畢業(yè)設(shè)計論文-自來水公司供水系統(tǒng)遠程控制

1、<p>　自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制THE WATERWORKS OF REMNTE CONTROL </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文主要介紹了某市自來水公司的抽供水系統(tǒng)，在無線數(shù)字傳輸電臺日精ND250A的基礎(chǔ)上，通過對現(xiàn)場儀器儀表數(shù)據(jù)信息的采集和監(jiān)控，運用PLC控制系統(tǒng)及上位機監(jiān)控實現(xiàn)對該公司分散在幾公里范圍內(nèi)的

2、五個水源地的儲水量情況進行監(jiān)測與控制，并通過廠區(qū)主分站的上位機的實時顯示情況對廠區(qū)蓄水池的蓄水量狀況進行水源地抽水量的調(diào)配控制。由于該公司的各個水源地之間以及與廠區(qū)主分站之間相距的距離較遠，因此系統(tǒng)需要對相對分散的各個水源地進行集中的監(jiān)測控制與管理，并能實現(xiàn)遠程的控制。在此過程中，系統(tǒng)需要根據(jù)水源地現(xiàn)場所采集到的自來水的流量、地下水的水量、管道壓力等情況，同時還要考慮用電時刻中的波峰與波谷時段情況，通過變頻器控制實現(xiàn)水泵電機的運轉(zhuǎn)，從而

3、達到經(jīng)濟節(jié)能的效果。系統(tǒng)一旦設(shè)計成功將實現(xiàn)水源井采集地的無人值守，操作人員在廠區(qū)的主控室即可對各取水源地的水量供給情況進行集中調(diào)配控制，從而降低噸水成本，大大節(jié)省了人力與物力。同時，該系統(tǒng)具有的強大的報警和故障診斷功能, 可以方便工程師對系統(tǒng)的故障進行分析和維修；而且系統(tǒng)在軟硬件產(chǎn)品的設(shè)計和選型中, 采用了應(yīng)用較為廣泛的產(chǎn)品, 并考慮一定的余地,為將來系統(tǒng)的擴建打下了基</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)傳電臺；PL

4、C；變頻控制；上位機</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper mainly introduces the water pumping and supplying system of a water company in a city. In the basis of wireless digital transm

5、ission stations ND250A, based on field instruments data acquisition and monitoring, using PLC control system and PC monitor realization of this company, we can monitor and control the water supply of this company’s five

6、water head areas within the scope of several kilometers. And according to the real-time display of the host computer, we can control the impoun</p><p>　　Keywords: data radio station;PLC;VFC;host computer<

7、/p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p>　　第1章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成4</p><p>　　1.1 數(shù)傳電臺日精ND250A4</p><p>　　1.2 P L C控制5</p><

8、;p>　　1.2.1 P L C的概述5</p><p>　　1.2.2 P L C的特點6</p><p>　　1.2.3 P L C的應(yīng)用7</p><p>　　1.3 變頻器的介紹9</p><p>　　1.3.1 變頻調(diào)速技術(shù)9</p><p>　　1.3.2 PID調(diào)節(jié)技術(shù)9&l

9、t;/p><p>　　1.3.3 變頻調(diào)速技術(shù)與PID調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用11</p><p>　　1.4 上位機及組態(tài)軟件12</p><p>　　1.4.1 組態(tài)軟件的概述12</p><p>　　1.4.2 組態(tài)軟件的特點13</p><p>　　1.4.3 組態(tài)軟件與工控機的應(yīng)用14</p>

10、;<p>　　1.5 其它組成部分15</p><p>　　1.5.1 傳感器的應(yīng)用15</p><p>　　1.5.2 變送器的應(yīng)用15</p><p>　　第2章 水源地分站系統(tǒng)的設(shè)計17</p><p>　　2.1 水源地分站系統(tǒng)的概述17</p><p>　　2.2 分站電控柜

11、控制系統(tǒng)的設(shè)計18</p><p>　　2.3 分站變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計21</p><p>　　2.4 無線傳輸系統(tǒng)的概述21</p><p>　　2.5 數(shù)傳電臺ND250A的應(yīng)用22</p><p>　　第3章 廠區(qū)主分站系統(tǒng)的設(shè)計25</p><p>　　3.1 廠區(qū)主分站系統(tǒng)的概述25&l

12、t;/p><p>　　3.2 廠區(qū)主分站電控柜系統(tǒng)的設(shè)計25</p><p>　　3.3 廠區(qū)主分站上位控制的設(shè)計26</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計27</p><p>　　4.1 P L C系統(tǒng)軟件的設(shè)計27</p><p>　　4.1.1 順序控制的設(shè)計方法27</p>

13、<p>　　4.1.2 順序控制梯形圖的設(shè)計方法28</p><p>　　4.2 上位監(jiān)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計28</p><p><b>　　結(jié) 論33</b></p><p><b>　　附 錄34</b></p><p><b>　　參考文獻35</b&g

14、t;</p><p><b>　　謝 辭36</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　水對人類生存來說是非常重要的資源，我國的淡水資源實際上是非常緊缺的，全國城鎮(zhèn)中有1/2甚至2/3的用水都要依賴地下水資源供給，有的城市用水甚至完全依賴地下水。由于水資源控制利用的相對滯后，特別是自動化

15、控制設(shè)備方面研究的落后，使水資源得不到充分的利用，從而進一步加劇了水資源的短缺。因此研制能滿足排放要求、處理效果好、運行費用低和國產(chǎn)化程度高，且具有先進的自動控制系統(tǒng)的水資源控制處理系統(tǒng)設(shè)備隨在眉睫。</p><p>　　對于自來水公司供水系統(tǒng)的研究，國內(nèi)外自上個世紀70年代以后，特別是變頻器技術(shù)的發(fā)展在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用以來，在恒壓變頻供水上國內(nèi)外做過大量的研究和應(yīng)用，即便在國內(nèi)的自來水公司，越來越多的企業(yè)開始重視

16、恒壓供水和遠程監(jiān)控的作用，也做了大量的工作。基于工業(yè)以太網(wǎng)下的恒壓供水系統(tǒng)是目前自來水公司的一大熱點，也是未來自來水公司的一大發(fā)展趨勢。供水系統(tǒng)的總線技術(shù)上的遠程控制，無線數(shù)據(jù)傳輸通訊，變頻控制等在國內(nèi)外的應(yīng)用也越來越普及。但國內(nèi)現(xiàn)有的自來水公司目前還幾乎沒有將水泵電機分時段按照用電谷段進行自動遠程變頻控制。</p><p>　　為了滿足日益增產(chǎn)的用水量的需求，本系統(tǒng)根據(jù)自來水廠的實際情況為此自來水廠安裝了一套基

