【正文】 十分浪費能源而且存在事故隱患（例如壓力過高容易造成爆管事故）。 采用 PLC控制不僅可減少人的工作量，還可以降低能源消耗和資源浪費，提高設(shè)備的可 維護性和運行的可靠性，以達到降低自來水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的。依靠現(xiàn)代化技術(shù)手段對生產(chǎn)過程進行控制和管理，提高設(shè)備運行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。由于中小型自來水廠的自動化技術(shù)改造在我國有著廣泛的前景，本控制系統(tǒng)具有較大的發(fā)展?jié)摿褪褂脙r值。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢 自來水生產(chǎn)過程自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展狀態(tài) : 水廠自動化控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有、從簡單到復(fù)雜的過程。從一開始僅有常規(guī)儀表檢測，到加藥、加氯的局部自動控制，直至九十年代，隨著可編程控制 器 (PLC)的大量 推廣使用，水廠自動化控制系統(tǒng)才真正建立起來。 PLC 具有 可 靠性高、編程簡單、使用方使、以及通訊聯(lián)網(wǎng)功能強的特點。水廠以 PLC為主 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2控 設(shè)備建立的控制系統(tǒng)一般模式為 :由設(shè)在中控室的上位監(jiān)控計算機及若干現(xiàn)場 PLC聯(lián)網(wǎng)組成集散型監(jiān)控系統(tǒng)。開始建立的系統(tǒng)，各分站以功能劃分，站內(nèi)設(shè)有監(jiān)控計算機，這是針對當時 PLC的通訊能力不夠強大，控制系統(tǒng)可靠性不高所采用的措施，即一旦其它分站出現(xiàn)故障或網(wǎng)絡(luò)中斷后，未出故障的分站還可以在局部區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)自動控制。近幾年隨著 PLC網(wǎng)絡(luò)通訊能力的增強和控制及電氣執(zhí)行 機構(gòu)可靠性的提高，這一模式逐 漸被打破。取消了各分站內(nèi)的監(jiān)控計算機，各分站的控制區(qū)域由以功能劃分改為以距離劃分，在中控室內(nèi)監(jiān)視水廠運行的全過 程，應(yīng)由分站 1控制的遠方設(shè)備工況或采集的檢測儀表參數(shù)可送入附近的分站 2通過網(wǎng)絡(luò)可靠、及時地傳輸保證系統(tǒng)的正常、協(xié)調(diào)運行。目前大部分水廠都是采用的這種模式。在這基礎(chǔ)上，對水廠自動化又提出了新要求 :即廠內(nèi)僅配備少量管理、維修人員，生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化，由中央控控制室的工業(yè)計算機實現(xiàn)監(jiān)控和管理的控 制系統(tǒng)，也稱無人值守控制系統(tǒng)。 在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起 制動控制、起制動控制、壓頻比控制及各種保護功能。應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時，保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力傳感器，對壓力進行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來看，國外的恒壓供水工程在設(shè)計時都采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式，幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水泵機組運行的情況，因而投資成本高。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并 推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本 Samco 公司，就推出了恒壓供水基板，備有“變頻泵固定方式 、“變頻泵循環(huán)方式一兩種模式，它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng) 的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內(nèi)置的電磁接觸器 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3工作，可構(gòu)成最多 7 臺電機 (泵 )的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng) (如 BA 系統(tǒng) )和組態(tài)軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且 限制了帶負載的容量，因此在實際使用時其范圍將會受到限制。 目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器 (PLC)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)：有的采用單片機及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華為 (現(xiàn)己更名為艾默生 )電氣公司和成都希望集團 (森蘭變頻器 )也推出了廈壓供水專用變頻器 (、22kw)，無需外接 PLC和 PID調(diào)節(jié)器，可完成最多 4 臺水泵的循環(huán)切換、定時起、停和定時循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量，控制要求不高的供水場所。 