【正文】 本系統(tǒng)的亮點之處在于 PLC 自動化控制系統(tǒng) 在 根據(jù)蓄水池和水源井水位的高低 變化的同時，還充分考慮了 供電部門所規(guī)定的平段、谷段 和 峰段供電電價 在不同 時間段 不同價格的 因素，建立 了較精確的 數(shù)學模型， 來 合理調(diào)度各水源井的供水情況，自動準確發(fā)出 各水源井水泵的 啟、停命令， 合理 控制水泵的運行。 從而 提高自控系統(tǒng)的整體可靠性、可觀性 。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 25 第 3 章 廠區(qū) 主分站 系統(tǒng)的設(shè)計 廠區(qū) 主分站 系統(tǒng)的概述 廠區(qū) 主分站 系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心， 主要 完成 如下 的 功能：（ 1）對 各 分布控制站 PLC送來的數(shù)據(jù)進行分析處 理、儲存、建立全數(shù)據(jù)庫；（ 2）向 各分站的 PLC 發(fā)布指令，實時控制和調(diào)節(jié)設(shè)備運行；（ 3）顯示多幅工藝流程畫面，并實時顯示巡檢參數(shù)；（ 4）在線故障診斷、報警；（ 5）歷史趨勢顯示，模擬量數(shù)據(jù)顯示；（ 6）打印制表。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 23 圖 27 日精 ND250A的結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)實際 中各水源井與自來水公司 距離 的遠近來考慮 需要架設(shè)或不架設(shè) 中繼站 ，以保證數(shù)據(jù)的可靠穩(wěn)定的傳輸 。記錄的數(shù)據(jù)存放在中心臺計算機的數(shù)據(jù)庫中，可以隨時查詢或打印，其它計算機也可以通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)查詢。 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。 其 電氣控制系統(tǒng)主電路如圖 22 所示： 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。 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 21所示： 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， 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 。在實際工作中，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。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。 配有高度可靠的工業(yè)電源，并有過壓、過流保護。 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。 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/2020等操作系統(tǒng)。組態(tài)軟件有以下的特點： 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 。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。 上位機及 組態(tài) 軟件 組態(tài)軟件的概述 如何對一個系統(tǒng)進行有效的管理和應(yīng)用，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。利用該方法進行 PID控制器參數(shù)的整定步驟如下： 1. 首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； 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數(shù)和臨界振蕩周期； 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)。 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。 3. 微分（ D）控制 ： 在微分控制中，控制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。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。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)。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 300400 億千瓦小時。 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 。 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)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。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。 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)計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來?？梢杂糜诟鞣N規(guī)模的工業(yè)控制場合。新近生產(chǎn)的 PLC都具有通信接口，通信非常方便。大中型 PLC都有 PID 模塊，目前許多小型PLC 也具有此功能模塊。 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。 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。如圖 11 所示： 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。 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 和工業(yè)以太網(wǎng)。 本課題中的 自來水廠按功 能分為兩部分，一部分是水源地；另一部分是水廠區(qū)，二者分 散 分布，且相距較遠 。 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。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，并給出報警、保護信號，實現(xiàn)供水的統(tǒng)一調(diào)度。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。 also considering a space left, it lays the foundation for expansion the system in the future. Keywords: data radio station。 學生簽名： 日 期： 經(jīng)檢查該畢業(yè)設(shè)計（論文）為獨立完成，不存在抄襲現(xiàn)象。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 基礎(chǔ)。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。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，恢復供水，提高了整體的服務(wù)水平，從而實現(xiàn)了水廠的信息化、現(xiàn)代化。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。 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 S7200 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。 主分站 PLC 完成兩方面任務(wù)，一是水廠區(qū)現(xiàn)場數(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)） 。其 工作頻率大多使用 220240MHz 或 400470MHz 頻段，具有數(shù)話兼容、數(shù)據(jù)傳輸實時性好、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。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 。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產(chǎn)線、自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 6 電鍍流水線等。 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。數(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)。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。它接口容易，編程語言易于為工程技術(shù)人員接受。 P L C 的應(yīng)用 PLC 通電后，需要對硬件和軟件作一些初始化工作。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。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。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)進步的一種主要手段。 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。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。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。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。三種方法各有其特點，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。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。 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動地執(zhí)行特定的任務(wù)，以滿足使用者的要求 。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。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 14 另外，組態(tài)軟件還具有接口開放、使用靈活、功能多樣、運行可靠等特點。 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。 同時 具有自診斷功能 和 “ 看門狗 ”定時 器，在因故障死機時，無需人的干預而自動復位。 其它組成部分 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。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。 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。 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)中轉(zhuǎn)站的作用。 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。 如圖 23 和圖 24 所示 ， 其中 ， 水位報警， 為 PLC報警， 為管路流量報警 。 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 。 日精 ND250A 是功能比較好的一種數(shù)產(chǎn)電臺，能很好的滿足本系統(tǒng)的要求。 2. 全雙工模擬中繼 ： 找一個制高點架設(shè)一個全雙工模擬中繼臺（最好配上具有良好隔離度、低插入損耗的雙工器，這樣只需架設(shè)一條天線），該中繼臺的作用是把中心站（或分站）發(fā)來的載波信號不經(jīng)過解調(diào)恢復成數(shù)據(jù)信號這一過程，直接把接收機收到的模擬信號同時調(diào)制到發(fā)射機上轉(zhuǎn)發(fā)給分站（或中心站）。 經(jīng)各方面的考慮我們