17、于無線數(shù)字傳輸電臺的自動控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以便于能及時迅速的了解和控制遠端管道及閥門。不同于一般的控制系統(tǒng)，這種新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅降低了故障率和檢修的時間，也降低了停水次數(shù)，提高了對系統(tǒng)的反應(yīng)時間。網(wǎng)絡(luò)安裝了遠端數(shù)據(jù)傳輸電臺ND250A用于傳輸各點的實時管道壓力、水流量的數(shù)據(jù)與閥門的開關(guān)狀態(tài)到水廠的運行中心。當一個遠端出現(xiàn)故障時，中心點會通過無線傳輸回的數(shù)據(jù)進行分析，找到出故障的地點，從而能在最短的時間內(nèi)解決問題，恢復(fù)供水，提高了整體的服務(wù)水平

18、，從而實現(xiàn)了水廠的信息化、現(xiàn)代化。</p><p>　　本課題在廠區(qū)的主控室組建數(shù)據(jù)采集監(jiān)控控制系統(tǒng)，在各水源地傳送點組建分站，根據(jù)管道壓力、水流量的數(shù)據(jù)與閥門的開關(guān)狀態(tài)等情況對水泵實現(xiàn)變頻控制，當水資源不充分時低頻運行或者自動停止電機。操作人員在主控室即根據(jù)系統(tǒng)的上位機所顯示的數(shù)據(jù)信息情況來監(jiān)測各水源地分站現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)。同時，根據(jù)廠區(qū)蓄水池的蓄水量給出水源井深井泵的調(diào)度信號；當出現(xiàn)現(xiàn)場故障時能及時停泵，并

19、給出報警、保護信號，實現(xiàn)供水的統(tǒng)一調(diào)度。系統(tǒng)具有就地和遠程兩種控制方式，各水源地深井泵通過電氣控制柜上的選擇開關(guān)，可以選擇就地控制方式或遠程控制方式。遠程控制是通過主控室的PLC 主操作站控制深井泵的啟停，就地控制是用控制柜上的按鈕控制泵的啟停。當PLC 或無線數(shù)字傳輸電臺處于編程狀態(tài)或出現(xiàn)故障時可以采用就地控制方式。就地和遠程控制方式相互切換不會影響深井泵的運行。其控制優(yōu)先等級為：現(xiàn)場手動→中央手動→中央自動→現(xiàn)場自動。在每臺深井泵的

20、出口都裝有壓力變送器測量水泵出水壓力，當出水壓力過低時，說明深水井無水或深井泵故障，或現(xiàn)場電源系統(tǒng)出現(xiàn)缺相、過載的情況聯(lián)鎖自動停泵等原因。主分站將通過巡檢把故障信號采集到主控室給出報警。</p><p>　　無線數(shù)據(jù)傳輸采集監(jiān)控系統(tǒng)可分為“1+5”個分站的形式，一個分站設(shè)在廠區(qū)供水設(shè)施主控室，另外五個分站分別設(shè)在各水源地的泵房。主分站對各分站進行實時數(shù)據(jù)采集的方式，并通過數(shù)據(jù)傳輸電臺日精ND250A將各水源地現(xiàn)場

21、PLC所檢測到的信號送入主分站進行相關(guān)的控制與管理；分站控制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列的相關(guān)產(chǎn)品和變頻器對水泵電機的運行狀態(tài)進行控制，同時分站控制系統(tǒng)也通過數(shù)據(jù)傳輸電臺日精ND250A和主分站進行數(shù)據(jù)傳送，分站接收主分站發(fā)送過來的命令或者相關(guān)參數(shù)進行控制，分站的數(shù)據(jù)發(fā)往主分站控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)主分站對各分站的監(jiān)控和記錄。</p><p>　　控制系統(tǒng)采用了由PLC、數(shù)據(jù)傳輸電臺、天線和工控機等組成的二級分布式

22、計算機集散控制系統(tǒng)，其中：</p><p>　　1. 泵房：各個水源地設(shè)一套現(xiàn)場控制柜, 包括西門子S7-200系列的PLC、變頻器、ND250A數(shù)據(jù)傳輸電臺以及水源井出水流量、壓力傳感器及變送器和電機電流檢測儀表。</p><p>　　2. 操作站：中心控制室由一臺工控機、一套PLC設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸電臺等組成。系統(tǒng)通過對廠區(qū)蓄水池的水量及水源地的儲水量情況，對各個水源地發(fā)出相應(yīng)的調(diào)配信號。

23、</p><p>　　工控機選用研華公司的工業(yè)控制計算機，PLC 選用西門子公司的S7-200系列，監(jiān)控軟件選用 MCGS組態(tài)軟件，上位機與PLC之間通過自由端口進行通信，可通過上位機的控制界面實現(xiàn)對控制對象的實時監(jiān)控功能, 實現(xiàn)了對水廠各個系統(tǒng)的實時監(jiān)測，以及對歷史數(shù)據(jù)的記錄和對相關(guān)被控對象的報警等相關(guān)功能。調(diào)速變頻器采用西門子MicroMaster430 型變頻器，該變頻器適用于各種變頻驅(qū)動裝置，由于其操作靈

24、活，所以在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，尤其適用于工業(yè)部門的水泵和風機。</p><p>　　自來水廠水的生產(chǎn)系統(tǒng)是一個多變量（如流量、溫度、壓力等）多任務(wù)（如水的輸送、投藥/加氯控制、格柵與排泥控制、濾池控制、出水泵起/?？刂?、壓力控制、數(shù)據(jù)管理等）多設(shè)備（如電機、閥門、泵等）并具有時變性、耦合性和隨機性的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。</p><p>　　本課題中的自來水廠按功能分為兩部分，一部分是水源地；另一

25、部分是水廠區(qū)，二者分散分布，且相距較遠。水廠區(qū)的任務(wù)是對水池的水進行消毒處理后，通過加壓泵向市區(qū)管路進行恒壓供水；而水源地的任務(wù)是通過五個深井泵組對水廠區(qū)的蓄水池進行供水，這是本課題研究的主要內(nèi)容。本自來水公司的抽供水系統(tǒng)是在無線數(shù)字傳輸電臺日精ND250A的基礎(chǔ)上，通過對現(xiàn)場儀器儀表數(shù)據(jù)信息的采集和監(jiān)控，運用PLC控制系統(tǒng)及變頻控制的方式實現(xiàn)對該公司分散在幾公里范圍內(nèi)的五個水源地的儲水量情況進行監(jiān)測與控制，并通過廠區(qū)主分站的上位機實時

