【導讀】獻外，全部是本人在指導老師指導下的設(shè)計成果。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。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。而達到經(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。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)。

　　

【正文】 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 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 實現(xiàn)， PLC 通過超聲波水位計連續(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。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 19 圖 22 電氣控制系統(tǒng)主電路 檢測需要的所有信號，經(jīng)傳感器檢測，送入相應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 S7200 控制器配置的 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： 表 21 水源地控制系統(tǒng)的 PLC選型 輸入信號 數(shù)量 （個） 輸出信號 數(shù)量（個） 主 水泵 起動信號 1 主 電機啟動信號 1 水泵停止信號 1 主 電機停止信號 1 深水井水位信號 1（ AI） 水位報警信號 1 主 水泵運行信號 1 PLC 報警信號 1 主 電機電壓信號 1（ AI） 管路流量報警 1 主 電機電流信號 1（ AI） 變頻器控制信號 1（ AO） 自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 20 管路流量信號 1（ AI） 備用電機啟動信號 1 備用水泵起動信號 1 備用電機停止信號 1 備用水泵運行信號 1 備用電機電壓信號 1（ AI） 備用電機電流信號 1（ AI） 自動 /就地 /遠程 3 合計 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)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 23 和圖 24 所示 ， 其中 ， 水位報警， 為 PLC報警， 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)。 水位檢測、流量檢測：超聲波水位計、超聲波流量計信號接入 。 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。 水泵停止水泵啟動水泵運行就地自動遠程電機啟動電機停止水位報警PLC報警管路流量報警DP頭系統(tǒng)報警 圖 23 水源井分站的 CPU外部接線圖 自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 21 圖 24 水源井分站的 模擬量擴展模塊接線圖 分站 變頻控制 系統(tǒng) 的 設(shè)計 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。 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。 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 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，中心臺與分臺通過無線方式進行通訊連接，具體在中心臺和分臺各連接一臺無線數(shù)傳電臺，各分臺監(jiān)控設(shè)備能實時采集和記錄每個點的 相關(guān)數(shù)據(jù)信息情況 ，并通過無線數(shù)傳電臺發(fā)送給中心臺；中心臺工作人員自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 22 作出判斷并發(fā)出指令，實現(xiàn)控制設(shè)備的運行。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。 結(jié)合實際情況，本系統(tǒng)我們采用了日精 ND250A 的數(shù)傳電臺，其在系統(tǒng) 中的應用圖如圖 26所示： 圖 26 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 數(shù)傳電臺 ND250A 的應用 本 系統(tǒng)由一個 主分站 和 5 個分站組成。各分站點使用 PLC 負責采集供水管網(wǎng)的壓力、流量、液位以及控制泵房 抽 水泵的啟動、復位、停止等。采集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)傳電臺實時上傳至 主分站 。 主分站 的計算機對采集后的數(shù)據(jù)做進一步的處理和分析，來監(jiān)測整個供水管網(wǎng)的運行情況，如果出現(xiàn)某 個測量站點參數(shù)異常的情況則通過數(shù)傳電臺發(fā)送各種控制命令，來控制 分 站 PLC、變頻器 和 抽 水泵的運行，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，能很好的滿足本系統(tǒng)的要求。在使用安裝之前，我們應先認識學習一下其原理安裝結(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 。 如果系統(tǒng)中某一個或幾個分站或全部分站因為通訊距離太遠或高山、建筑物阻隔等原因無法直接與中心站進行通訊，此時需要通過架設(shè)中繼臺才能與中心站通訊，有二種中繼方案 ： 1. 數(shù)字中繼 :找一個制高點架設(shè)一個全雙工或半雙工數(shù)字中繼臺（可以是普通數(shù)傳電臺與帶數(shù)據(jù)中繼功能的 MODEM 的組合），該中繼臺的作用是把中心站（或分站）發(fā)來的載波信號進行解調(diào)恢復成數(shù)據(jù)信號，再把數(shù)據(jù)信號調(diào)制到發(fā)射機上轉(zhuǎn)發(fā)給分站（或中心站）。該中繼方式的優(yōu)點是成本較低、速率較高、可靠性較好，而且在采用半雙工數(shù)字中繼時可以收發(fā)同頻工作。缺點是半雙工數(shù)字中 繼方式的實時性較差，并且需要進行數(shù)據(jù)存儲等處理工作 ,有一定的軟件工作量，而且無法實現(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)的遠程控制 24 站及其他分站進行通話。