XXXX届
分类号： 单位代码：
XXX大学
学士学位毕业设计(论文)
自来水公司供水系统的远程控制
姓 名 学 号 年 级
专 业 电气工程及其自动化 系（院） 指导教师
XXXX年XX月XX日
THE WATERWORKS OF REMNTE CONTROL
by
Supervisor:
诚 信 声 明
本人呈交给XX大学的这篇毕业论文，除了所注参考文献和世所公认的文献外，全部是本人在指导老师指导下的设计成果。
学生签名： 日 期：
经检查该毕业设计（论文）为独立完成，不存在抄袭现象。
指导老师签名： 日 期：
自来水公司供水系统的远程控制
摘 要
本文主要介绍了某市自来水公司的抽供水系统，在无线数字传输电台日精ND250A的基础上，通过对现场仪器仪表数据信息的采集和监控，运用PLC控制系统及上位机监控实现对该公司分散在几公里范围内的五个水源地的储水量情况进行监测与控制，并通过厂区主分站的上位机的实时显示情况对厂区蓄水池的蓄水量状况进行水源地抽水量的调配控制。由于该公司的各个水源地之间以及与厂区主分站之间相距的距离较远，因此系统需要对相对分散的各个水源地进行集中的监测控制与管理，并能实现远程的控制。在此过程中，系统需要根据水源地现场所采集到的自来水的流量、地下水的水量、管道压力等情况，同时还要考虑用电时刻中的波峰与波谷时段情况，通过变频器控制实现水泵电机的运转，从而达到经济节能的效果。系统一旦设计成功将实现水源井采集地的无人值守，操作人员在厂区的主控室即可对各取水源地的水量供给情况进行集中调配控制，从而降低吨水成本，大大节省了人力与物力。同时，该系统具有的强大的报警和故障诊断功能, 可以方便工程师对系统的故障进行分析和维修；而且系统在软硬件产品的设计和选型中, 采用了应用较为广泛的产品, 并考虑一定的余地,为将来系统的扩建打下了基础。
关键词：数传电台；PLC；变频控制；上位机
自来水公司供水系统的远程控制
Abstract
This paper mainly introduces the water pumping and supplying system of a water company in a city. In the basis of wireless digital transmission 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 water head areas within the scope of several kilometers. And according to the real-time display of the host computer, we can control the impoundment of impounding reservoir and the quantity of the water pumping from the resource. Because it is a long distance between the company’s water resource and they are also far away from the factory master-substation. Therefore the system needs to make all relative scattered source on the centralized management and control and monitoring, and to realize the remote control. In this process, according to the flow rate of water, the discharge of groundwater and the water pipe pressure, etc，also considering the peaks and troughs electricity time period, the system needs to control the operation of pump motor through the inverter. So we can achieve economic energy saving effect. Once the system is designed successful, it will be the fact that the water Wells collecting zone is unattended, and the operator can centralized allocate and control the water supply from each of the water source in the factory’s control centre room, so as to reduce the cost of storage water and save manpower and physical resources. At the same time, the system has powerful alarm and fault diagnosis function, and the engineers can easily make the system for failure analysis and maintenance; at the same time, in the design and selection of software and hardware products, systems use the widely application products; also considering a space left, it lays the foundation for expansion the system in the future.