26、地顯示情況，并對廠區(qū)蓄水池的蓄水量狀況進行水源地抽水量的調(diào)配控制。其監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖0-1所示：</p><p>　　圖0-1 自來水廠的系統(tǒng)監(jiān)控圖</p><p>　　整個監(jiān)控系統(tǒng)由位于水廠區(qū)的上位PC機、主分站PLC和五個水源地的五個從站PLC構(gòu)成（見圖1）。上位PC機通過與主分站PLC相連完成對整個系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)檢測、數(shù)據(jù)處理及計量等工作。主分站PLC完成兩方面任務(wù)，一是水廠區(qū)現(xiàn)場

27、數(shù)據(jù)的采集；二是與水源地的五個從站進行通信，完成水源地現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與深井泵的控制；同時在系統(tǒng)抽供水的過程中，還要考慮本市用電時段的波峰波谷情況，從自來水公司的經(jīng)濟上進行考慮（這主要通過PLC編程來實現(xiàn)）。</p><p>　　監(jiān)控系統(tǒng)的主分站和從站PLC都選用西門子S7系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其是有較強的是有較強的組網(wǎng)能力。S7系列PLC通常有四種組網(wǎng)方式：點對點、MPI多點網(wǎng)絡(luò)、PROFIBUS

28、和工業(yè)以太網(wǎng)。</p><p>　　第1章 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成</p><p>　　1.1 數(shù)傳電臺日精ND250A</p><p>　　在本系統(tǒng)中，由于各管網(wǎng)監(jiān)控點具有分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠、個別地點地處偏僻、環(huán)境惡劣等特點，所以選擇有線通信顯然不切合實際。與之相比，利用SCADA系統(tǒng)則顯得非常靈活，它具有投資少、建設(shè)周期短、實時性可靠性高、運行維護簡單等特點，而

29、且同其它傳輸設(shè)備相比具有非常高的性價比。</p><p>　　圖1-1 日精ND250A</p><p>　　SCADA系統(tǒng)主要傳輸途徑是無線數(shù)傳電臺。無線數(shù)傳電臺是集無線通訊技術(shù)、無線調(diào)制解調(diào)技術(shù)和計算機控制技術(shù)為一體的高技術(shù)產(chǎn)品，作用是建立雙向無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路，特點是數(shù)據(jù)量小、傳輸距離遠。其工作頻率大多使用220-240MHz或400-470MHz頻段，具有數(shù)話兼容、數(shù)據(jù)傳輸實時性好、

30、專用數(shù)據(jù)傳輸通道、一次建設(shè)投資、沒有運行使用費、適用于惡劣環(huán)境、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。有效覆蓋半徑約有幾十公里，可以覆蓋一個城市或一定區(qū)域。 綜合各方面的因素，我們在本課題的系統(tǒng)中采用日精系列的ND250A產(chǎn)品，該產(chǎn)品采用微處理器和先進的數(shù)字信號處理DSP芯片，借助DSP技術(shù)以軟件的方式實時地實現(xiàn)先進的無線數(shù)字調(diào)制解調(diào)算法、快速自適應(yīng)均衡算法和前向糾錯算法，從而保證了在各種惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，數(shù)據(jù)傳輸性能的穩(wěn)定性和一致性，克服了傳統(tǒng)的用硬件

31、實現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)器因溫度變化或是環(huán)境惡化帶來的性能下降的缺點。如圖1-1 所示：</p><p>　　日精ND250A等系列的數(shù)傳電臺是日本原裝產(chǎn)品，有國家信息產(chǎn)業(yè)部無線電管理局頒發(fā)的“型號核準證”，出廠標準符合歐洲工業(yè)級標準的，并且是環(huán)保產(chǎn)品（無鉛，符合歐洲RoHS環(huán)保指令），所有技術(shù)指標完全符合甚至高于國家標準，日精的ND889A、ND886A、ND250A系列數(shù)傳電臺是目前唯一通過中國國家電科院測試并允許在電

32、力系統(tǒng)自動化系統(tǒng)中使用的超短波數(shù)傳電臺，因為電力部門涉及到用電控制問題，關(guān)系到用電安全，因此對電臺的可靠性及技術(shù)指標要求高于相關(guān)國家標準，尤其是對高低溫環(huán)境特性及電磁兼容性（抗干擾）指標的要求非常高。日精電臺特別適合于在非常嚴酷環(huán)境下穩(wěn)定工作，如強電磁場（變壓器及泵站旁）、高溫（如寶鋼的煉鋼車間的運送鋼水的小火車遙控遙測，克拉瑪依油田油井監(jiān)控）、低溫（如大慶油田、東三省的電力負監(jiān)控系統(tǒng)）、潮濕（如水利防汛自動化系統(tǒng)）。 另外，其通信配套

33、產(chǎn)品，如天線、饋線、電源、避雷器、高頻接插件、串口連接線、防水膠帶等等也一應(yīng)俱全，與電臺的匹配非常好。日精電臺功耗非常小，守候電流是一般同類產(chǎn)品的產(chǎn)品的1/3不到，發(fā)射電流也要低30%以上，因為完全是FET而不是晶體管產(chǎn)品。其產(chǎn)品特點為：</p><p>　　1. 信道速率具有自適應(yīng)功能。能自動識別發(fā)送方所采用的信道速率,正確地解調(diào)各種速率的信號；因而通信網(wǎng)中的主分站或各個子站可以根據(jù)實際的通信環(huán)境或遠近采用不同

34、的通信速率，整個通信網(wǎng)不需要統(tǒng)一采用同一速率，這樣同時兼顧了通信的可靠性和有效性。</p><p>　　2. 采用高速數(shù)字信號處理DSP技術(shù)，在常規(guī)的窄帶超短波電臺的有效帶寬內(nèi)實現(xiàn)高速(19200/9600/4800bps) 數(shù)字信號的傳輸，而且可以用常規(guī)的模擬中繼臺直接進行中繼，擁有EIA RS-232C/RS485的數(shù)據(jù)接口，與PLC可以通過特制的數(shù)據(jù)線來通信。</p><p>　　3

