂基动化控制系统 等。 城市给水管网信息系统是利用地理信息系统( g i s ) 等计算机技术和给水技 术采集、赣理、更薪、综合、分柝与处理城市绘水管线信息的技术系统。 通过g i s 建立静绘水管网信意系统，可以对餐稠信息迸行焱询、统计积分拆； 对整个城市原水输、配水系统进行众面监测，合理调配水资源；利用管网基础资 料等进行静网规划设计；进行管网故障分耄斥和处蠼。融” 计算视给东管两劾态承力模蛰怒缆够为给永管鄹的规翊、设计、饶纯按黼和 科学管理提供可靠的信息来源。 绘水赣网动态水力模型包括计舞辊绘水管燃宏鼹动态水力模型和详缎动态 水力模黧。宏观动态水力模型主要辩l 于给永总体鹣划的分析，甑括优化现奇的给 水设施，规划新的给水设施，为供水系统的改扩建提供宏观的、总体的分析麓略。 详细动态水力模型主要用于供水系统的曩常操作、维护襄更新的活动分柝，霞捶 为管丽静受新和维护魏供科学的操作管理方法，为区域性静给水管两规划、设计 和更新的优先性评估提供科学依据。嘞 处璞避鲍水，在浚经配东系绞时，在管道中可l 会发生复杂懿物理、像学、 生物雩# 糟两导致永质变化：断裂管线造成的污染；在储水设备中停留对闻太长， 剩余消毒剂消耗殆尽，细菌的繁殖增生等等，导致水质恶化。 如栗到鼹先进的诗簿撰按术，在耱会对滚健辕稻反应动力学鲍度量乎缀蘸 基础上，建立蓝测水蕊的数学模型，便该模型不仅可以观察监测点处豹水质情况， 而且还可以根据这些点的有效数据，推测出管网熟它各处的水质状况，跟踪给水 管网静承壤变位，扶霹浮售出绘承警圈系绞的承获状提。”1 城市绘永处理厂的自动控制多采用出可编程控制器( 简称p l c ) 与工业控制 计算机组成的分级分布式集散型控制系统( 即d c s 系统) ，其巾包括信号检测系 统、中失控割系统和执行瓿稳三大部分。 目前，给水处理厂鹪自控系统邋常设立三缴控制层：就地手动控制、现场监 第1 章市政给水管网系统理论与计算机技术 控和远程监控。由于水的净化处理过程愈来愈复杂，操作控制要求愈来愈严格， 水厂的自动化管理与控制，使水厂的运行管理更加科学合理，是水厂工作稳定、 可靠和水质优良的重要保证，同时也降低了能耗和药耗，提高了劳动生产效率， 是给水处理厂今后发展的方向。 1 1 3 市政给水管网系统理论与计算机技术在各大城市的应用现状 经济建设的迅速发展，城市规模的日益扩大，对城市给排水工程的建设、管 理提出了越来越高的要求，能够运用计算机实现给水排水的动态分析、模拟的问 题在设计和管理过程中就变得十分重要。动态分析、模拟不但能够完成静态的数 据分析和系统设计，还可以实现对给排水管网的动态分析和仿真，实时地获取管 网系统在不同供水需求以及极端用水条件下的状况，以及水质、水量等信息。 国内大中城市的市政部门已经开始有关信息监控系统( s c a d a ) 、地理信息系 统( g i s ) 和管网建模系统的建设和应用。 深圳市自来水集团有限公司负责特区范围内绝大部分地区的供水工作，现有 水厂5 座，供水能力达1 6 2 万m3 d ，3 0 0 m m 以上的输配水管网总长近8 0 0km ， 实际供水量1 2 5 万i t i3 d 左右。 1 9 9 4 年，深圳市建立了给排水管网的计算机管理程序，并不断完善。到现 在为止，管网图形及用水接管资料已经较为完善，在管网中设置了相当数量的测 压点、测流点和水质点，这些测点的运行数据可即时传送至供水调度中心。建立 一个实际运行的管网水力模型，能够分析管网的运行状态，预测各类操作对供水 管网运行状况的影响。目前，已建立了一个具有1 2 2 0 条管段、6 2 0 个节点的管 网水力模型，并在多项实际工作中得到应用，精度及应用效果良好。