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案例頻道一、引言
艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司基于動(dòng)力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)(PSMS)的能源一體化解決方案，正在朝著集成化、模塊化方向發(fā)展。艾默生公司TD2100供水專用變頻器做為智能設(shè)備接入到PSMS集中監(jiān)控系統(tǒng)中,便于集中管理,綜合控制，以及故障告警的及時(shí)有效處理。充分利用艾默生TD2100供水專用變頻器強(qiáng)大的通信聯(lián)網(wǎng)功能，逐步實(shí)現(xiàn)供水泵站的少人或無(wú)人值守，已成為供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供水壓力集中監(jiān)控的一個(gè)必不可少的部分，也是艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司一體化柔性解決方案的一種具體體現(xiàn)。
隨著高層建筑逐年增加，傳統(tǒng)的采用水箱或水塔供水方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代供水行業(yè)的要求。日常的生活用水經(jīng)常是隨時(shí)間而變化的，因季節(jié)、晝夜相差很大，用水和供水的不平衡集中表現(xiàn)在水壓上，如果用水多而供水少則水壓低，造成用水不便；用水少而供水多則水壓高，造成能源的浪費(fèi)。如何能夠根據(jù)管網(wǎng)壓力的變化進(jìn)行智能化和數(shù)字化的調(diào)節(jié)和控制，以保障供水系統(tǒng)的響應(yīng)速度和供水質(zhì)量，達(dá)到供、用水的平衡是關(guān)鍵。
艾默生公司的TD2100變頻器是集變頻和智能供水控制于一體的恒壓供水專用變頻器。它用恰當(dāng)?shù)乃秒娍胤桨竵?lái)取代小區(qū)住宅和商業(yè)大廈樓頂水箱或水塔,實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是目前較先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。采用以小區(qū)或社區(qū)為統(tǒng)一整體的供水方案，會(huì)使設(shè)備的利用率及節(jié)能比例大大提高，并減少初始投資和占地面積。TD2100供水專用變頻器以其環(huán)保、節(jié)能和供水質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)在供水行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，其中，武漢市二次供水公司小區(qū)供水壓力集中監(jiān)控系統(tǒng)就是一個(gè)典型的應(yīng)用。
二、TD2100供水專用變頻器在武漢二次供水PSMS集中監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方案
根據(jù)武漢市二次供水公司的技術(shù)要求，PSMS集中監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模如下：
● 武漢市二次供水公司設(shè)立監(jiān)控中心，并設(shè)置監(jiān)控主機(jī)；
● 監(jiān)控中心目前監(jiān)控3個(gè)小區(qū)供水站，分別為漢口2個(gè)、武昌1個(gè)；
按照監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求和傳輸資源情況，確定采用目前常用的公共電話網(wǎng)PSTN(Public Switched Telephone Network)做為傳輸資源。通過(guò)PSTN撥號(hào)MODEM輪詢的方式，將監(jiān)控信息通過(guò)MOXA多串口卡接入監(jiān)控主機(jī)。在變頻器分布區(qū)域較廣，且需要集中監(jiān)視和控制，但布線較困難，而有備用電話線使用時(shí)，這是一種理想的解決方案。利用PSMS集中監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)各供水站內(nèi)的TD2100供水專用變頻器等智能設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)控制。實(shí)時(shí)監(jiān)視各供水站中智能變頻器的運(yùn)行參數(shù)，包括輸出電壓、輸出電流、輸出頻率、輸出轉(zhuǎn)矩、管網(wǎng)壓力反饋值等重要參數(shù)；并能實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的參數(shù)修改，功能控制；當(dāng)供水系統(tǒng)或變頻器發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)MODEM自動(dòng)撥號(hào)功能，自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)先設(shè)定的電話號(hào)碼和信息，及時(shí)通知設(shè)備維護(hù)人員進(jìn)行相應(yīng)處理，可以方便地實(shí)現(xiàn)供水站的無(wú)人值守。