35、. 采用快速自適應(yīng)均衡技術(shù)以消除在傳輸過程中由于多徑、（中繼）群延時引起的波形失真、混迭以獲得最佳的接收性能，解調(diào)靈敏度高，誤碼率優(yōu)于10-6</p><p>　　4. 超強的前向糾錯GF(256)Reed-Solomon碼和交織算法的結(jié)合，在惡劣的通信環(huán)境中保障了通信的可靠性；設(shè)計有Watchdog以防止在工業(yè)環(huán)境中的干擾造成意外死機；環(huán)境溫度范圍達到-40℃～+70℃，滿足設(shè)備在野外惡劣環(huán)境中的可靠運行。&l

36、t;/p><p>　　5. 支持AT指令，用戶可用軟件對數(shù)傳電臺的運行參數(shù)和狀態(tài)進行設(shè)置；高度集成化、智能化，采用全透明數(shù)據(jù)流通信方式時，延時小，能夠與PLC、PC及其他各種不同的數(shù)據(jù)終端的通信協(xié)議無縫配合；支持系統(tǒng)程序的現(xiàn)場升級， 數(shù)傳電臺的固件程序可以通過串口線升級。</p><p>　　1.2 P L C控制</p><p>　　1.2.1 P L C的概述&

37、lt;/p><p>　　PLC即可編程控制器（Programmable logic Controller），是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。</p><p>　　目前，PLC在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于鋼鐵、

38、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)，使用情況大致可歸納為如下幾類。</p><p>　　1. 開關(guān)量的邏輯控制：這是PLC最基本、最廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，它取代傳統(tǒng)的繼電器電路，實現(xiàn)邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設(shè)備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、電鍍流水線等。</p><p>　　2

39、. 模擬量控制：在工業(yè)生產(chǎn)過程當中，有許多連續(xù)變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現(xiàn)模擬量（Analog）和數(shù)字量（Digital）之間的A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換。PLC廠家都生產(chǎn)配套的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊，使可編程控制器用于模擬量控制。</p><p>　　3. 運動控制：PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制機構(gòu)配置來說，早期直接用于開關(guān)量I/O模

40、塊連接位置傳感器和執(zhí)行機構(gòu)，現(xiàn)在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅(qū)動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產(chǎn)品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。</p><p>　　4. 過程控制：過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調(diào)節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調(diào)節(jié)方法。大

41、中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　5. 數(shù)據(jù)處理：現(xiàn)代PLC具有數(shù)學運算（含矩陣運算、函數(shù)運算、邏輯運算）、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析及處理。這些數(shù)據(jù)可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功

42、能傳送到別的智能裝置，或?qū)⑺鼈兇蛴≈票怼?shù)據(jù)處理一般用于大型控制系統(tǒng)，如無人控制的柔性制造系統(tǒng)；也可用于過程控制系統(tǒng)，如造紙、冶金、食品工業(yè)中的一些大型控制系統(tǒng)。</p><p>　　6. 通信及聯(lián)網(wǎng)：PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設(shè)備間的通信。隨著計算機控制的發(fā)展，工廠自動化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新近生產(chǎn)的PLC都具有通信接口，通信非常方便

43、。</p><p>　　1.2.2 P L C的特點</p><p>　　PLC的特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：</p><p>　　1. 可靠性高，抗干擾能力強：高可靠性是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù)，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內(nèi)部電路采取了先進的抗干擾技術(shù)，具有很高的可靠性。從PLC的機外電路來說，使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng)，和同等規(guī)模

44、的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關(guān)接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中，應(yīng)用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統(tǒng)具有極高的可靠性也就不奇怪了。</p><p>　　2. 配套齊全，功能完善，適用性強，性價比高：PLC發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了大、中、小各

45、種規(guī)模的系列化產(chǎn)品。可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外，現(xiàn)代PLC大多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力，可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn)，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業(yè)控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展，使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。</p><p>　　3. 易學易用，深受工程技術(shù)人員歡迎：PLC作為通用工業(yè)控制計算機，是面向工礦企

46、業(yè)的工控設(shè)備。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關(guān)量邏輯控制指令就可以方便地實現(xiàn)繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業(yè)控制打開了方便之門。</p><p>　　4. 系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量小，維護方便，容易改造：PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設(shè)備外部的接線，使控制系統(tǒng)設(shè)

47、計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設(shè)備經(jīng)過改變程序改變生產(chǎn)過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產(chǎn)場合。</p><p>　　5. 體積小，重量輕，能耗低：復(fù)雜的控制系統(tǒng)使用PLC后，可以減少大量的中間繼電器和時間繼電器，小型的PLC的體積僅相當于幾個繼電器的大小，因此可將開關(guān)柜的體積縮小到原來的1/2至1/10。</p><p>　　PLC是配線比繼電器控

48、制系統(tǒng)的配線少的多，故可以節(jié)省大量的配線和附件，減少大量的安裝接線工時，加上開關(guān)柜體積的縮小，可以節(jié)省大量的費用。</p><p>　　1.2.3 P L C的應(yīng)用</p><p>　　PLC通電后，需要對硬件和軟件作一些初始化工作。為了使PLC的輸出及時地響應(yīng)各種輸入信號，初始化后PLC要反復(fù)不停地分階段處理各種不同的任務(wù)，這種周而復(fù)始的循環(huán)工作方式稱為掃描工作方式（見圖1-2所示）。

49、</p><p>　　當PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。</p><p>　　1. 輸入采樣階段：在輸入采樣階段，PLC以掃描方式依次地讀入所有輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并將它們存入I/O映象區(qū)中的相應(yīng)得單元內(nèi)。輸入采樣結(jié)束后，轉(zhuǎn)入用戶程序執(zhí)

50、行和輸出刷新階段。在這兩個階段中，即使輸入狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)生變化，I/O映象區(qū)中的相應(yīng)單元的狀態(tài)和數(shù)據(jù)也不會改變。因此，如果輸入是脈沖信號，則該脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期，才能保證在任何情況下，該輸入均能被讀入。</p><p>　　圖1-2 PLC的掃描工作過程</p><p>　　2. 用戶程序執(zhí)行階段：在用戶程序執(zhí)行階段，PLC總是按由上而下的順序依次地掃描用戶程序(梯形圖)。

51、在掃描每一條梯形圖時，又總是先掃描梯形圖左邊的由各觸點構(gòu)成的控制線路，并按先左后右、先上后下的順序?qū)τ捎|點構(gòu)成的控制線路進行邏輯運算，然后根據(jù)邏輯運算的結(jié)果，刷新該邏輯線圈在系統(tǒng)RAM存儲區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者刷新該輸出線圈在I/O映象區(qū)中對應(yīng)位的狀態(tài)；或者確定是否要執(zhí)行該梯形圖所規(guī)定的特殊功能指令。</p><p>　　在用戶程序執(zhí)行過程中，只有輸入點在I/O映象區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化，而其他輸出點和軟設(shè)

