【導(dǎo)讀】獻(xiàn)外，全部是本人在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下的設(shè)計(jì)成果。經(jīng)檢查該畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）為獨(dú)立完成，不存在抄襲現(xiàn)象。由于該公司的各個(gè)水源地之間以及與廠區(qū)主分站之間相距的距離較遠(yuǎn)，因此系統(tǒng)需要。而達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能的效果。系統(tǒng)一旦設(shè)計(jì)成功將實(shí)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(duì)各取水源地的水量供給情況進(jìn)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(shí)，該系統(tǒng)具有的強(qiáng)大的報(bào)警和故障診斷功能,可以方便工程。為廣泛的產(chǎn)品,并考慮一定的余地,為將來系統(tǒng)的擴(kuò)建打下了基礎(chǔ)。

　　

【正文】 場手動(dòng)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(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)控制程序才起作用。 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。其中， 數(shù)據(jù)采集主要由PLC 實(shí)現(xiàn)， PLC 通過超聲波水位計(jì)連續(xù)檢測(cè)水源井的水位，將水位信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理；電機(jī)電流、電機(jī)溫度、水泵軸溫、水管流量等傳感器，主要用于檢測(cè)水泵、電機(jī)的運(yùn)行； PLC采集系統(tǒng)中 的各個(gè)設(shè)備狀態(tài)的開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行處理，控制水泵的啟停。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 19 圖 22 電氣控制系統(tǒng)主電路 檢測(cè)需要的所有信號(hào)，經(jīng)傳感器檢測(cè)，送入相應(yīng)的信號(hào)變送器變成標(biāo)準(zhǔn)的 4~20mA 信號(hào)或 1~5V信號(hào)，由變送器送入 S7200 控制器配置的 I/O 模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始一次信號(hào)的采集 和 對(duì)所檢測(cè)信號(hào)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(hào)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作或自動(dòng)化運(yùn)行控制。 在本系統(tǒng)中需要輸入輸出的信號(hào)如表 1 所示： 表 21 水源地控制系統(tǒng)的 PLC選型 輸入信號(hào) 數(shù)量 （個(gè)） 輸出信號(hào) 數(shù)量（個(gè)） 主 水泵 起動(dòng)信號(hào) 1 主 電機(jī)啟動(dòng)信號(hào) 1 水泵停止信號(hào) 1 主 電機(jī)停止信號(hào) 1 深水井水位信號(hào) 1（ AI） 水位報(bào)警信號(hào) 1 主 水泵運(yùn)行信號(hào) 1 PLC 報(bào)警信號(hào) 1 主 電機(jī)電壓信號(hào) 1（ AI） 管路流量報(bào)警 1 主 電機(jī)電流信號(hào) 1（ AI） 變頻器控制信號(hào) 1（ AO） 自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 20 管路流量信號(hào) 1（ AI） 備用電機(jī)啟動(dòng)信號(hào) 1 備用水泵起動(dòng)信號(hào) 1 備用電機(jī)停止信號(hào) 1 備用水泵運(yùn)行信號(hào) 1 備用電機(jī)電壓信號(hào) 1（ AI） 備用電機(jī)電流信號(hào) 1（ AI） 自動(dòng) /就地 /遠(yuǎn)程 3 合計(jì) 數(shù)字 8 I/ 7 O。 模擬 6 I/ 1 O 綜合水源地控制系統(tǒng) PLC 選型中輸入輸出的點(diǎn)數(shù)及其它因素，再考慮留有 20%的余量，我們最終在每個(gè)水源地控制系統(tǒng)中各選定一套 一個(gè) CPU224 XP 模塊加一 塊模擬量擴(kuò)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(yùn)行及現(xiàn)場數(shù)據(jù) 的 采集 。 如圖 23 和圖 24 所示 ， 其中 ， 水位報(bào)警， 為 PLC報(bào)警， 為管路流量報(bào)警 。深 水 井的水管壓力、深井泵電壓和電流三路模擬信號(hào)的現(xiàn)場采集通過 4路模擬量輸入模塊 EM235實(shí) 現(xiàn)。 水位檢測(cè)、流量檢測(cè)：超聲波水位計(jì)、超聲波流量計(jì)信號(hào)接入 。 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(yuǎn)程 實(shí)現(xiàn) 深井泵的啟?？刂疲罹玫膲毫?、電壓、電流和過載故障信號(hào)則由主分站 PLC進(jìn)行讀取。 