艾默生TD2100供水專用變頻器做為一種智能設(shè)備接入到PSMS集中監(jiān)控系統(tǒng)中，其組網(wǎng)方式如下圖所示：
在各供水站的SDA-1采集器是由SDA-IO和SDA-OCE兩部分組成，有內(nèi)置MODEM卡。SDA-1采集器除了通過(guò)SDA-IO監(jiān)測(cè)10路AI/DI及3路DO以外，還能夠通過(guò)SDA-OCE實(shí)時(shí)地采集底端TD2100智能變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并按照郵電總局規(guī)定的協(xié)議(YDN23協(xié)議)和數(shù)據(jù)規(guī)范與PSMS集中監(jiān)控中心進(jìn)行通信。
該組網(wǎng)方案具有以下幾個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)：
1. 系統(tǒng)組網(wǎng)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)化了布線，降低了安裝和維護(hù)成本。
2. 造價(jià)低，組網(wǎng)靈活，易于擴(kuò)充，公共電話網(wǎng)PSTN撥號(hào)、專線方式可選。
3. 利用MOXA多串口擴(kuò)展卡來(lái)擴(kuò)展計(jì)算機(jī)串口，可以根據(jù)實(shí)際需要的串口數(shù)量來(lái)靈活擴(kuò)充串口板的數(shù)量，一臺(tái)監(jiān)控主機(jī)最多可擴(kuò)展到4塊PCI卡共128個(gè)串口，能夠滿足絕大多數(shù)的需要。
4. MOXA C320系列智能型多串口卡帶有2個(gè)CPU，大大提升了數(shù)據(jù)的傳輸速率。
5. MOXA多串口擴(kuò)展卡的模塊化構(gòu)造，使系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)容等對(duì)串口擴(kuò)展靈活。而且各模塊、各串口之間是“相對(duì)獨(dú)立”的，即便一個(gè)串口損壞也不會(huì)影響到其他串口，導(dǎo)致其他串口都不可用，避免了“滾雪球”效應(yīng)。
6. 注意MODEM需要成對(duì)使用；且常將位于監(jiān)控中心的MODEM設(shè)置為自動(dòng)應(yīng)答方式(ATS0≠0)，而端局供水站側(cè)的MODEM應(yīng)設(shè)置為上電自動(dòng)撥號(hào)且掉線自動(dòng)重?fù)堋?/FONT>
三、TD2100供水專用變頻器的通信協(xié)議格式
艾默生TD2100供水專用變頻器帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS485通信接口：異步，半雙工。在通信過(guò)程中，一般是變頻器做為從機(jī)，而PC機(jī)(監(jiān)控主機(jī))做為主機(jī)。 采用主機(jī)“輪詢”，從機(jī)“應(yīng)答”的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。
3.1 協(xié)議幀格式
艾默生TD2100供水專用變頻器采用不定長(zhǎng)ASCII碼通信協(xié)議。數(shù)據(jù)格式如下圖所示：
其中，校驗(yàn)位可以是無(wú)校驗(yàn)(NONE)、奇校驗(yàn)(ODD)或偶校驗(yàn)(EVEN)，相應(yīng)地也就有三種數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)在串行異步通信過(guò)程中，是以數(shù)據(jù)包的形式，一幀一幀發(fā)送的。異步傳輸幀結(jié)構(gòu)如下圖所示：
在異步傳輸幀結(jié)構(gòu)中幀頭為～（7EH）；幀尾為0DH；從機(jī)地址(變頻器地址)的設(shè)定范圍為0～126，7FH（127）為廣播通信地址，各變頻器從機(jī)收到廣播地址時(shí)不必應(yīng)答，但所有從機(jī)都要響應(yīng)該命令；命令區(qū)/響應(yīng)區(qū)是指主機(jī)發(fā)生的命令和從機(jī)對(duì)命令的應(yīng)答；索引區(qū)是對(duì)命令區(qū)所發(fā)命令的進(jìn)一步解釋和補(bǔ)充，例如：同樣是變頻器停機(jī)命令，是正常停機(jī)、自由停機(jī)還是緊急停機(jī)，就要在索引區(qū)加以區(qū)別；數(shù)據(jù)區(qū)則代表了變頻器的設(shè)定頻率、運(yùn)行頻率、輸出電壓、輸出電流、當(dāng)前壓力值等參數(shù)值；校驗(yàn)和是指從“從機(jī)地址”到數(shù)據(jù)區(qū)“運(yùn)行數(shù)據(jù)”的全部字節(jié)轉(zhuǎn)換為ASCII碼的連續(xù)累加和；稱該協(xié)議為不定長(zhǎng)ASCII碼通信協(xié)議，是因?yàn)樵诖型ㄐ艂鬏數(shù)膯蝹€(gè)異步串行幀長(zhǎng)度最長(zhǎng)為18字節(jié)，而有些控制命令僅為14字節(jié)長(zhǎng)，例如：1#變頻器的開(kāi)機(jī)命令格式為：7E0102000001830D，就只有14個(gè)字節(jié)。在發(fā)送過(guò)程中，幀頭（7EH）和幀尾（0DH）直接以十六進(jìn)制發(fā)送，中間字節(jié)要先轉(zhuǎn)換成ASCII碼，再按先高位后低位的順序發(fā)送。