52、備在I/O映象區(qū)或系統(tǒng)RAM存儲區(qū)內(nèi)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)都有可能發(fā)生變化，而且排在上面的梯形圖，其程序執(zhí)行結(jié)果會對排在下面的凡是用到這些線圈或數(shù)據(jù)的梯形圖起作用；相反，排在下面的梯形圖，其被刷新的邏輯線圈的狀態(tài)或數(shù)據(jù)只能到下一個掃描周期才能對排在其上面的程序起作用。</p><p>　　3. 輸出刷新階段：當掃描用戶程序結(jié)束后，PLC就進入輸出刷新階段。在此期間，CPU按照I/O映象區(qū)內(nèi)對應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)刷新所有的輸出鎖存

53、電路，再經(jīng)輸出電路驅(qū)動相應(yīng)的外設(shè)。這時，才是PLC的真正輸出。</p><p>　　同樣的若干條梯形圖，其排列次序不同，執(zhí)行的結(jié)果也不同。另外，采用掃描用戶程序的運行結(jié)果與繼電器控制裝置的硬邏輯并行運行的結(jié)果有所區(qū)別。當然，如果掃描周期所占用的時間對整個運行來說可以忽略，那么二者之間就沒有什么區(qū)別了。一般來說，PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，如圖3所示，即一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、

54、輸出刷新等所有時間的總和。</p><p>　　在本系統(tǒng)中，P L C 控制單元是泵組管理的執(zhí)行設(shè)備，同時還是變頻器的驅(qū)動控制，根據(jù)用水量的實際變化，自動調(diào)整抽水泵的運行情況。變頻器和P L C的應(yīng)用為水泵轉(zhuǎn)速的平滑性連續(xù)調(diào)節(jié)提供了方便。水泵電機實現(xiàn)變頻軟啟動, 消除了對電網(wǎng)、電氣設(shè)備和機械設(shè)備的沖擊，延長機電設(shè)備的使用壽命。根據(jù)本系統(tǒng)的實際情況，PLC我們采用西門子S7-200 系列的相關(guān)產(chǎn)品。</p&g

55、t;<p>　　1.3 變頻器的介紹</p><p>　　1.3.1 變頻調(diào)速技術(shù)</p><p>　　近十年來，隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)字化自動控制技術(shù)的迅速的發(fā)展，電氣傳動技術(shù)面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速、計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。電機交流變頻調(diào)速技術(shù)是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要

56、手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速起動、制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其他許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最優(yōu)發(fā)展前途的調(diào)速方式。</p><p>　　據(jù)統(tǒng)計，我國的發(fā)電總量的70%左右消耗在電動機上，風機、水泵消耗我國發(fā)電總量的40%左右。用電機變頻調(diào)速來代替原有閥門調(diào)節(jié)流量，我國每年可節(jié)約用電300-400億千瓦小時。在自來水行業(yè)，變頻器主要應(yīng)用在取水泵房、送水泵房，除了可以節(jié)電，還可以平滑調(diào)節(jié)取

57、水流量、送水壓力，滿足制水、供水工藝要求。</p><p>　　變頻器是把電壓、頻率固定的交流電變成電壓、頻率可調(diào)的交流電的變換器。與外界的聯(lián)系基本上分為三部分：一是主電路接線端，包括工頻電網(wǎng)的輸入端（R、S、T），接電動機的輸出端（U、V、W）；二是控制端子，包括外部信號控制變頻器的端子，變頻器工作狀態(tài)指示端子，變頻器與微機或其他變頻器的通訊接口；三是操作面板，包括液晶顯示屏和鍵盤。</p>&l

58、t;p>　　交流異步電動機變頻調(diào)速控制的原理可由交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式得知：</p><p>　　式中，f—定子供電頻率（Hz）；</p><p><b>　　p—磁極對數(shù)；</b></p><p><b>　　s—轉(zhuǎn)差率；</b></p><p>　　n—電動機轉(zhuǎn)速（r/min）。<

59、/p><p>　　由公式可知，只要平滑地調(diào)節(jié)異步電動機的供電頻率f，就可以平滑地調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　1.3.2 PID調(diào)節(jié)技術(shù)</p><p>　　智能PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的PID調(diào)節(jié)。PID控制屬于閉環(huán)控制，閉環(huán)控制系統(tǒng)（closed-loop control system）的特點是系統(tǒng)被控對象的輸出（被控制量）會反送回來影響控制器的輸出

60、，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負反饋（ Negative Feedback），若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負反饋，又稱負反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　PID控制的原理和特點：在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定

61、性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行

62、控制的。</p><p>　　1. 比例（P）控制：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。</p><p>　　2. 積分（I）控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有

63、差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　3. 微分（D）控制：在微分控制中，控制

64、器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。</p><p>　　自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由</p><p>　　于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比

65、例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 </p><p>　　PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器

66、的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，

67、其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。現(xiàn)在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數(shù)的整定步驟如下：</p><p>　　1. 首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；</p><p>　　2. 僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系

68、數(shù)和臨界振蕩周期；</p><p>　　3. 在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數(shù)。</p><p>　　1.3.3 變頻調(diào)速技術(shù)與PID調(diào)節(jié)技術(shù)的應(yīng)用</p><p>　　對水源地抽水泵的控制采取變頻調(diào)速技術(shù)。變頻器的作用是為電機提供可變頻率的電源，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化，同時變頻器還可作為電機軟啟動裝置，限制電機的啟動電流。&

69、lt;/p><p>　　水泵屬于典型的二次方律負載，其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，機械特性曲線如圖1-3（A）所示；其功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，功率特性曲線如圖（B）所示。</p><p>　?。ˋ）機械特性 （B）功率特性</p><p>　　圖1-3 水泵機械特性圖</p><p>　　圖1-4 西門子MicroMaster430 型變

70、頻器</p><p>　　水泵用變頻器配置了進行多臺控制的切換功能；但其過載能力較低，為120%，1 min（通用變頻器為150%，1 min），因此在進行功能設(shè)置時必須注意。由于負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，當工作頻率高于額定工作頻率時，負載的轉(zhuǎn)矩有可能大大超過變頻器額定轉(zhuǎn)矩，使電機過載。所以，其最高工作頻率不得超過額定頻率。</p><p>　　根據(jù)本系統(tǒng)的實際情況，調(diào)速變頻器我們采用