水泵停止水泵啟動(dòng)水泵運(yùn)行就地自動(dòng)遠(yuǎn)程電機(jī)啟動(dòng)電機(jī)停止水位報(bào)警PLC報(bào)警管路流量報(bào)警DP頭系統(tǒng)報(bào)警 圖 23 水源井分站的 CPU外部接線圖 自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 21 圖 24 水源井分站的 模擬量擴(kuò)展模塊接線圖 分站 變頻控制 系統(tǒng) 的 設(shè)計(jì) 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(dòng)調(diào)速，保持 水源井水位穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)取水泵房的無人值守，高效、優(yōu)質(zhì)供水。 當(dāng)水泵變頻運(yùn)行時(shí)，當(dāng)變頻器的工作頻率達(dá)到 50Hz，供水管網(wǎng)壓力仍然低于系統(tǒng)設(shè)定的下限時(shí)， 將變頻運(yùn)行水泵切換至工頻運(yùn)行；當(dāng)供水管網(wǎng)壓力達(dá)到上限時(shí)，控制單元發(fā)出指令，自動(dòng)停掉工頻運(yùn)行水泵。 根據(jù)本控制系統(tǒng)的要求，我們?cè)诖瞬捎?西門子 的 MicroMaster430 型變頻器 。其外部接線圖如圖 25所示： 圖 25 變頻器的外部接線圖 無線 傳輸系統(tǒng)的概述 主 分站和各 水源地 分 站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。 由于系統(tǒng)點(diǎn)多而分散 ,所以非常適合采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，中心臺(tái)與分臺(tái)通過無線方式進(jìn)行通訊連接，具體在中心臺(tái)和分臺(tái)各連接一臺(tái)無線數(shù)傳電臺(tái)，各分臺(tái)監(jiān)控設(shè)備能實(shí)時(shí)采集和記錄每個(gè)點(diǎn)的 相關(guān)數(shù)據(jù)信息情況 ，并通過無線數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送給中心臺(tái)；中心臺(tái)工作人員自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 22 作出判斷并發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)控制設(shè)備的運(yùn)行。記錄的數(shù)據(jù)存放在中心臺(tái)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)庫中，可以隨時(shí)查詢或打印，其它計(jì)算機(jī)也可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。 結(jié)合實(shí)際情況，本系統(tǒng)我們采用了日精 ND250A 的數(shù)傳電臺(tái)，其在系統(tǒng) 中的應(yīng)用圖如圖 26所示： 圖 26 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 數(shù)傳電臺(tái) ND250A 的應(yīng)用 本 系統(tǒng)由一個(gè) 主分站 和 5 個(gè)分站組成。各分站點(diǎn)使用 PLC 負(fù)責(zé)采集供水管網(wǎng)的壓力、流量、液位以及控制泵房 抽 水泵的啟動(dòng)、復(fù)位、停止等。采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)傳電臺(tái)實(shí)時(shí)上傳至 主分站 。 主分站 的計(jì)算機(jī)對(duì)采集后的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理和分析，來監(jiān)測(cè)整個(gè)供水管網(wǎng)的運(yùn)行情況，如果出現(xiàn)某 個(gè)測(cè)量站點(diǎn)參數(shù)異常的情況則通過數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送各種控制命令，來控制 分 站 PLC、變頻器 和 抽 水泵的運(yùn)行，以避免出現(xiàn)空抽、管道壓力過大等可能發(fā)生的問題。 日精 ND250A 是功能比較好的一種數(shù)產(chǎn)電臺(tái)，能很好的滿足本系統(tǒng)的要求。在使用安裝之前，我們應(yīng)先認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)一下其原理安裝結(jié)構(gòu)圖（如圖 27 所示）。 由圖可知，我們可以很方便的通過 DB9 母型插座及相連的數(shù)據(jù)線來實(shí)現(xiàn)與各分站控制柜相關(guān)設(shè)備的相連。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 23 圖 27 日精 ND250A的結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)實(shí)際 中各水源井與自來水公司 距離 的遠(yuǎn)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 。 如果系統(tǒng)中某一個(gè)或幾個(gè)分站或全部分站因?yàn)橥ㄓ嵕嚯x太遠(yuǎn)或高山、建筑物阻隔等原因無法直接與中心站進(jìn)行通訊，此時(shí)需要通過架設(shè)中繼臺(tái)才能與中心站通訊，有二種中繼方案 ： 1. 數(shù)字中繼 :找一個(gè)制高點(diǎn)架設(shè)一個(gè)全雙工或半雙工數(shù)字中繼臺(tái)（可以是普通數(shù)傳電臺(tái)與帶數(shù)據(jù)中繼功能的 MODEM 的組合），該中繼臺(tái)的作用是把中心站（或分站）發(fā)來的載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)恢復(fù)成數(shù)據(jù)信號(hào)，再把數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到發(fā)射機(jī)上轉(zhuǎn)發(fā)給分站（或中心站）。