3.2 通信參數(shù)的設(shè)置
艾默生TD2100供水專用變頻器的主要通信參數(shù)設(shè)定，如下表所示：
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功能碼 |
名稱 |
設(shè)定范圍 |
|
0 |
基本參數(shù)設(shè)置選擇 |
0:不顯示功能碼F01-F23 1: 顯示功能碼F01-F23 |
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1 |
頻率設(shè)定方式選擇 |
0:由F02頻率數(shù)字設(shè)定 1: 上位機(jī)串行通信設(shè)定 |
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3 |
運(yùn)行命令選擇 |
0:操作面板控制 1:外部端子控制 2:串行通信控制 |
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87 |
閉環(huán)參數(shù)設(shè)置 |
0:不顯示功能碼F88-F105 1: 顯示功能碼F88-F105 |
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88 |
給定量通道選擇 |
0：數(shù)字電壓給定(功能碼F89)
1：數(shù)字壓力給定(功能碼F97)
2：由VCI模擬0～10V電壓給定
3：由CCI模擬0～10V電壓給定,或由0～20mA電流給定
注：由控制板跳線選擇CCI電壓給定還是電流給定 |
|
122 |
波特率選擇 |
0: 300BPS 1: 600BPS 2: 1200BPS 3: 2400BPS
4: 4800BPS 5: 9600BPS 6: 19200BPS 7: 38400BPS |
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123 |
數(shù)據(jù)格式 |
0: 1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)
1: 1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，偶校驗(yàn)
2: 1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇校驗(yàn) |
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124 |
本機(jī)號(hào)碼 |
0～126，127為廣播地址 |
四、武漢市自來(lái)水公司TD2100恒壓供水系統(tǒng)的基本功能
4.1 TD2100供水專用變頻器的功能及特點(diǎn)
艾默生TD2100供水專用變頻器是集供水控制和供水管理一體化的智能變頻器。內(nèi)置供水專用PID調(diào)節(jié)器，只需加一只壓力傳感器，即可方便地組成供水閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器反饋的水壓信號(hào)直接送入變頻器自帶的PID調(diào)節(jié)器輸入口，而壓力設(shè)定既可以使用變頻器的鍵盤在本地設(shè)定，也可以采用一只電位器以模擬量的形式送入。每日可設(shè)定多段壓力運(yùn)行，以適應(yīng)供水壓力的變化。TD2100供水專用變頻器的主要功能有：
- TD2100供水專用變頻器=PLC+變頻囂+PID調(diào)節(jié)器
- 全面供水解決方案，靈活配置常規(guī)泵、消防泵、休眠泵、排污泵，便于實(shí)現(xiàn)水泵房全面自動(dòng)化
- 循環(huán)泵方式：4臺(tái) 固定泵方式：7臺(tái)變頻泵固定方式最多可以控制7臺(tái)泵，可選擇“先開(kāi)先關(guān)”和“先開(kāi)后關(guān)”（適用泵容量不用場(chǎng)合）2種水泵關(guān)閉順序。變頻泵循環(huán)方式最多可以控制4臺(tái)泵，系統(tǒng)以“先開(kāi)先關(guān)”的順序關(guān)泵。
- 用戶指定—設(shè)置功能，可實(shí)現(xiàn)周末節(jié)假日等
- 6段特定日供水壓力控制
- 消防輸入和控制功能，即使變頻器故障時(shí)，仍能自動(dòng)啟動(dòng)消防泵