71、西門子MicroMaster430 型變頻器（如圖1-4所示），該變頻器適用于各種變頻驅(qū)動裝置，由于其操作靈活，所以在</p><p>　　許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，尤其適用于工業(yè)部門的水泵和風機。</p><p>　　1.4 上位機及組態(tài)軟件</p><p>　　1.4.1 組態(tài)軟件的概述</p><p>　　如何對一個系統(tǒng)進行有效的管理和應(yīng)用

72、，而不必有過多的投入，充分利用現(xiàn)代計算機技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。減少一些硬件的投入，通過軟件實現(xiàn)硬件的功能。這就產(chǎn)生了“組態(tài)”這種技術(shù)，它充分的利用了計算機技術(shù)，又對硬件進行了有效的管理。同時也減少了一些硬件的投入。以這種“組態(tài)” 技術(shù)為依托，人們發(fā)明了“組態(tài)”軟件。</p><p>　　組態(tài)（Configuration）的意思就是模塊的任意組合，是指用軟件工具對計算機及軟件的各種資源進行配置，使計算機或軟件按照配置自

73、動地執(zhí)行特定的任務(wù)，以滿足使用者的要求。利用組態(tài)控制技術(shù)構(gòu)成的計算機測控系統(tǒng)與一般計算機測控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上沒有本質(zhì)的區(qū)別，它們都有被控對象、傳感器、I/O接口、計算機和執(zhí)行機構(gòu)等幾部分組成。采用組態(tài)技術(shù)構(gòu)成的計算機控制系統(tǒng)在硬件設(shè)計上，除采用工業(yè)PC機外，系統(tǒng)大量采用各種成熟通用的I/O接口設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備，基本不再需要單獨進行具體電路的設(shè)計。這不僅節(jié)約了硬件開發(fā)時間，更提高了工控系統(tǒng)的可靠性。在軟件設(shè)計上由于采用成熟的工控專用組態(tài)軟件進行

74、系統(tǒng)設(shè)計，軟件開發(fā)周期大大縮短了。</p><p>　　組態(tài)軟件（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制SCADA即 Supervision Control and Data Acquisition）又稱監(jiān)控組態(tài)軟件, 是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級的軟件平臺和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。組態(tài)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，它可以應(yīng)用于電力

75、系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、石油、化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制以及過程控制等諸多領(lǐng)域。 </p><p>　　組態(tài)軟件一般有圖形界面系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、第三方程序接口組件組成。圖形界面系統(tǒng)用于生成現(xiàn)場過程圖形畫面；實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于實時存儲現(xiàn)場控制點的參數(shù)；第三方程序接口組件用于組態(tài)軟件與其他應(yīng)用程序交換和數(shù)據(jù)；控制功能組件用于生成監(jiān)控所需要的控制策略。組態(tài)軟件通過I/O驅(qū)動程序從現(xiàn)場I/O設(shè)備獲得實時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行

76、必要的加工后，一方面以圖形的形式直觀地顯示在計算機屏幕上；另一方面按照組態(tài)要求和操作人員的指令將控制數(shù)據(jù)送給I/O設(shè)備，對執(zhí)行機構(gòu)實施控制或調(diào)整控制參數(shù)。</p><p>　　1.4.2 組態(tài)軟件的特點</p><p>　　組態(tài)軟件使用戶能根據(jù)自己的控制對象和控制目的任意地完成組態(tài)，完成最終的自動化控制任務(wù)，降低了系統(tǒng)集成的難度，節(jié)約了大量的設(shè)計時間，提高了系統(tǒng)的可靠性。組態(tài)軟件有以下的

77、特點：</p><p>　　1. 系統(tǒng)的可擴充性：用通用組態(tài)軟件開發(fā)的應(yīng)用程序，當現(xiàn)場（包括硬件設(shè)備或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)）或用戶需求發(fā)生改變時，不需作很多修改而方便地完成軟件的更新和升級。</p><p>　　2. 易學易用：通用組態(tài)軟件所能完成的功能都用一種方便用戶使用的方法包裝起來，對于用戶，不需掌握太多的編程語言技術(shù)（甚至不需要編程技術(shù)），就能很好地完成一個復(fù)雜工程所要求的所有功能。</

78、p><p>　　3. 通用性：用戶根據(jù)工程實際情況，利用通用組態(tài)軟件提供的底層設(shè)備（如PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/O驅(qū)動程序、開放式的數(shù)據(jù)庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)和曲線并存、具有多媒體功能和網(wǎng)絡(luò)功能的工程，不受行業(yè)限制。</p><p>　　4. 實時多任務(wù)：數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視（SCADA）、數(shù)據(jù)處理與算法實現(xiàn)、圖形顯示與人機對話、實

79、時通信、實時數(shù)據(jù)存儲與管理等多個任務(wù)可以通過組態(tài)，在同一臺計算機上同時運行。</p><p>　　5. “面向?qū)ο蟆钡木幊毯驮O(shè)計方法：組態(tài)軟件還普遍使用了“面向?qū)ο蟆钡木幊毯驮O(shè)計方法，從管理的角度來看，用組態(tài)軟件開發(fā)的系統(tǒng)具有與WINDOWS一致的圖形化操作界面，非常便于生產(chǎn)的組織與管理，使軟件更加易于學習和掌握，功能更加強大。</p><p>　　另外，組態(tài)軟件還具有接口開放、使用靈活、

80、功能多樣、運行可靠等特點。</p><p>　　1.4.3 組態(tài)軟件與工控機的應(yīng)用</p><p>　　組態(tài)軟件可讀取PLC監(jiān)測到的設(shè)備運行狀態(tài)、模擬量采樣數(shù)據(jù)等信息，根據(jù)這些實時數(shù)據(jù)，在屏幕上動態(tài)顯示整個抽供水裝置的運行情況。一旦發(fā)現(xiàn)故障報警信息，系統(tǒng)即顯示明顯報警畫面，向PLC發(fā)出相應(yīng)動作指令，保存并記憶故障發(fā)生的時間、方位和原因等原始數(shù)據(jù)，還可根據(jù)客戶需求保存歷史數(shù)據(jù)、定時、實時打

81、印數(shù)據(jù)。</p><p>　　MCGS(Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺的，用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系統(tǒng)。具有功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強的突出特點。用戶只需要通過簡單