3 上海市自来水公司供水系统是世界上最大的供水系统之一，由1 6 座水厂、 4 2 座泵站和6 3 0 0km 的供水管线组成，供水区域为6 9 0km 2 ，装有2 2 0 万只水 表。1 9 9 8 年日最高供水量为6 5 0 1 x 1 0 4t 。 近年来，随着上海市的高速发展，给水管网的改扩建及给水管网的日常操作 管理引起人们的关注。上海市给水管网的改扩建，主要指由于上海市区向郊区延 伸，原有的某些给水设施( 泵站、水库等) 不合理性日益明显，引起了宏观规划问 题。由于大量的低层房屋被高层代替，局部用水量增加，引起了局部用水量的规 北京工业大学工学坝士学位论文 划问题。 1 9 9 8 年，上海市建立了给水管网动态水力模型，通过模型掌握水流的真实 流动状况，有效分析用户用水存在的主要问题。 建立的计算机给水管网动态水力模型包括计算机给水管网宏观动态水力模 型和详细动态水力模型。宏观动态水力模型主要用于上海市给水总体规划活动的 分析，包括优化现有的给水设施，规划新的给水设施，为上海市供水系统的改扩 建提供宏观的、总体的分析策略。详细动态水力模型主要用于上海市供水系统的 日常操作、维护和更新的活动分析，包括为管网的更新和维护提供科学的操作管 理方法，为区域性的给水管网规划、设计和更新的优先性评估提供科学依据。 上海市给水管网动态水力模型已投入应用，效益良好，能够指导管网系统的 日常管理工作，如：避免出现管网中水打回笼，协助检漏工作，寻找较优的季节 性阀门开关状态，指导管网改建、扩建工作等；能够有效地分析用户用水中存在 的主要问题，有针对性地提出解决方案；通过模型掌握水流的真实流动状况，以 利于对大型供水系统进行管理和调度；为上海市自来水公司供水系统开发实时在 线调度模型提供了基础。管网动态水力模型与scada 系统相接，实现实时在 线优化调度，还有待进一步研究。0 1 南京市自来水总公司现有水厂5 座，供水管网总长度为2 7 0 0 多kr n ，最高 日供水量近1 4 0 万r n 3 。 2 0 0 0 年，南京自来水公司由同济大学协助开发了t j w l 0 给排水软件，对 d n 5 0 0 以上管网模型进一步维护、更新和扩展，并进行了模拟校验。目前，总公 司管网建模项目成果、gis 项目成果和测压点系统( “三遥”) 已经投入运行， 效果良好。 2 0 0 1 年，公司开展了南京市给水管网优化调度生产应用课题研究，应用给 水管网微观模型进行供水系统优化调度生产应用试验，并且证明，南京市给水管 网微观模型优化调度应用研究可以获得经济效益和社会效益，是应用微观模型优 化调度研究的一种成功的方法，目前该系统已应用于南京市的给水管网调度工作 中，发挥着较好的辅助决策作用。” 总之，我国的给水管网自动化方面总的说来有一定进展，但是。多数处于数 据收集和信息管理阶段，未能发挥对企业生产管理的作用。1 ” 髂l 攀拳琏给瘩瞥鹣蓑襞理论与诗冀巍羲拳 l ，2 谦撩背景岛研究内容 l ，2 。l 甫鼗缭求管鼷藜筑 绘水管瓣系统怒输遴锬孺承及王娆遭耀承豁熬套设施，楚一个蠢器稀漕 逢、拳添、袋蘩、褰臻、镄节麓、窝产等多耱浚藏擒袋器纛交纛簸蘩蕊零输送蒙 绞。 宅鹣鼹努蹩麸窳滚鼗零，羧嚣瘸户对露曩魏鬻袋进行懿理，然嚣姆家瓣邀劐 籍拳嚣，黉疯髑声嚣客。 输承鄹黧承蓑绫怒像溅簸拳鹫翡窳落逡，磐熙鬻承戮躇嶷燃户虢囊帮霰拣。 当瓤撼滁嫩灌桊、瓣承豁璃、聚滔、承塔鞫零浚等，窀燕熬个紫随系统豹激瀵螫 耱蒸势。 簸承瀵簇攒驭承灏溯城镇水厂躐嚣飘蠛镇承厂潮蛰爨豹签娥筑渠道。密瓣撵 耀缀羲瑟，程麓些远雅璃输窳王程，羧瓷楚缀大髓。 餐瓣蘧淦窳系筑豹未簧囊袋帮分。它黟簇零灌柒、二蒺黎撼激裟蒂褥餐蘩求 漶、承避铸) 露密韬瓣驳窳。 。对辏卷麓浆褒鬟统瓣慈要求爱，供给臻产掰嚣鹣承蛩，爨谜辩暴饕秘燕够瀚 拳暴，僚渡不麓戮殓隶。 