- 內(nèi)置進(jìn)水池、污水池水位檢測(cè)電路和邏輯控制電路，無(wú)須外加水位開(kāi)關(guān)
- 管網(wǎng)超/欠壓、火警/水池缺水等多種輸入與檢測(cè)保護(hù)，可保障供水系統(tǒng)安全
- 故障自動(dòng)電話撥號(hào)功能，方便實(shí)現(xiàn)泵房無(wú)人職守運(yùn)行
4.2 TD2100供水專用變頻器運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及控制
PSMS集中監(jiān)控系統(tǒng)能夠完成對(duì)端局變頻器及環(huán)境的實(shí)時(shí)遙測(cè)(YC)、遙信(YX)、遙控(YK)和遙調(diào)(YT)的“四遙”功能，實(shí)時(shí)監(jiān)視所有變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)視供水站的環(huán)境狀況，記錄和分析相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，達(dá)到對(duì)各地市供水站及環(huán)境的實(shí)時(shí)集中監(jiān)控。下圖是在武漢市監(jiān)控中心的監(jiān)控主機(jī)上顯示的萬(wàn)松園供水站TD2100供水專用變頻器的實(shí)時(shí)運(yùn)行界面。
監(jiān)控中心是整個(gè)PSMS集中監(jiān)控系統(tǒng)的管理中心，主要完成全網(wǎng)的監(jiān)控信息的統(tǒng)計(jì)處理及分析。監(jiān)控中心主要由監(jiān)控主機(jī)、服務(wù)器、打印機(jī)及相關(guān)附屬設(shè)備所組成。監(jiān)控主機(jī)是監(jiān)控中心的系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)，主要負(fù)責(zé)所屬被監(jiān)控供水站的監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)收集、分析、統(tǒng)計(jì)整理功能，監(jiān)控主機(jī)同時(shí)具有歷史數(shù)據(jù)保存和基本的告警功能。監(jiān)控主機(jī)軟件主要包括四個(gè)功能模塊：監(jiān)控模塊、報(bào)表模塊、管理模塊及告警模塊。監(jiān)控模塊指位于各個(gè)供水站的采集設(shè)備，主要完成變頻器、智能電量表、壓力反饋信號(hào)等監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)采集和控制，直接與監(jiān)控對(duì)象相連接；報(bào)表模塊完成基本的供水站監(jiān)控信息的查詢、統(tǒng)計(jì)、及打印功能；管理模塊主要完成人員管理和系統(tǒng)配置管理；告警模塊主要完成系統(tǒng)的告警管理功能；。
實(shí)時(shí)監(jiān)視功能
主要是TD2100變頻器從機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，包括輸出電壓，輸出電流，輸出頻率，輸出轉(zhuǎn)矩，實(shí)時(shí)壓力反饋值等重要參數(shù)。
● 實(shí)時(shí)采集供水站設(shè)備的監(jiān)控信息，并送往監(jiān)控主機(jī)；
● 實(shí)時(shí)接受和執(zhí)行來(lái)自監(jiān)控主機(jī)的監(jiān)測(cè)和控制命令；
● 對(duì)被監(jiān)控智能設(shè)備(主要包括TD2100智能變頻器、智能電表)，以串行接口的方式收集告警信息和發(fā)送監(jiān)測(cè)和控制命令。
參數(shù)設(shè)置和控制功能
主要是通過(guò)監(jiān)控主機(jī)遠(yuǎn)程對(duì)各供水站的TD2100變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和控制。在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)對(duì)端局供水站變頻器的開(kāi)機(jī)、停機(jī)、故障復(fù)位、自由停車、緊急停車、設(shè)置當(dāng)前運(yùn)行頻率給定、設(shè)置當(dāng)前運(yùn)行壓力指令等。
報(bào)表功能
監(jiān)控主機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)提供報(bào)表功能，主要功能包括：
● 顯示及打印當(dāng)前指定TD2100變頻器的運(yùn)行數(shù)據(jù)；
● 顯示及打印所指定的某一關(guān)鍵信號(hào)量的曲線；
● 顯示及打印指定TD2100變頻器的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；
● 顯示及打印某一時(shí)間段的操作記錄。
管理功能