Keywords: data radio station;PLC;VFC;host computer
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目 录
前 言 ...................................................................... 1 第1章 系统的硬件构成 ....................................................... 4
1.1 数传电台日精ND250A ................................................. 4 1.2 P L C控制 ......................................................... 5
1.2.1 P L C的概述 ................................................. 5 1.2.2 P L C的特点 ................................................. 6 1.2.3 P L C的应用 ................................................. 7 1.3 变频器的介绍 ....................................................... 9
1.3.1 变频调速技术 ................................................. 9 1.3.2 PID调节技术 ................................................. 9 1.3.3 变频调速技术与PID调节技术的应用 ............................ 11 1.4 上位机及组态软件 .................................................. 12
1.4.1 组态软件的概述 .............................................. 12 1.4.2 组态软件的特点 .............................................. 13 1.4.3 组态软件与工控机的应用 ...................................... 14 1.5 其它组成部分 ...................................................... 15
1.5.1 传感器的应用 ................................................ 15 1.5.2 变送器的应用 ................................................ 15
第2章 水源地分站系统的设计 ................................................ 17
2.1 水源地分站系统的概述 .............................................. 17 2.2 分站电控柜控制系统的设计 .......................................... 18 2.3 分站变频控制系统的设计 ............................................ 21 2.4 无线传输系统的概述 ................................................ 21 2.5 数传电台ND250A的应用 ............................................. 22 第3章 厂区主分站系统的设计 ............................................... 25
3.1 厂区主分站系统的概述 .............................................. 25 3.2 厂区主分站电控柜系统的设计 ........................................ 25 3.3 厂区主分站上位控制的设计 .......................................... 26 第4章 系统软件的设计 ..................................................... 27
4.1 P L C系统软件的设计 .............................................. 27
4.1.1 顺序控制的设计方法 .......................................... 27 4.1.2 顺序控制梯形图的设计方法 .................................... 28
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4.2 上位监控系统软件的设计 ............................................ 28 结 论 ..................................................................... 33 附 录 ..................................................................... 34 参考文献 ................................................................... 35 谢 辞 ..................................................................... 36
自来水公司供水系统的远程控制
前 言
水对人类生存来说是非常重要的资源，我国的淡水资源实际上是非常紧缺的，全国城镇中有1/2甚至2/3的用水都要依赖地下水资源供给，有的城市用水甚至完全依赖地下水。由于水资源控制利用的相对滞后，特别是自动化控制设备方面研究的落后，使水资源得不到充分的利用，从而进一步加剧了水资源的短缺。因此研制能满足排放要求、处理效果好、运行费用低和国产化程度高，且具有先进的自动控制系统的水资源控制处理系统设备随在眉睫。