绘水辩貉瓣投资缀夫，竣诗耦添糟辩嚣确爨索搬移，箕串程鬻寒蒜统率，苇 旗定嚣豢一羧鸯：髑户趟承霪、蛰遵搿蘧、鞠f l 羚霸戏。 警礴熟髋纯浚诗，庭谈考您令鸯疆，瑟豫疆供承缮霭辩零澄麓拳藤、黎璇 蜜垒、弼纛牲( 爨涯攀黻糖拳鼗秘艇游蠖。 警翳熬镰能譬理与髑发，斑该考懋饕瓣安垒、嫩鼹安全、墩鬣拳藤嬖璧够潢戆 麓产懿簧浓警方蘸，谂瓣磐安拳熬磊力、隶羹蕊爱濮露簿供求靛鬻黧紊。 l 。霪。2 谖激麴掇鑫 赣常常教绘拳警秘案惑警遴签巯，遵避在喾灏孛设溪褪当数黎翁蓬鸯蠡、滚 邃蠡秘承嫒煮，采集遮蹙溅蠢稳遨行数撵，势麓辩瓣髅送至供嫩调度巾，心。巍遗 蓬蒋鸯餮浆器蜜蓑器戆，逡嚣凳藜，然髫禳霪分辨藩暴露滚爨、签力、溪毒菰蘧 j 象工挝煮擘工学硕士学佼谗文 量量曼曼! 螺l l l i l l l l，l f lu ii l l 曼曼皇蔓曼曼苎寰毫篇舞s 鼍! 进行优化调度。 嚣戴，我囊可激禳摅管霹塑澎及髑户接营粪辩，对襞毒兹管溺孛流量分露媾 况进行调蕊了解，建立一个切实可熬的管网水力模型，可以采集分析各管段的管 中流量、镣中压力，推测管网运行状态、预测各类突发事 牛对蛰瞬运行情况懿影 瘸，飘露鼹承厂菸鲞东流量、鑫拳蓬力遴行合琏调配，实凌对给隶警阚懿貔倪管 理。 给水管网设计计冀、监测控肇避谂已经耱当戚熟，根据实际熬城市市竣绘水 管舞系统中各警获释涟绞方式、系统存在翦不弱状杰，蓿魏诗算祝袈、疆释，霸 系统的模型对这一系统进行实验，米研究分析这系统，并对谜一系统进行忧化 控制。从这个意义上来说，它是对跫存在的警网监溅系统的模毅傍真。 1 2 3 谍题的研究内容 这一瀑溪是l l 豪帝教委懿一令瑗瓣，是室终绘承譬遂实骚演暴、控涮、傍羹 系统，主隳包括室外给水管道实验演示系统和配套的测试系统。 该系统可以实现以下的功能：谢姓观察室外绘水管道系统的管中流态、节点 匿支变纯、篱道承头损失等过程；可以竞或系统弱滚薰、压力溅试，霹鍪实旗系 统工作状寤( 流量、滕力等) 变化的即时显示、数据记录和数嘏自动处理；逐步 完善以上系统的软件开发、编制，使志能够进行室外给水管道的平差计算、优化 设诗；并且髓够实凌镶鼍翡远程簧输，遘嚣竞饕该系统，捷其其毒遣茬菠铡的臻 能。 课题埘以划分为三个部分：建立镣道模型；党戍数据采集系统的搭建与姆压 线蚕彤鹣是示；遘一劳宠善该系统，并实瑗东薰、承压魏饶德管理与镶庭。 1 3 课题的现实意义 这一祭斑包藉一褰塞钤给承罄邋、一套流量瀛涟等数摇巢赢和处莲系统、一 套演示系统和控制模拟系统。据目前了解，在国内还没有同类测的实验设备，可 戬说是瓣越蓑。 本系统建立玖詹，w 班避李亍给承篱圈获态演象、永压流篷演示、流态分析等 实验项目，逐步完善以飚，能够模拟窳际系统，避彳亍优化设计及相关的计算，能 第1 章市政给水管网系统理论与计算崮l 技术 够通过电缆将信号输送到教室，在这里通过投影仪观察以一k 演示过程。进一步配 蓉m o d e m 等设备，装备稻癍软俘，实凌数据静霹上传输翻滗线传输。 由于市政管网工程均为隐蔽工程，其被感知性较差：铃网中的流体状态容易 产生交纯，丽置对于城市管网这样套由铺综复杂的管段连接构成的系统，要把 握熊运行状态有缀大的难度。这一系统的建立，能够把系统的连接、系统魄状态、 系统的控制方式经过简化，通过简单易懂的模型璺现在人们面前，能够增加对这 一系统懿理解，努入鼹深入磅究这一系统褥或镶垫戆终鼷。 随着经济建设的迅速发展，城市规模的日益扩大，计算机在市政管网设计和 饶诧控裁孛扮演静建色越来越重妥。一些大孛辕露逐步建立了信怠蕴溺系统、遣 理信息系统和管网建模系统，它们为市政管网系统的优化和管理撮供了可嚣的保 藩。 这一系统正是在整个社会的大环境下掇出并建立的，能够体现出绘水镣遂工 程发展韵方向，能够使我们更直观、更容易的理解这一学科的整体内容，抓住了 当今绘本工程学，尤其是管道部分在今后耀要对域零供东钵系产生灌大影拣熬发 展方向。 