水廠工業(yè)自動化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢是管理控制的一體化，而現(xiàn)場總線技術(shù)的飛速發(fā)展為管理控制一體化鋪平道路。信息技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的普及，將會使管理控制一體化的重要性日益顯露，可以預(yù)見，以 PLC 為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng)向以 現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的管理控制一體化分布式網(wǎng)絡(luò)通信過渡是必然的發(fā)展趨勢。 設(shè)計原則 這次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計原則是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計要求為根本設(shè)計目標，充分考慮 給水控制 的工作環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求 的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練，盡可能采用標準化、模塊化的通用元配件， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4以降低成本，同時提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計原則，同時也考慮本次設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的特點，將大學(xué)期間所學(xué)的知識，如 電器 設(shè)計、電路 原理、 電機拖動 、 閥門控制 、傳感器、可編程控制器（ PLC）、電子技術(shù)、自動控制、機械系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運用到設(shè)計中，使得經(jīng)過本次設(shè)計對大學(xué)階 段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設(shè)計。 本課題研究的內(nèi)容 本論文主要介紹以可編程控制器 PLC為核心，提出具體實現(xiàn)小區(qū)供水自動化的基本思路和方法。 1．總體方案設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)概況和系統(tǒng)控制要求，對系統(tǒng)進行總體方案設(shè)計，進而確定系統(tǒng)的組成。 2．下位機系統(tǒng)的硬件設(shè)計。根據(jù)系統(tǒng)工藝和控制要求，設(shè)計一個以 PLC 為核心的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由電氣元件、 PLC、傳感器、現(xiàn)場機構(gòu)及監(jiān)控儀器組成。 3．系統(tǒng)的軟件設(shè)計。利用松下公司提供的 專門軟件 FPWIN GR 編制梯形圖，實現(xiàn)供水過程的自動控制。 4． 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。主要包括系統(tǒng)監(jiān)控界面設(shè)計 ,以及控制界面的后臺程序設(shè)計。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5第 2 章 PLC 的概述 PLC 的定義 可編程控制器 (Programmable Controller)是計算機家族中的一員，是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計制造的。早期的可編程控制器稱作可編程邏輯控制(Programmable Logic Controller)，簡稱 PLC，它主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著技術(shù)的 發(fā)展，這種裝置的功能已經(jīng)大大的超過了邏輯控制 的范圍。因此，今天這種裝置 稱作可編程控制器，簡稱 PC。但是為了避免與個人計算機 (Personal Computer)的簡稱混淆，所以將可編程控制器簡稱 PLC。 為了使 PLC生產(chǎn)和發(fā)展標準化，國際電工委 (IEC)先后頒布了 PLC標準草 案第一稿，第二稿，并在 1987年 2月通過對它的定義： 它是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入 /輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 總之，可編程控制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計制造的計算機。它具有豐富的輸入 /輸出接口，并且具有較強的驅(qū)動能力。但可編程控制器產(chǎn)品并不針對某一具體工業(yè)應(yīng)用，在實際應(yīng)用時，其硬件需根據(jù)實際需要進行選用配置，其軟件需根據(jù)控制要求進行設(shè)計編制。 PLC 的構(gòu)成 從結(jié)構(gòu)上分， PLC 分為整體式、模塊式和疊裝式三種。整體式 PLC 包括CPU 板、 I/O 板、顯示面板、內(nèi)存塊、電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括 CPU模塊、 I/O 模塊、內(nèi)存、電源模塊、底板或機架， 這些模塊可以按照一定 規(guī)則組合配置。疊裝式 PLC 是將整體式和模塊式兩種結(jié) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6構(gòu)的優(yōu)點結(jié)合起來。這種結(jié)構(gòu)的 CPU、電源、 I/O 等單元也是各自獨立的模塊，但它們相互的連接僅用電纜即可，并且各模塊可以疊裝在一起。 