該中繼方式的優(yōu)點(diǎn)是成本較低、速率較高、可靠性較好，而且在采用半雙工數(shù)字中繼時(shí)可以收發(fā)同頻工作。缺點(diǎn)是半雙工數(shù)字中 繼方式的實(shí)時(shí)性較差，并且需要進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等處理工作 ,有一定的軟件工作量，而且無法實(shí)現(xiàn)話音中繼，因此需要中繼的分站不能與中心自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 24 站及其他分站進(jìn)行通話。全雙工數(shù)字中繼方式則可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)中繼及話音中繼功能 ,但必需收發(fā)異頻 。 2. 全雙工模擬中繼 ： 找一個(gè)制高點(diǎn)架設(shè)一個(gè)全雙工模擬中繼臺(tái)（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(tái)的作用是把中心站（或分站）發(fā)來的載波信號(hào)不經(jīng)過解調(diào)恢復(fù)成數(shù)據(jù)信號(hào)這一過程，直接把接收機(jī)收到的模擬信號(hào)同時(shí)調(diào)制到發(fā)射機(jī)上轉(zhuǎn)發(fā)給分站（或中心站）。該中繼方式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí) 性好、無需配MODEM 及進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等處理工作、不影響話音通訊、實(shí)現(xiàn)起來很方便。缺點(diǎn)是成本較高、必須要收發(fā)異頻工作，另外由于受帶寬的限制及轉(zhuǎn)發(fā)過程中信號(hào)失真的影響，對(duì)高于2400bps 的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行模擬中繼就會(huì)產(chǎn)生較大的誤碼，對(duì)某些特殊調(diào)制方式的數(shù)據(jù)信號(hào)(如 GMSK 或 CPFSK 等 )則根本無法進(jìn)行中繼。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 25 第 3 章 廠區(qū) 主分站 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(duì) 各 分布控制站 PLC送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處 理、儲(chǔ)存、建立全數(shù)據(jù)庫；（ 2）向 各分站的 PLC 發(fā)布指令，實(shí)時(shí)控制和調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行；（ 3）顯示多幅工藝流程畫面，并實(shí)時(shí)顯示巡檢參數(shù)；（ 4）在線故障診斷、報(bào)警；（ 5）歷史趨勢(shì)顯示，模擬量數(shù)據(jù)顯示；（ 6）打印制表。 為完成本系統(tǒng)控制功能的要求， 廠區(qū) 主分站 系統(tǒng)主要 由以下幾部份組成 ，如圖 31 所示 ： A 主機(jī)： PC 或服務(wù)器； B 系統(tǒng)軟件：含數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)庫處理； C 數(shù)傳電臺(tái)：采用功率較大、連續(xù)工作能力強(qiáng)的數(shù)傳電臺(tái)，因?yàn)橹行恼镜墓ぷ髫?fù)荷較重，特別是在分站較多時(shí)，發(fā)射頻度會(huì)很高； D 直流穩(wěn)壓電源：要求抗高頻干擾能力強(qiáng) 、紋波小、并有足夠的帶載能力及連續(xù)工作能力 （ 最好還具有電流電壓指示、過流、過壓保防雷護(hù)及等功能，一般選用線性電源為好 ） ； E 天饋系統(tǒng)：一般采用全向高增益天線及低損耗饋線或饋管并配上優(yōu)質(zhì)的高 頻接插件，有條件架高的盡量架高，以確保信號(hào)質(zhì)量；多雷地區(qū)應(yīng)按要求架設(shè)避雷針、配上同軸避雷器。 圖 31 廠區(qū)主分站系統(tǒng)組成 廠區(qū) 主分站 電控柜 系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 廠區(qū)主分站 電控柜 主要 具有兩部分功能：一是 對(duì)廠區(qū)蓄水池的儲(chǔ)水量和進(jìn)水管的水流量 進(jìn)行現(xiàn)場的 檢測(cè)與控制； 二是 通過 大功率的數(shù)傳電臺(tái) 實(shí)現(xiàn) 與各個(gè) 分站 進(jìn)行 連接，將各 現(xiàn)自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 26 場 設(shè)備 的 狀態(tài)信號(hào)傳送到 各分站，并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作 。 電控柜主要的元器件主要包括 PLC和各種電氣控制元器件。 主分站控制系統(tǒng)要檢測(cè)的數(shù)據(jù)信號(hào)主要包括兩部分，一是廠區(qū)蓄水池的水位變化和進(jìn)出水管網(wǎng)口的水量變化；二是各水源井的儲(chǔ)水 情況 及 深水井水泵 電機(jī)的運(yùn)行情況等。 經(jīng)各方面的考慮我們?cè)诖酥鞣终局胁捎?CPU224 XP 的 PLC， 及一塊 模擬量的控制用擴(kuò)展模塊EM235 來實(shí)現(xiàn) ，其 廠區(qū)主控制室控制系統(tǒng)的 PLC 選型如表 31 所示： 表 31 廠區(qū)主控制室控制系統(tǒng)的 PLC選型 輸入信號(hào) 數(shù)量（個(gè)） 輸出信號(hào) 數(shù)量（個(gè)） 蓄水池 水位信號(hào) 1（ AI） 低 水位報(bào)警信號(hào) 1 出水管路流量 1（ AI） 高水位報(bào)警信號(hào) 1 管路流量報(bào)警信號(hào) 1 故障報(bào)警信號(hào) 1 合計(jì) 數(shù)字 0 I/4 O ；模擬 2 I 此站中的 PLC 外部接線圖如圖 32 所示 ， 其中 ， 為 故障 報(bào)警， 為管路流量報(bào)警 。 