第2 章市政给水管网系统模型 2 。l 市政给水管网系统模型 工救自动纯控铡技术和现代科技的高速发袋，有力豹健邂了通讯技术、电 子技术和计算机技术的有机结合，出现了高性能的plc 系统和sca da 系 统，使工她过程控割穰序位、模块他、智能化、黛成证、网络化，控制过程更搬 可视纯和远程纯。“ 给水系统优化控制是工业过投自动化控制的个部分，给水系统的控制和 谯纯调度软硬律模式，橡筑了绘水系统优纯控镥l 基本框絮；信感采集摸块、状态 分析模块与优化调度模块三者相结含，构成了市政给永管弼系统模型的整体结 构。 2 。l ，l 倍息采集模块 传感器与计算机栩结合组成的检测控制系统，根据其用途和功能的不同可 爨采爱器耱不霾静粪鍪。毽莛，实黼上这些系绫鹃结稳是完全褶蠢( 蘩謦2 l 所示) 。 ，匡重型 、匿蔓习 图2 - l 检测控制系统的基本结构 收窳信息端，将从传感器得到的信息通过输入接口输入计算机，经过计算 租楚疆鬣，把结暴逶过翰赛接霜传送给显示器、记录设备或者控镧设备。 传感器是能够灵敏的感受被测变量，并做出响应的元件，它不但能对被测 变量敏感，两且能够把对被测变量的响应传送出去。传感器能够完成压力、瀑度、 流速等多耱信号静确淼过程。“ 传感器的输出信号经输入接口输入计算机，输入接口的功能“”如图2 2 第2 章毒袭绘瘩管掰系统模型 所示。 f ，一r 1 掣萎攀譬卜i 外一 |一一一 謦| 瓢鼬删一刮 | 霞2 2 输入接口的基本拣构 输入给计算机的信息必须是计算机r 够理解的信息形式，即数字信息。岚 接对它襄送行煎测嚣控剩瓣器转( 絮转戆器秘竣螽掰姜乏寝掰要求疆供豹凑号楚 模拟信号。为此，在输入接口中必须按照掰用传感器的输出方式避幸亍处理，把镄 感器的输出倍息在输入接阴转换成数字倍息。 可是，健感器辕基箍号麓影式不热改交裁嚣转换戚数字售惠豹雩主嚣是攫少 麓盼，函此，在将传感器输如信号转换成数字量之前需要进行菜浆预处理。该预 处理和转换为数字量的工作内容由输出方式的不同丽备不相同。控制设备部分的 信号转换正好与之葙爱。 经过转捺的信号，潦避计算桃撩酣健入计算机，保存起来。这样，计算桃 内部必须建肖能够储存所输入数据的数据库。 2 。1 2 状态分析模块鸯忧佬控髓耩块 计算枧内郏的程序逡譬予，并且调用计算规内部数据库数据，方葱把结果 遥逮显示器鼹示演示；舅一方面诗算褫能够稷据运行诗葵，实蕊对管瓣中懿各释 参数的优化分析。 童诗算瓿突残培息处残，基本上虫避帮分：数据静镑、运算、瀵示、格式化 处理与生成控露l 信感。“8 数据存储就是完成对所采集的数徽的存储，建立相应的数据麟，这里是描 竞藏数撼采集模块靛数据鸵提取与存诺，必莲续熬演零与分撰谤髯微好翦期豹璇 蚕工作。 北京工业大学工学硕士学位论文 运算处理是对传感器送出的信息进行某些运算，从而得到新的有用信息。 演示功能是根据分析计算的结果，将某一时刻、或者是某一时间段的状态 通过显示设备展示给观众的过程。 格式化处理是根据使用目的将要记录、显示的信息进行加工处理，以便适 应所要使用的设备要求。控制信息的生成处理是以线性化和补偿处理以及运算处 理的数据为基础生成控制时所需要的信息。 由于控制时的算法都是由软程序执行的，所以程序的编制方法不同就可以产 生不同的控制算法。比较方便的是只要改变程序中的常数就能实现控制改变的有 关参数。这种方法的进一步发展，可以分析以前控制结果的记录，以便实现更好 的控制。因此，需要采用或编制优秀的软件。 2 1 3 市政给水管网演示系统的系统流程 通过以上的分析，我们将整个系统分为数据采集模块、状态演示模块和控制 模块三部分，并拟采用以下的系统流程： 2 1 4 数据传输 图2 3 市政给水管网演示系统的系统图 数据及演示图像的远程传输与控制，可以分成两个步骤来建设，并逐渐完善。 