CPU 的構(gòu)成 CPU 是 PLC 的核心，起神經(jīng)中樞的作用，每套 PLC 至少有一個 CPU，它按 PLC 的系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存貯用戶程序和數(shù)據(jù)，用掃描的方式采集由現(xiàn)場輸入裝置送來的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并存入規(guī)定的寄存器中，同時，診斷電源和 PLC 內(nèi)部電路的工作狀態(tài)和編程過程中的語法錯誤等。進入運行后，從用戶程序存貯器中逐條讀取指 令，經(jīng)分析后再按指令規(guī)定的任務(wù)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，去指揮有關(guān)的控制電路。 CPU 主要由運算器、控制器、寄存器及實現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)總線構(gòu)成， CPU 單元還包括外圍芯片、總線接口及有關(guān)電路。內(nèi)存主要用于存儲程序及數(shù)據(jù)，是 PLC 不可缺少的組成單元。 在使用者看來，不必要詳細分析 CPU的內(nèi)部電路，但對各部分的工作機制還是應(yīng)有足夠的理解。 CPU的控制器控制 CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。但工作節(jié)奏由振蕩信號控制。運算器用于進行數(shù)字或邏輯運算，在控制器指揮下工作。寄存器參與運算，并存儲 運算的中間結(jié)果，它也是在控制器指揮下工作。 CPU速度和內(nèi)存容量是 PLC 的重要參數(shù)，它們決定著 PLC 的工作速度， I/O數(shù)量及軟件容量等，因此限制著控制規(guī)模。 I/O 模塊 PLC 與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（ I/O）完成的。 I/O 模塊集 成了 PLC 的 I/O 電路，其輸入暫存器反映輸入信號狀態(tài)，輸出點反映輸出鎖存器狀態(tài)。輸入模塊將電信號變換成數(shù)字信號進入 PLC 系統(tǒng)，輸出模塊相反。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7I/O 分為開關(guān)量輸入（ DI），開關(guān)量輸出（ DO），模擬量輸入（ AI），模擬量輸出（ AO）等模塊。 開關(guān)量是指只有開和關(guān)（或 1 和 0）兩種狀態(tài)的信號，模擬量是指連續(xù)變化的量。常用的 I/O 分類如下： 開關(guān)量：按電壓水平分，有 220VAC、 110VAC、 24VDC，按隔離方式分，有繼電器隔離和晶體管隔離。 模 擬 量： 按 信號 類型 分 ，有 電流 型 （ 420mA,020mA ）、 電 壓 型（ 010V,05V,1010V）等，按精度分有 12bit,14bit,16bit 等。 除了上述通用 I/O 外，還有特殊 I/O 模塊，如熱電阻、熱電偶、脈沖等模塊。 按 I/O 點數(shù)確 定模塊規(guī)格及數(shù)量，模塊可多可少，但其最大數(shù)受 CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或機架槽數(shù)限制。 電源模塊 現(xiàn)代 PLC 一般配有開關(guān)式穩(wěn)壓電源，供內(nèi)部電路使用。與普通電源相比，開關(guān)電源的輸入電壓范圍寬，體積小，質(zhì)量輕，效率高，抗干擾性能好。有的PLC 還向外提供 DC24V 的直流電源。電源輸入類型有：交流電源（ 220VAC 或110VAC），直流電源（常用的為 24VAC）。 底板或機架 大多數(shù)模塊式 PLC 使用底板或機架，其作用是：電氣上，實現(xiàn)各模塊間的聯(lián)系，使 CPU能訪問底板上的所有模塊，機械上，實現(xiàn)各模塊間的連接，使各模塊構(gòu)成一個整體。 PLC 的通信聯(lián)網(wǎng) 依靠先進的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以迅速有效地收集、傳送生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)。因 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8此，網(wǎng)絡(luò)在自動化系統(tǒng)集成工程中的重要性越來越顯著，甚至有人提出 網(wǎng)絡(luò)就是控制器 的觀點說法。 PLC 具有通信聯(lián)網(wǎng)的功能，它使 PLC 與 PLC 之間、 PLC 與上位計算機以及其他智能設(shè)備之間能夠交換信息，形成一個統(tǒng)一的整體，實現(xiàn)分散集中控制。多數(shù) PLC 具有 RS232 接口，還有一些內(nèi)置有支持各自通信協(xié)議的接口。 PLC 的基本 工作 PLC雖然具有微機的許多優(yōu)點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。微機一般采用等待命令的工作方式。有鍵按下或 1/O動作則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序，無鍵按下則繼續(xù)掃描。 PLC則采用循環(huán)掃描工作 方式，在 PLC中，用戶程序按先后順序存放， CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序， 直到遇到結(jié)束符后又返回第一條。如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序 向輸出點發(fā)出相應(yīng)的控制信號。這個工作過程分為五個階段 :自診斷，與編程器 等的通信，輸入采樣，用戶程序的執(zhí)行，輸出 刷新。其工作過程框圖如圖 21所示。 圖 21 PLC的工作原理 l、每次掃描用戶程序之前，都先執(zhí)行故障自診斷程序。自診斷內(nèi)容為 I/O部分、 存儲器、 CPU等，發(fā)現(xiàn)異常停機顯示出錯。若自診斷正常，繼續(xù)向下掃描。 PLC檢查是否有與編程器和計算機的通信請求，若有則進行相應(yīng)處理，自診斷 與編程器