82、的模塊化組態(tài)就可構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過組態(tài)軟件可以實現(xiàn)下列功能：</p><p>　　1. 運行方式：自動運行和手動操作相結(jié)合。</p><p>　　2. 用戶界面：界面美觀易于操作。</p><p>　　3. 實時監(jiān)控：動態(tài)顯示水源井的液壓、閥泵的開/關(guān)狀態(tài)等，模擬水流、自動控制泵閥的開關(guān)、流量的大小和電機電流等。</p><p&g

83、t;　　4. 報警功能：系統(tǒng)有自動報警的功能，并能紀錄故障時間、原因等信息。</p><p>　　5. 打印輸出：系統(tǒng)能定時或時時打印故障信息、水源井的液壓、水的流量、水泵電機電流等信息。</p><p>　　6. 保存數(shù)據(jù)：系統(tǒng)具有自動保存數(shù)據(jù)和與其它應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)的功能。</p><p>　　7. 在線幫助：系統(tǒng)提供在線幫助信息，操作員遇到問題能及時得到幫助和

84、指導(dǎo)。</p><p>　　因此，本系統(tǒng)采用北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司的通用版本的MCGS作為工控機的應(yīng)用軟件。</p><p>　　工控機（Industrial Personal Computer—IPC）即工業(yè)控制計算機，是一種加固的增強型個人計算機，專門為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計的，它可以作為一個工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行，并在屏幕上顯示各種信號變化（液壓，水位，溫度等）。IPC的

85、技術(shù)特點： </p><p>　　1. 開放兼容性好，吸收了PC機的全部功能，可直接運行PC機的各種應(yīng)用軟件，可配置實時操作系統(tǒng)，便于多任務(wù)的調(diào)度和運行。同時具有自診斷功能和 “看門狗”定時器，在因故障死機時，無需人的干預(yù)而自動復(fù)位。 </p><p>　　2. 采用總線結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計技術(shù)。CPU及各功能模塊皆使用插板式結(jié)構(gòu)，并帶有壓桿軟鎖定，提高了抗沖擊、抗振動能力。配有高度可靠的工

86、業(yè)電源，并有過壓、過流保護。可采用無源母板（底板），方便系統(tǒng)升級。 </p><p>　　3. 機箱內(nèi)裝有雙風扇，正壓對流排風，并裝有濾塵網(wǎng)用以防塵。電源及鍵盤均帶有電子鎖開關(guān)，可防止非法開、關(guān)和非法鍵盤輸入。 </p><p>　　結(jié)合組態(tài)軟件等多方面的因素考慮，我們在本本系統(tǒng)中選用研華公司的工業(yè)控制計算機。</p><p>　　1.5 其它組成部分</p

87、><p>　　本系統(tǒng)除了以上的幾個重要的組成部分外，還有一些其它的硬件設(shè)備。例如需要收集各種數(shù)據(jù)信息的傳感器、變送器和各種數(shù)字顯示儀器儀表，以及現(xiàn)場控制柜等。</p><p>　　1.5.1 傳感器的應(yīng)用</p><p>　　傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存

88、儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。通過傳感器，控制設(shè)備能“感知”生產(chǎn)進行的情況，將參數(shù)在顯示器上顯示。并根據(jù)參數(shù)實際值與設(shè)定值的偏差，按照一定的控制算法發(fā)出控制命令，控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，從而完成控制任務(wù)。根據(jù)所采集的不同參數(shù)，選擇相應(yīng)的傳感器有溫度、壓力、流量等傳感器。</p><p>　　傳感器的特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩種：</p><p>　　1.

89、傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號，傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系，即傳感器的靜態(tài)特性可用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應(yīng)的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。表征傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、分辨力和遲滯等。</p><p>　　2. 傳感器的動態(tài)特性是指傳感器在輸入變化時，它的輸出的特性。在實際工作中

90、，傳感器的動態(tài)特性常用它對某些標準輸入信號的響應(yīng)來表示。這是因為傳感器對標準輸入信號的響應(yīng)容易用實驗方法求得，并且它對標準輸入信號的響應(yīng)與它對任意輸入信號的響應(yīng)之間存在一定的關(guān)系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的標準輸入信號有階躍信號和正弦信號兩種，所以傳感器的動態(tài)特性也常用階躍響應(yīng)和頻率響應(yīng)來表示。</p><p>　　1.5.2 變送器的應(yīng)用</p><p>　　變送器（tran

91、smitter）：將物理測量信號或普通電信號轉(zhuǎn)換為標準電信號輸出或能夠以通訊協(xié)議方式輸出的設(shè)備。其遵循一個物理定律（或?qū)嶒灁?shù)學模型）將物理量的變化轉(zhuǎn)化成4-20mA（或0/4-20mADC、1-5VDC、0-10VDc）等標準信號的裝置；同時，除有傳感的功能之外還有放大整形的功能，輸出為標準的控制信號。一般分為：溫度/濕度變送器，壓力變送器，差壓變送器，液位變送器，電流變送器，電量變送器，流量變送器，重量變送器等。 </p>

92、<p>　　變送器的作用是把傳感器所收集到的現(xiàn)場信息轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC控制系統(tǒng)所能識別的數(shù)據(jù)信息。本系統(tǒng)中需要變送器轉(zhuǎn)換的參數(shù)信息有壓力、流量等。其中，壓力變送器的作用是檢測管網(wǎng)水壓及水源井的水位壓力的。這兒我們采用香港紅潤的數(shù)顯儀來顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)。其中，用液位<=>容積顯示控制儀WP-H80/H90來顯示深水井的水位變化，用流量積算顯示控制儀WP-L80、L90來顯示抽供水管路的管路流量變化，用PID參數(shù)自整定控制

93、儀/PID光柱顯示控制儀來顯示水泵電機的電壓電流信號。</p><p>　　第2章 水源地分站系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　2.1 水源地分站系統(tǒng)的概述</p><p>　　水源地分站系統(tǒng)的主要功能是完成站內(nèi)供水泵的工作狀態(tài)、運行電流、工作電壓、供水流量、壓力等數(shù)據(jù)的采集，實時向自來水公司的供水調(diào)度SCADA系統(tǒng)傳送數(shù)據(jù)，接受反饋回來的信息；同時隨時接受、執(zhí)行自

94、來水公司的供水調(diào)度主機發(fā)來的指令，將所采集的有關(guān)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)阶詠硭镜闹骺厥摇?lt;/p><p>　　本系統(tǒng)共設(shè)PLC l、PLC 2、PLC 3、PLC 4 和PLC 5五個分布控制站。各PLC分布控制站主要負責采集現(xiàn)場各個傳感器的信號，除了把信號轉(zhuǎn)換后通過遠程數(shù)傳電臺傳給上位機，由上位機進行顯示和控制外還要根據(jù)控制要求對現(xiàn)場控制柜和執(zhí)行機構(gòu)作出相應(yīng)的控制，所以各分站PLC不但具有中心控制的作用，還具有數(shù)據(jù)中