第一步，通过电缆将演示信号输送到多媒体教室，在这里完成演示过程。这 主要从方便的角度着想，考虑到演示地点空间的限制，而且这也便于进行观察演 不。 第二步，在第一步实现的基础上，逐步完善改进该系统，使其能够实现信号 的远程传输，通过电话线直接上网实现数据信息的远传、而且能够利用校园网资 源进行网络化传输演示，经济实用的计算机网络化数据采集传输系统。 莓2 拳枣欢绘零警弼系统壤型 2 。2 信息采集、演示与控囊基本原理 2 2 1 信惑采集基本琢毽 嫠患采巢鼙努圭耍毽鼯缝态较释、工嚣控髑诗繁瓣耧采集卡三豁势。 绩藤采祭过程，主要依靠工藏疆态软件来羧翻熬令系统弱硬俸设施，漭调餐 个部件的王作。组态软件遥提供了串窝的图形鼹示、数据库处理、对象连接等散 嚣营理秘麓，麓蕊爝蠹提供了较大瓣方便。缝签袈髂鹣鼗爨鬈集与控裁凌嚣楚邋 过各释驱动程序( i od r i v e r ) 来宾瑷静，这样，翻蠲软彳睾粒稠疲鹃硬锌就爵黻 实现各个工擞点数据的采鬃。 鬟态软捧除了撵供大多数鬻弼豹梭测、整露硬 孛设备麴i 。鞭爨程浮之终， 还提供麓荔数攒麾访闲工爨帮i o 驱翁稼黪歼发工鼷，帮；e d a ( e a s y d a t a b a s ea c c e s s ) 和i t e ( i od r i v e rt o o l k i t ) ，可以用采宠善浚采集系统， 翔稳蓠￥8 瓣e d a 逶行编稷，获_ i | 苕滋润内部数鼗霪。潮瘸3 2 蝥熬d l l 霹接瑟专遴 行操律，可隧实现数攘鹣袋集与擒麓，完成实验系统的测按、箍褫要求。“” 2 ，2 。2 演黎系统萋本嚣理 在绘制绘水管网的图形时，往往要根据各个节点的压力绘制簿压线，以使篱 鲻圈形装这巍菠，稳瓣予太工绘剃等压绫，不纹苇终瓣蠲，绘涮裹蕊等疆绫避凝 确。 给水管网的各个节点在平面上是离敞分布的数掇点，这然数嘏点的分布很不 畿鬟，我秘黻鬏鬟遽婆凑敬癸鑫熬数摇点建立不娥涮形鸶跫瓣三魏澎舞撂，然鬣 在三霆彩鼹攥绘襄l 篱舔线。绘露l 譬垂线翡主要逶程毯括：鑫凌迤羧三煮澎溺旗： 计算等愿点的位置；找镣聪线的起始点和追踪垒部等压点；逐接静等压点形成光 溪麴线。时“” 2 2 3 控制系统基本原理 按黎l 瓿璎黼：藏攥上一澍段鬣零辩羧系统逡疆麓毽，或骜对下瓣段琢确建 瞄索的预测德，满足羧涮瓣标及约柬条件下，生成稳成的决策，对系统迸帮撩制。 北京工业大学工学硕士学位论文 在配水系统中不确定因索一般有：用户用水量、管道c 值、阀门开启度。 薹本控制方式：蕊翔控麓( r u l e sc o n t r 0 1 ) 帮反复控嗣( r e p e t i t i v e c o n t r 0 1 ) 。 蘸一蕈中控制方式决策形成是鸯接依据前时段系统返回的测量值或者信号 送行控懿，捂令设诗为“据果那么”静影式，该静控锅方式在承厂裁永过程中 被广泛采用，是经验羧制模式的典裂方式。 反复控制机理见图2 4 ，u 为控制函数，x 为状态向量，t 为控制周期， z 为系绕多 部于撬函数，在蹿蔺t0 与tf 之间，系统当嚣狻态x ( t0 ) 及预 测干扰值反馈到控制模型，产生u ( t0 ，t0 + t ) ，对系统进行控制，每次以t 为周期完成控制过程，当t tf 时，在tf 的基础上，又蚨t 为周期完成循 环控制，预测值z 在绘承系统中为不确定因素。完成规则控制的过程眈完戏反复 控制的过程快得多。 预测毽z ( t0 ，tf ) 图2 4 反复控制机理圈 2 。3 信惠采集、演示与控制软件、硬件环境 2 。3 1 软 孛环境 给水舔统计算机演示控制和优化调度软件模块有：通讯和远动系统软件包 ( 组态软传) 、基础信息数据库、决策分析系统软传包( w a t e r c a d 等) 。 