对于自来水公司供水系统的研究，国内外自上个世纪70年代以后，特别是变频器技术的发展在工业领域的应用以来，在恒压变频供水上国内外做过大量的研究和应用，即便在国内的自来水公司，越来越多的企业开始重视恒压供水和远程监控的作用，也做了大量的工作。基于工业以太网下的恒压供水系统是目前自来水公司的一大热点，也是未来自来水公司的一大发展趋势。供水系统的总线技术上的远程控制，无线数据传输通讯，变频控制等在国内外的应用也越来越普及。但国内现有的自来水公司目前还几乎没有将水泵电机分时段按照用电谷段进行自动远程变频控制。
为了满足日益增产的用水量的需求，本系统根据自来水厂的实际情况为此自来水厂安装了一套基于无线数字传输电台的自动控制网络系统以便于能及时迅速的了解和控制远端管道及阀门。不同于一般的控制系统，这种新的网络系统不仅降低了故障率和检修的时间，也降低了停水次数，提高了对系统的反应时间。网络安装了远端数据传输电台ND250A用于传输各点的实时管道压力、水流量的数据与阀门的开关状态到水厂的运行中心。当一个远端出现故障时，中心点会通过无线传输回的数据进行分析，找到出故障的地点，从而能在最短的时间内解决问题，恢复供水，提高了整体的服务水平，从而实现了水厂的信息化、现代化。
本课题在厂区的主控室组建数据采集监控控制系统，在各水源地传送点组建分站，根据管道压力、水流量的数据与阀门的开关状态等情况对水泵实现变频控制，当水资源不充分时低频运行或者自动停止电机。操作人员在主控室即根据系统的上位机所显示的数据信息情况来监测各水源地分站现场设备的运行状态。同时，根据厂区蓄水池的蓄水量给出水源井深井泵的调度信号；当出现现场故障时能及时停泵，并给出报警、保护信号，实现供水的统一调度。系统具有就地和远程两种控制方式，各水源地深井泵通过电气控制柜上的选择开关，可以选择就地控制方式或远程控制方式。远程控制是通过主控室的PLC 主操作站控制深井泵的启停，就地控制是用控制柜上的按钮控制泵的启停。当PLC 或无线数字传输电台处于编程状态或出现故障时可以采用就地控制方式。就地和远程控制方式相互切换不会影响深井泵的运行。其控制优先等级为：现场手动→中央手动→中央自动→现场自动。在每台深井泵的出口都装有压力变送器测量水泵出水压力，当出水压力过低时，说明深水井无水或深井泵故障，或现场电源系统出现缺相、过载的情况联锁自动停泵等原因。主分
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站将通过巡检把故障信号采集到主控室给出报警。
无线数据传输采集监控系统可分为“1+5”个分站的形式，一个分站设在厂区供水设施主控室，另外五个分站分别设在各水源地的泵房。主分站对各分站进行实时数据采集的方式，并通过数据传输电台日精ND250A将各水源地现场PLC所检测到的信号送入主分站进行相关的控制与管理；分站控制系统采用西门子S7-200系列的相关产品和变频器对水泵电机的运行状态进行控制，同时分站控制系统也通过数据传输电台日精ND250A和主分站进行数据传送，分站接收主分站发送过来的命令或者相关参数进行控制，分站的数据发往主分站控制系统，从而实现主分站对各分站的监控和记录。
控制系统采用了由PLC、数据传输电台、天线和工控机等组成的二级分布式计算机集散控制系统，其中：
1. 泵房：各个水源地设一套现场控制柜, 包括西门子S7-200系列的PLC、变频器、ND250A数据传输电台以及水源井出水流量、压力传感器及变送器和电机电流检测仪表。
2. 操作站：中心控制室由一台工控机、一套PLC设备和数据传输电台等组成。系统通过对厂区蓄水池的水量及水源地的储水量情况，对各个水源地发出相应的调配信号。
工控机选用研华公司的工业控制计算机，PLC 选用西门子公司的S7-200系列，监控软件选用 MCGS组态软件，上位机与PLC之间通过自由端口进行通信，可通过上位机的控制界面实现对控制对象的实时监控功能, 实现了对水厂各个系统的实时监测，以及对历史数据的记录和对相关被控对象的报警等相关功能。调速变频器采用西门子MicroMaster430 型变频器，该变频器适用于各种变频驱动装置，由于其操作灵活，所以在许多领域得到应用，尤其适用于工业部门的水泵和风机。
自来水厂水的生产系统是一个多变量（如流量、温度、压力等）多任务（如水的输送、投药/加氯控制、格栅与排泥控制、滤池控制、出水泵起/停控制、压力控制、数据管理等）多设备（如电机、阀门、泵等）并具有时变性、耦合性和随机性的复杂非线性系统。
本课题中的自来水厂按功能分为两部分，一部分是水源地；另一部分是水厂区，二者分散分布，且相距较远。水厂区的任务是对水池的水进行消毒处理后，通过加压泵向市区管路进行恒压供水；而水源地的任务是通过五个深井泵组对水厂区的蓄水池进行供水，这是本课题研究的主要内容。本自来水公司的抽供水系统是在无线数字传输电台日精ND250A的基础上，通过对现场仪器仪表数据信息的采集和监控，运用PLC控制系统及变频控制的方式实现对该公司分散在几公里范围内的五个水源地的储水量情况进行监测与控制，并通过厂区主分站的上位机实时地显示情况，并对厂区蓄水池的蓄水量状况进行水源地抽水量的调配控制。其监控系统的构成如图0-1所示：
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图0-1 自来水厂的系统监控图
整个监控系统由位于水厂区的上位PC机、主分站PLC和五个水源地的五个从站PLC构成（见图1）。上位PC机通过与主分站PLC相连完成对整个系统的现场数据检测、数据处理及计量等工作。主分站PLC完成两方面任务，一是水厂区现场数据的采集；二是与水源地的五个从站进行通信，完成水源地现场数据的采集与深井泵的控制；同时在系统抽供水的过程中，还要考虑本市用电时段的波峰波谷情况，从自来水公司的经济上进行考虑（这主要通过PLC编程来实现）。
监控系统的主分站和从站PLC都选用西门子S7系列产品。该产品在工程领域应用广泛，尤其是有较强的是有较强的组网能力。S7系列PLC通常有四种组网方式：点对点、MPI多点网络、PROFIBUS和工业以太网。
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第1章 系统的硬件构成
1.1 数传电台日精ND250A
在本系统中，由于各管网监控点具有分布范围广、数量多、距离远、个别地点地处偏僻、环境恶劣等特点，所以选择有线通信显然不切合实际。与之相比，利用SCADA系统则显得非常灵活，它具有投资少、建设周期短、实时性可靠性高、运行维护简单等特点，而且同其它传输设备相比具有非常高的性价比。
图1-1 日精ND250A