管理功能主要包括系統(tǒng)設(shè)置和人員權(quán)限管理兩部分。系統(tǒng)設(shè)置主要用于對(duì)監(jiān)控主機(jī)工作參數(shù)的設(shè)置。人員權(quán)限管理主要是針對(duì)不同的工作人員分配不同等級(jí)的管理權(quán)限，包括系統(tǒng)管理權(quán)限，控制權(quán)限及操作權(quán)限。
軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)管理和維護(hù)人員進(jìn)行多級(jí)權(quán)限分類以區(qū)分限制各級(jí)別用戶對(duì)系統(tǒng)的訪問(wèn)和操作能力，保證系統(tǒng)操作的安全性；
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理功能
PSMS集中監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采集的TD2100變頻器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)根據(jù)系統(tǒng)的需要進(jìn)行存儲(chǔ)管理，主要包括：
● 關(guān)鍵數(shù)據(jù)定時(shí)存儲(chǔ)機(jī)制；
● 告警信息的存儲(chǔ)；
● 用戶操作記錄的存儲(chǔ)等；
故障告警處理功能
在PSMS監(jiān)控維護(hù)中心，監(jiān)控系統(tǒng)能及時(shí)檢測(cè)和報(bào)告各供水站TD2100變頻器的異常情況。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)提示告警。通過(guò)聲、光和醒目的告警提示窗口等多種手段及時(shí)反映告警信息，并能通過(guò)MODEM自動(dòng)撥打預(yù)先設(shè)定好的電話或手機(jī)號(hào)碼，方便調(diào)度人員報(bào)各部門及時(shí)處理。
監(jiān)控系統(tǒng)為用戶對(duì)系統(tǒng)所做的管理和維護(hù)操作進(jìn)行跟蹤記錄，為系統(tǒng)日后出現(xiàn)運(yùn)行事故提供輔助分析功能以追究相關(guān)的事故責(zé)任。同時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行在線運(yùn)行狀態(tài)診斷和監(jiān)測(cè)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)各功能單元故障情況，便于系統(tǒng)故障的維護(hù)處理；
五、結(jié)束語(yǔ)
武漢市自來(lái)水廠在采用了艾默生TD2100供水專用變頻器進(jìn)行變頻恒壓供水控制后,取得了十分明顯的節(jié)能效果。首先,在設(shè)計(jì)、施工中徹底取代了高位水箱、水池、水塔供水等傳統(tǒng)的供水方式，消除了水質(zhì)的二次污染；其次，該廠的供水調(diào)峰能力明顯提高，不僅對(duì)一天內(nèi)的中午和晚上的生活用水高峰，而且對(duì)由于天氣情況引起的綠化用水高峰和時(shí)間不確定的基建用水高峰，都能正確自動(dòng)調(diào)節(jié)，消除了主管網(wǎng)壓力波動(dòng)，提高了供水質(zhì)量；第三，大大降低了開(kāi)泵、切泵和停泵的次數(shù)，減少了對(duì)設(shè)備的沖擊，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命；第四，艾默生TD2100供水專用變頻器做為一種智能設(shè)備接入到PSMS集中監(jiān)控系統(tǒng)中, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)變頻器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、告警信息的實(shí)時(shí)上報(bào)，以及對(duì)被控制對(duì)象的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置和遠(yuǎn)程控制。總之，利用艾默生TD2100供水專用變頻器的遠(yuǎn)程通信組網(wǎng)功能，逐步實(shí)現(xiàn)供水泵站的少人或無(wú)人值守，已成為供水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供水壓力集中監(jiān)控的一種發(fā)展趨勢(shì)。
主要參考文獻(xiàn)：
[1] TD2100系列供水專用變頻器 用戶手冊(cè)；
[2] TD2100系列供水專用變頻器 技術(shù)手冊(cè)；
[3] 武漢二次供水監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)建議書(shū)；
[4] 艾默生TD2100供水專用變頻器串行接口通訊協(xié)議(V1.30)；
作者信息:
包培友 艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司監(jiān)控開(kāi)發(fā)部
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)