通僖释远动系统软件箱于采集供水系统孛实辍孪数据，将聚集到静数据存储， 并将来自主站的命令传输至各站点，实现自动化控制。 基础髂息数据库，提取并存储通信和远动系统软 孛包采集到的可利用数搌， 为决策支掺系统提供肖力的支持。 决策支持系统软件包是给水系统自动化控制和优化调度系统的智力组成部 第2 犟市政给水管弼系统模型 分，它形成原始的操作指令，是以供水系统优化运行( 水量水压平衡) 为骚标。 决策形藏过程有两耱方法：宏筑模墨l 往纯诵瘦帮徽蕊模遐德亿璃凄，静一释 方法要求的基础资料较少，受宏观模型的局限性限制，在先进的水司里应用较少； 后一种方法考虑了管嘲微观结构，随羞供水调发基础水平的不断提高，微观模型 饶证谶发是发震方囱。“1 本模型结合了上述两种方法的特点，由于魁实物缩微模烈，所以不受熬础资 料的限制；再者，在优化调度方面又考虑了微溅的结构及运彳亍状态，增强了优化 控制静冒行往。 2 3 。2 硬件环境 给水系统控制和优化调度硬件模块分三层：管道系统模溅模块，数据聚集系 统( 包括传感器，采集卡等) 模块，控制系统艨以及数据信号传输部分。 警道系统模型：按照绘瘩管嬲嶷嚣运行爨毽以及管段之阙翁连接方式，在实 验室内建立套管道系统模型，模拟用户，供水水源和水流农管网系统中运行状 态。 数掇采集与整割系统：在王燕场逶遘传感羧蓊采集数豢，黢送，经交嚣肇元转 入计算机，或计算机缀交际单元将信息发送传输至电动设备进行动作的过程。参 与此过程的各种硬件，如传感器，采集卡，工控机，构成了这模块的硬件系统。 pl c 摹元墨含鸯诲多餐麓按潮器，装冬蠢信号处理器酾诗算穰内器，鹱浚 集和存储信息，通过运行自身程序模块可执行幽决策层送来的命令，它们也各有 大量i o 端口( i o 卡) ，可进彳亍a d 和d a 转换，数字信号和模拟信弩可脉 滓输入耧疹送毫动输蠢等臻戆，暴露瑷场铰器豹数字信号帮羧羧落号输入输密界 面。m 3 数据的传输方式商三种：电话线( 或ist n 或pst n ) 、无线电波及电 线。蔫滚话线簧赣数摄缀暴奏，魏浆弱毫话线铬辕数摇，鬻将基遣数鬟储存在本 地，将它打包，在电话费较便宜时，传入中心计簿机；实际威用中，配水系统测 点的信息常采用无线电波的形式发送，其安装釉传输费用较低：电缆常用予近距 离数据佼输，葵鼗爨健戆懿安全慷较高。嘲崮予激上纂强，貔稻运距离静健输着 重考虑电话线传输和自够充分利用校园网的局域网传输。 2 。4 市政绘水管道系统模型 2 4 1 城市管网系统组成 城素给承管陲系绫楚鞣送饮趱零及工垒鲎羯承麴一整套设施，莛一令赉备静 管道、水源、泵站、水塔、调节阀、用户等多种设施构成的庞大而复杂的水输送 系统。给水管网系统童要可以划分为三部分，朗水源、管网和用户。1 藏露绘承管网在避季亍露，先枣绘承厂豹泵房开始，在这羹绘承热压，邋过输 配水管嗣输送给用户。单水源水厂供水由一个水厂供给整个城市的用水。一般会 设置多个水厂，对整个城市进行区域划分，由多个水厂同时供水，从而避免因城 隶遘大逡盛酶密东垂力过高，供承不足等缺点，鸯幂 j 予供永安全。对于擎个厂区 来言，有时供水达不到所需压力，域者水压变化较大，难以达到要求时，需疆设 置水塔来调节供水。考虑到系统模型模拟的实际情况，先设计戏单水源的管道模 鍪，逶避颚蟹警段，经过系统懿不凝完善，戳期避一步实瑰多承源管弼系统的模 拟。 给水管道系统连接水厂与用户，分为棱状管网和环状管网蹰耱。对于小城镶， 裙建酴敬多为技获管潮，戳嚣随着瑙永量酶发葳，可竣撮摇需袋逐步连接成为环 状网。襁供水系统中。枝状管网建设费用较低，可是供水安全性较差，所以较为 成熟的系统都为环状篱网。枝状管网每一节点处都有固定的流魑分配，环状管霹 经初分瓣戳螽，经过管弼平差，可戳确定各个管羧的流量分配，姨丽确定繇管 段的管径。系统采用应用普遍的环状管网，考虑别模拟方便，拟采用包括6 个小 环的环状鸷网。 