SCADA系统主要传输途径是无线数传电台。无线数传电台是集无线通讯技术、无线调制解调技术和计算机控制技术为一体的高技术产品，作用是建立双向无线数据传输链路，特点是数据量小、传输距离远。其工作频率大多使用220-240MHz或400-470MHz频段，具有数话兼容、数据传输实时性好、专用数据传输通道、一次建设投资、没有运行使用费、适用于恶劣环境、稳定性好等优点。有效覆盖半径约有几十公里，可以覆盖一个城市或一定区域。 综合各方面的因素，我们在本课题的系统中采用日精系列的ND250A产品，该产品采用微处理器和先进的数字信号处理DSP芯片，借助DSP技术以软件的方式实时地实现先进的无线数字调制解调算法、快速自适应均衡算法和前向纠错算法，从而保证了在各种恶劣的工业现场环境中，数据传输性能的稳定性和一致性，克服了传统的用硬件实现的调制解调器因温度变化或是环境恶化带来的性能下降的缺点。如图1-1 所示：
日精ND250A等系列的数传电台是日本原装产品，有国家信息产业部无线电管理局颁发的“型号核准证”，出厂标准符合欧洲工业级标准的，并且是环保产品（无铅，符合欧洲RoHS环保指令），所有技术指标完全符合甚至高于国家标准，日精的ND889A、ND886A、ND250A系列数传电台是目前唯一通过中国国家电科院测试并允许在电力系统自动化系统中使用的超短波数传电台，因为电力部门涉及到用电控制问题，关系到用电安全，因此对电台的可靠性及技术指标要求高于相关国家标准，尤其是对高低温环境特性及电磁兼容性（抗干扰）指标的要求非常高。日精电台特别适合于在非常严酷环境下稳定工作，如强电
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磁场（变压器及泵站旁）、高温（如宝钢的炼钢车间的运送钢水的小火车遥控遥测，克拉玛依油田油井监控）、低温（如大庆油田、东三省的电力负监控系统）、潮湿（如水利防汛自动化系统）。 另外，其通信配套产品，如天线、馈线、电源、避雷器、高频接插件、串口连接线、防水胶带等等也一应俱全，与电台的匹配非常好。日精电台功耗非常小，守候电流是一般同类产品的产品的1/3不到，发射电流也要低30%以上，因为完全是FET而不是晶体管产品。其产品特点为：
1. 信道速率具有自适应功能。能自动识别发送方所采用的信道速率,正确地解调各种速率的信号；因而通信网中的主分站或各个子站可以根据实际的通信环境或远近采用不同的通信速率，整个通信网不需要统一采用同一速率，这样同时兼顾了通信的可靠性和有效性。
2. 采用高速数字信号处理DSP技术，在常规的窄带超短波电台的有效带宽内实现高速(19200/9600/4800bps) 数字信号的传输，而且可以用常规的模拟中继台直接进行中继，拥有EIA RS-232C/RS485的数据接口，与PLC可以通过特制的数据线来通信。
3. 采用快速自适应均衡技术以消除在传输过程中由于多径、（中继）群延时引起的波形失真、混迭以获得最佳的接收性能，解调灵敏度高，误码率优于10-6
4. 超强的前向纠错GF(256)Reed-Solomon码和交织算法的结合，在恶劣的通信环境中保障了通信的可靠性；设计有Watchdog以防止在工业环境中的干扰造成意外死机；环境温度范围达到-40℃～+70℃，满足设备在野外恶劣环境中的可靠运行。
5. 支持AT指令，用户可用软件对数传电台的运行参数和状态进行设置；高度集成化、智能化，采用全透明数据流通信方式时，延时小，能够与PLC、PC及其他各种不同的数据终端的通信协议无缝配合；支持系统程序的现场升级， 数传电台的固件程序可以通过串口线升级。
1.2 P L C控制
1.2.1 P L C的概述
PLC即可编程控制器（Programmable logic Controller），是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类。
1. 开关量的逻辑控制：这是PLC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、
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电镀流水线等。
2. 模拟量控制：在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量（Analog）和数字量（Digital）之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D和D/A转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。
3. 运动控制：PLC可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要PLC厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。
4. 过程控制：过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
5. 数据处理：现代PLC具有数学运算（含矩阵运算、函数运算、逻辑运算）、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。
6. 通信及联网：PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能，纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC都具有通信接口，通信非常方便。
1.2.2 P L C的特点
PLC的特点主要表现在以下几个方面：
1. 可靠性高，抗干扰能力强：高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可
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靠性也就不奇怪了。
2. 配套齐全，功能完善，适用性强，性价比高：PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
3. 易学易用，深受工程技术人员欢迎：PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。
4. 系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造：PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。
5. 体积小，重量轻，能耗低：复杂的控制系统使用PLC后，可以减少大量的中间继电器和时间继电器，小型的PLC的体积仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2至1/10。