全雙工數(shù)字中繼方式則可實現(xiàn)實時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）。該中繼方式的優(yōu)點是實時 性好、無需配MODEM 及進行數(shù)據(jù)存儲等處理工作、不影響話音通訊、實現(xiàn)起來很方便。缺點是成本較高、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)過程中信號失真的影響，對高于2400bps 的數(shù)據(jù)信號進行模擬中繼就會產(chǎn)生較大的誤碼，對某些特殊調(diào)制方式的數(shù)據(jù)信號(如 GMSK 或 CPFSK 等 )則根本無法進行中繼。 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。 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： 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：采用功率較大、連續(xù)工作能力強的數(shù)傳電臺，因為中心站的工作負荷較重，特別是在分站較多時，發(fā)射頻度會很高； 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，以確保信號質(zhì)量；多雷地區(qū)應按要求架設(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 廠區(qū)主分站 電控柜 主要 具有兩部分功能：一是 對廠區(qū)蓄水池的儲水量和進水管的水流量 進行現(xiàn)場的 檢測與控制； 二是 通過 大功率的數(shù)傳電臺 實現(xiàn) 與各個 分站 進行 連接，將各 現(xiàn)自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 26 場 設(shè)備 的 狀態(tài)信號傳送到 各分站，并執(zhí)行相應的動作 。 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)要檢測的數(shù)據(jù)信號主要包括兩部分，一是廠區(qū)蓄水池的水位變化和進出水管網(wǎng)口的水量變化；二是各水源井的儲水 情況 及 深水井水泵 電機的運行情況等。 經(jīng)各方面的考慮我們在此主分站中采用 CPU224 XP 的 PLC， 及一塊 模擬量的控制用擴展模塊EM235 來實現(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 數(shù)量（個） 輸出信號 數(shù)量（個） 蓄水池 水位信號 1（ AI） 低 水位報警信號 1 出水管路流量 1（ AI） 高水位報警信號 1 管路流量報警信號 1 故障報警信號 1 合計 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 報警， 為管路流量報警 。 蓄水池的水位和出水管管路流量這兩 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)。 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 廠區(qū)主分站上位控制系統(tǒng)主要實現(xiàn) 在 電腦上用 組態(tài)畫面上動態(tài)監(jiān)控 各個水源井水泵的運行狀態(tài)，實時顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數(shù)，超時報警，故障點自動閃爍，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)自動化軟件科技有限公司 的通用版本的 MCGS作為工控機的應用軟件 ，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。 自來水公司供水系統(tǒng)的遠程控制 27 第 4 章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 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、分段運行，該程序具有結(jié)構(gòu)清晰、簡捷、易懂，便于模擬調(diào)試、運行速度快等特點。 系統(tǒng)根據(jù)蓄水池、各個水源井的水位和壓力控制原則，自動實現(xiàn)各個水源井中水泵運行狀態(tài)的改變。 同時， 為了防止備用泵電氣設(shè)備和備用管路長期不用而導致設(shè)備受潮和出現(xiàn)其他故障未經(jīng)及時發(fā)現(xiàn)，當工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時，而不能及時投入以至影響礦井排水安全，本系統(tǒng)程序要求設(shè)計水泵能自動輪換工作?？刂瞥绦?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運行時間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動記錄累計。系統(tǒng)根據(jù)這些運行參數(shù)按一定規(guī)律自動啟停水泵 ，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當水泵在啟動或運行過程中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動停止故障水泵，投入新的水泵排水，實現(xiàn)水泵自動輪換工作，同時系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警，并在操作屏和地面操作站上動態(tài)閃爍顯示，記錄事故。達到有故障早發(fā)現(xiàn)，早處理。 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。 整 個系統(tǒng) 的控制 軟件分為上位機監(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 本系統(tǒng) PLC的編程使用 STEP 7Micro/WIN 進行 編寫，實現(xiàn) PLC 對過程數(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 PLC 進行軟件編程時一般有三種方法，即梯形圖的經(jīng)驗設(shè)計法、根據(jù)繼電器電路圖設(shè)計梯形圖的方法和順序控