城市绘水管两系统另一主要部分为用户，管潮系统静根本蕊豹是为了满足人 们生活和嫩产的需求，所以这部分也是主要部分之一。首先鞭满足用户的要求， 这包括滚爨郛水压要求；另乡 是一黧具体条传下躯流量是否瀵足要求的核冀，一 般有一下三种情况：( 1 ) 消防时的流基和永压要求； 2 ) 对予设置水塔麓管网的 最大转输时的流量和水压要求；( 3 ) 最不利管段发生故障时的枣故用水量和水压 要求。 第2 章市政给水管网系统模型 2 4 2 实验装置设计计算 根据实际塌地面积、设备本身的要求和水力计算结果，完成给水管道系统 援型硬件部分的接建工作。 给水管道模型实际占地面积大约1 0 平方米，即5 米$ 2 米：系统净高约为2 5 。承源莱臻瑙髑东藉，设计寨积为0 立方张，尺寸为1 寒哟。7 来枣o + 9 寒。 采用调速泵供水，考虑到节约用水，利用软管收集糖节点的出水，阐流进入 潮用承箱。兔方便良螽究善成为多永源避东系统，在管阏静舅一端秀加设一台调 速泵，此水泵也可作为另一台水泵的备用泵。为进行对鼹供水系统的实验，在管 闷末端，即节点1 2 ，设计一管段的预留端，以后可阻先善此系统，在颓留端簸 增设摸拟水塔供水装置。( 各设餐具体张藿见圈2 5 ) 2 4 2 1 管道主要设计参数 ( 1 ) 滠量、滤速 管道的设计总流量( 高日商时总流量) 为5 7 8 升秒。这望主要从两方丽 考虑：一、绦诬管遥弱予演示禳掇翁管j 童蛊径；二、僳诞流速与实际的经济滚滚 比较接邋。 给水管道系统的经济流速隧管径的不同而不简，但楚，管道流速在一般情况 下宜控制在0 ，7 2 0 舞秒的范围之内。但是，融于受仪器设备方面条件的限制， 为了能够获得易于采集的压力藏值，从有利于演示模拟的角度考虑，第二项只能 携孛考纛。 ( 2 ) 压力、水头损失 给零管弼系统静霞稼控镧主簧莜靠蓬力数据静分褥进行优纯调度静，遗遘分 析管网系统的羼力状况，主要针对以下闻题：一、管网系统压力分布不均匀，谶 成了管黼系统斡局部的聪力不足，而勇部分又产生永难过剩的浪费现象；二、 在管网系统的某部分发生突发事 牛时，2 够保涯事故嬲水量，不至于对居民的 生活产融重大影响。从以上观点出发，根据模型自身的特点，确定其环状管网部 分熬起始点拳毯为1 5 。凑。 由于模型的大小比例限制，还因为模型设计为直管段，节点问的水头损失藏 馕较小，考虑裂瓣量方馁，采取一些壤麴永头损失瓣搔簇，吴锩播蕹在下一苇漭 述；而熙，由于上述原因，在计算时宜采用压力控制的方法，通过缩小相应的锗 - 1 6 出 蚓 嘣 墨 增 脚 j l f m 划 二i # 2 ， = ，蝌 2 * 匝霎姆擦垛翻林匿她*妇1n函 。懈*啦蚪越壁蒋卟蜊馘哑#单球n _ 【。誉嚣 3 誊 奉龟 辛 啐 一 写i 甚 t群墨 鲁 *擘样 誓 啦 需 r 鼬曾蛙归悱*出 第2 章市政给水管网系统攥型 尝曼量曼皇蔓燃燃葛苎堂皇! 曼! 苎, i i , , i i ii i i 拦葛曼曼! ! 曼苎篁燃燃鼍鼍曼 径加大腰力差值。 邋遘计算确定计算参数魏下：裰设不设置对嚣承塔，高疆离时的拳头损失最 大为3 9 4 米( 计算过程见表2 一l 和表2 2 ) ；平均同平均时的水头损失最大为 2 。4 3 米( 计算过程见表2 3 和畿2 4 ) 。 2 4 2 ，2 管潮授核 ( 1 ) 消防校核 消骆时的管鼹核募，是以最离嚣孪爱水量确定的管径为基戳，按最高粥承对另 行增热消防时静流量进行分配，求出该时的管段流量和承头损失。计算时只是在 控制点另外增加一个集中的消防流嫩，按照消防的要求，着火点一般假定为两处， 驮经济焱全救受度着想，烬消防流爨一处放在羧镂点，是一鲶敫在褰二级聚涎较 远或者靠近大用户和工企业酌节点处。 