95、轉(zhuǎn)站的作用。在自動狀態(tài)下，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)對某些電機進行PID控制，以達到最優(yōu)狀態(tài)。同時，水泵在運行期間出現(xiàn)下列情況之一時，應(yīng)緊急停：</p><p><b>　　水泵不上水；</b></p><p><b>　　水泵或電機有異狀；</b></p><p>　　電機或電氣設(shè)備冒火和冒煙；</p><p>

96、;<b>　　甭提嚴重漏水。</b></p><p>　　根據(jù)水源井分站系統(tǒng)的控制功能要求來劃分，該系統(tǒng)主要由以下幾部份組成，其系統(tǒng)的組成如圖2-1所示：</p><p>　　A 檢測設(shè)備：如壓力、流量、電流、電壓傳感器或開關(guān)量等等，負責采集顯示現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。其中，系統(tǒng)采集與檢測的數(shù)據(jù)有：模擬量為電機電流、電機溫度、水泵軸溫、出水口壓力、深水井水位；數(shù)字量為電

97、機故障點。</p><p>　　B PLC（可編程控制器），含數(shù)據(jù)采集、處理軟件及與上位機的通信軟件。</p><p>　　C 數(shù)傳電臺：因各分站系統(tǒng)在環(huán)境較惡劣的野外，且與自來水公司相距較遠，因此，需要選擇環(huán)境特性良好的、功率較大的、守候電流較小的數(shù)傳電臺。</p><p>　　D 直流穩(wěn)壓電源：要求抗高頻干擾能力強、紋波小、并有足夠的帶載能力和過流、過壓保護

98、、防雷等功能。</p><p>　　E 天饋系統(tǒng)：一般采用定向高增益天線及低損耗饋線并配上優(yōu)質(zhì)的高頻接插件，有條件架高的盡量架高，以確保信號質(zhì)量；多雷地區(qū)應(yīng)配上同軸避雷器； 每個分站的定向天線一般應(yīng)對準中心站的全向天線。</p><p>　　圖2-1 水源地分站系統(tǒng)</p><p>　　2.2 分站電控柜控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　

99、　各現(xiàn)場電控柜具有兩部分功能：一是進行現(xiàn)場的手動操作，二是廠區(qū)通過數(shù)傳電臺與各個分站連接，將各現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信號傳送到主分站，并執(zhí)行相應(yīng)的動作。現(xiàn)場手動操作具有比分布控制站和中央控制室更高的優(yōu)先權(quán)，只有將狀態(tài)開關(guān)打到自動狀態(tài)，自動控制程序才起作用。其電氣控制系統(tǒng)主電路如圖2-2所示：</p><p>　　現(xiàn)場電控柜主要的元器件主要包括PLC和各種電氣控制元器件。其中，數(shù)據(jù)采集主要由PLC實現(xiàn)，PLC通過超聲波水位

100、計連續(xù)檢測水源井的水位，將水位信號進行轉(zhuǎn)換處理；電機電流、電機溫度、水泵軸溫、水管流量等傳感器，主要用于檢測水泵、電機的運行；PLC采集系統(tǒng)中的各個設(shè)備狀態(tài)的開關(guān)量信號進行處理，控制水泵的啟停。</p><p>　　圖2-2 電氣控制系統(tǒng)主電路</p><p>　　檢測需要的所有信號，經(jīng)傳感器檢測，送入相應(yīng)的信號變送器變成標準的4~20mA信號或1~5V信號，由變送器送入S7-200控制

101、器配置的I/O模塊，實現(xiàn)對原始一次信號的采集和對所檢測信號的采集與傳輸，包括所需要的電氣參數(shù)、水泵系統(tǒng)的工作狀態(tài)、故障等信號，同時能實現(xiàn)遠程操作或自動化運行控制。在本系統(tǒng)中需要輸入輸出的信號如表1所示：</p><p>　　表2-1 水源地控制系統(tǒng)的PLC選型</p><p>　　綜合水源地控制系統(tǒng)PLC選型中輸入輸出的點數(shù)及其它因素，再考慮留有20%的余量，我們最終在每個水源地控制系統(tǒng)

102、中各選定一套一個CPU224 XP模塊加一塊模擬量擴張模塊EM235(4入1出)的PLC設(shè)備，且各從站現(xiàn)場電控柜中的結(jié)構(gòu)相同，分別控制五組取水深水泵的運行及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。如圖2-3和圖2-4所示，其中，Q0.2為水位報警，Q0.3為PLC報警，Q0.4為管路流量報警。深水井的水管壓力、深井泵電壓和電流三路模擬信號的現(xiàn)場采集通過4路模擬量輸入模塊EM235實現(xiàn)。</p><p>　　水位檢測、流量檢測：超聲波水位

103、計、超聲波流量計信號接入。</p><p>　　主分站和各分站PLC的通信主要是完成水源地深井泵的控制及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。具體地說，主分站PLC的能遠程實現(xiàn)深井泵的啟停控制，而深井泵的壓力、電壓、電流和過載故障信號則由主分站PLC進行讀取。</p><p>　　圖2-3 水源井分站的CPU外部接線圖</p><p>　　圖2-4 水源井分站的模擬量擴展模塊接線圖&

104、lt;/p><p>　　2.3 分站變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　在水源地深水井泵房中，使用變頻器的主要目的是用來降低電耗、平滑調(diào)節(jié)取水流量。通過自控系統(tǒng)的PLC或利用變頻器本體的PID調(diào)節(jié)，可以讓變頻器自動調(diào)速，保持水源井水位穩(wěn)定，實現(xiàn)取水泵房的無人值守，高效、優(yōu)質(zhì)供水。 </p><p>　　當水泵變頻運行時，當變頻器的工作頻率達到50Hz，供水管網(wǎng)壓力

105、仍然低于系統(tǒng)設(shè)定的下限時，將變頻運行水泵切換至工頻運行；當供水管網(wǎng)壓力達到上限時，控制單元發(fā)出指令，自動停掉工頻運行水泵。</p><p>　　根據(jù)本控制系統(tǒng)的要求，我們在此采用西門子的MicroMaster430 型變頻器。其外部接線圖如圖2-5所示：</p><p>　　圖2-5 變頻器的外部接線圖</p><p>　　2.4 無線傳輸系統(tǒng)的概述</p