蓄水池的水位和出水管管路流量這兩 路模擬信號(hào)的現(xiàn)場采集通過 4 路模擬量輸入模塊 EM235實(shí)現(xiàn)。 圖 32 主分站 PLC的外部接線圖 廠區(qū) 主分站 上位 控制的設(shè)計(jì) 廠區(qū)主分站上位控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn) 在 電腦上用 組態(tài)畫面上動(dòng)態(tài)監(jiān)控 各個(gè)水源井水泵的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數(shù)，超時(shí)報(bào)警，故障點(diǎn)自動(dòng)閃爍，具有故障記錄，支持歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。 從而 提高自控系統(tǒng)的整體可靠性、可觀性 。 在本系統(tǒng)中， 監(jiān)控軟件 我們 選用 北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司 的通用版本的 MCGS作為工控機(jī)的應(yīng)用軟件 ，上位機(jī)與 PLC之間通過 自由端口 進(jìn)行通信，可通過上位機(jī)的控制界面實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能 , 實(shí)現(xiàn)了對(duì)水廠各個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及對(duì)歷史數(shù)據(jù)的記錄和對(duì)相關(guān)被控對(duì)象的報(bào)警等相關(guān)功能。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制 27 第 4 章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) PLC 控制程序采用模 塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可按程序模塊分段調(diào)試、分段運(yùn)行，該程序具有結(jié)構(gòu)清晰、簡捷、易懂，便于模擬調(diào)試、運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。 系統(tǒng)根據(jù)蓄水池、各個(gè)水源井的水位和壓力控制原則，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)水源井中水泵運(yùn)行狀態(tài)的改變。 同時(shí)， 為了防止備用泵電氣設(shè)備和備用管路長期不用而導(dǎo)致設(shè)備受潮和出現(xiàn)其他故障未經(jīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時(shí)，而不能及時(shí)投入以至影響礦井排水安全，本系統(tǒng)程序要求設(shè)計(jì)水泵能自動(dòng)輪換工作?？刂瞥绦?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運(yùn)行時(shí)間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動(dòng)記錄累計(jì)。系統(tǒng)根據(jù)這些運(yùn)行參數(shù)按一定規(guī)律自動(dòng)啟停水泵 ，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當(dāng)水泵在啟動(dòng)或運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止故障水泵，投入新的水泵排水，實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)輪換工作，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并在操作屏和地面操作站上動(dòng)態(tài)閃爍顯示，記錄事故。達(dá)到有故障早發(fā)現(xiàn)，早處理。 本系統(tǒng)的亮點(diǎn)之處在于 PLC 自動(dòng)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(shí)，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(jià) 在不同 時(shí)間段 不同價(jià)格的 因素，建立 了較精確的 數(shù)學(xué)模型， 來 合理調(diào)度各水源井的供水情況，自動(dòng)準(zhǔn)確發(fā)出 各水源井水泵的 啟、停命令， 合理 控制水泵的運(yùn)行。 整 個(gè)系統(tǒng) 的控制 軟件分為上位機(jī)監(jiān)控軟件和現(xiàn)場 PLC 控制軟件。 P L C 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng) PLC的編程使用 STEP 7Micro/WIN 進(jìn)行 編寫，實(shí)現(xiàn) PLC 對(duì)過程數(shù)據(jù)的初步處理。在 STEP7 中，有 3 種編程語言可用來編程，分別是梯形圖（ LAD）、語句表（ STL）和 功能塊（ FBD） ， 這里我們采用梯形圖編程。 對(duì) PLC 進(jìn)行軟件編程時(shí)一般有三種方法，即梯形圖的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、根據(jù)繼電器電路圖設(shè)計(jì)梯形圖的方法和順序控