消防时所需的自由水压虽然比最高用水时的自由水压要低的多，但是消防时 通过警网的流量大增，器管段的东头撰失耦应增鸯羹，承头损失可能吃最意怒承时 的要大的多，水泵扬稷有可能不麓满足消防的需要，所以需露进行消防校核。 系统从方便模拟演示的角度考虑，假设发生一次火灾，通过消防校核，确定 参数隽：瀵防时，漩防滚量定在繁患l l ，为l 舞移，总淡爨6 。7 8 $ 4 - 1 秒，拳 头损失媛大为7 1 3 米( 计算过程见袭2 5 和袭2 6 ) 。 ( 2 ) 晟不利点发生故障校核 管瓣主要管线损坏瓣鍪矮及盼狻蓥，在检修辩闯内供承爨兔诲减少。一般援 最不利管段损坏而需袋断水检修的条件，核算隳故时的流量和水压是否满足要 求。至于事故时应有的流量，在城镇为设计用水照的7 0 。 逶道爨不裂警鬏发生事兹眩躲绞孩，确定参数为：最不秘警段发生鼗滚狡核 时，总瀛最取为正常供水时的7 0 ，为4 0 5 升秒，水头损失最大为5 6 3 米 ( 计算过程见表2 7 和表2 8 ) 。 2 4 3 仪器的安装与布置 仪嚣的安装过程中，由于管喇模型是经过缩小的管髑管邀模型，医此狂在一 些毙较濮以解决的阀熬，铡如，警滋中仅器的遮撵，由于永熬比较小，管遴管径 就比较小，不容易找到参数合适的仪器设备；还肖一些仪器对安装位置两端有长 l 寰j = 盏失擎工擎鬏圭学燕诧突 袭2 - - 1 赢8 商时的供水校核计算缡慕1 p l p e r 0 摊t o l e n g t h d i a t w cf l o w v e l o c i t yh e a d t o s s h e a d o s s d o n o d en o d e( m )( m i l l ) ( 1 p s )( m p s ) ( m k m )( n 1 ) ll21 53 21 1 03 2 5 0 4 8 4 4 4 2l2 7 2l4i ，22 51 1 02 ，2 垂4 ，5 7i ，4 1 6 ，6 7l ，7 323l ；53 21 1 0l ，毒2l 、7 s1 8 2 2 60 ，2 7 4251 22 5l l o1 3 92 8 35 8 4 ，2 8o7 5361 22 5l l o1 1 32 33 9 7 0 70 4 8 545l ，52 5t 1 00 。7 4l ，5 l1 8 1 。9 60 ，2 7 7毒7i ，2 2 01 1 0l ，1 3 3 。6 1 1 ，1 9 1 + 6 7 i 4 3 8581 22 01 1 01 34 1 5 l ，5 4 1 6 7 1 8 5 956l 。52 5l l o0 3o 63 3 3 200 5 1 09i 22 01 1 0i 。衢3 + 3 5 l ，0 3 3 3 3 1 2 莲 l l彳1 0e 8l 蓦1 1 0毯4 42 。4 98 3 8 + 20 ，6 7 1 2781 51 5l l oo 3 21 8 34 7 6 ，4 7o 7 l 1 381 lo 81 5l l o0 1 8l1 5 6 + t 401 2 1 4譬sl 。51 51 1 00 ，2 8l 。s 83 6 3 4 40 ，5 5 1 5尊1 2巷。81 51 1 00 ，42 2 8彳l l 。2 70 ，5 7 1 61 01 11 + 51 51 1 00 1 50 。8 5l l 唾。碡7o 17 1 71 2l l1 51 5l l o0 1 10 6 46 7 + 3 7o ，l 袭2 2 离瑟爨游豹供痰校荣谤算络祭2 n o d en o f l o w ( 1 p s )e l e v a t i o n ( m )h g l ( m )p r e s s u r e ( m ) l5 ，4 901 51 5 2- 0 4 401 3 乍31 3 。警3 3叼。2 901