PLC是配线比继电器控制系统的配线少的多，故可以节省大量的配线和附件，减少大量的安装接线工时，加上开关柜体积的缩小，可以节省大量的费用。 1.2.3 P L C的应用
PLC通电后，需要对硬件和软件作一些初始化工作。为了使PLC的输出及时地响应各种输入信号，初始化后PLC要反复不停地分阶段处理各种不同的任务，这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式（见图1-2所示）。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。
1. 输入采样阶段：在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。
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图1-2 PLC的扫描工作过程
2. 用户程序执行阶段：在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。
在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。
3. 输出刷新阶段：当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
同样的若干条梯形图，其排列次序不同，执行的结果也不同。另外，采用扫描用户程序的运行结果与继电器控制装置的硬逻辑并行运行的结果有所区别。当然，如果扫描周期所占用的时间对整个运行来说可以忽略，那么二者之间就没有什么区别了。一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图3所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。
在本系统中，P L C 控制单元是泵组管理的执行设备，同时还是变频器的驱动控制，根据用水量的实际变化，自动调整抽水泵的运行情况。变频器和P L C的应用为水泵转速的平滑性连续调节提供了方便。水泵电机实现变频软启动, 消除了对电网、电气设备和机械设备的冲击，延长机电设备的使用寿命。根据本系统的实际情况，PLC我们采用西门子S7-200 系列的相关产品。
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1.3 变频器的介绍
1.3.1 变频调速技术
近十年来，随着电力电子技术、计算机技术、数字化自动控制技术的迅速的发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速起动、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最优发展前途的调速方式。
据统计，我国的发电总量的70%左右消耗在电动机上，风机、水泵消耗我国发电总量的40%左右。用电机变频调速来代替原有阀门调节流量，我国每年可节约用电300-400亿千瓦小时。在自来水行业，变频器主要应用在取水泵房、送水泵房，除了可以节电，还可以平滑调节取水流量、送水压力，满足制水、供水工艺要求。
变频器是把电压、频率固定的交流电变成电压、频率可调的交流电的变换器。与外界的联系基本上分为三部分：一是主电路接线端，包括工频电网的输入端（R、S、T），接电动机的输出端（U、V、W）；二是控制端子，包括外部信号控制变频器的端子，变频器工作状态指示端子，变频器与微机或其他变频器的通讯接口；三是操作面板，包括液晶显示屏和键盘。
交流异步电动机变频调速控制的原理可由交流异步电动机的转速公式得知：
n(1s)60f p式中，f—定子供电频率（Hz）； p—磁极对数； s—转差率；
n—电动机转速（r/min）。
由公式可知，只要平滑地调节异步电动机的供电频率f，就可以平滑地调节异步电动机的转速。
1.3.2 PID调节技术
智能PID调节器实现管网水压的PID调节。PID控制属于闭环控制，闭环控制系统（closed-loop control system）的特点是系统被控对象的输出（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈（ Negative Feedback），若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。
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PID控制的原理和特点：在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
1. 比例（P）控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 2. 积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
3. 微分（D）控制：在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由 于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参
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数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
1. 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
2. 仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
3. 在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 1.3.3 变频调速技术与PID调节技术的应用
对水源地抽水泵的控制采取变频调速技术。变频器的作用是为电机提供可变频率的电源，实现电机的无级调速，从而使管网水压连续变化，同时变频器还可作为电机软启动装置，限制电机的启动电流。
水泵属于典型的二次方律负载，其转矩与转速的二次方成正比，机械特性曲线如图1-3（A）所示；其功率与转速的三次方成正比，功率特性曲线如图（B）所示。
（A）机械特性 （B）功率特性
图1-3 水泵机械特性图
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图1-4 西门子MicroMaster430 型变频器
水泵用变频器配置了进行多台控制的切换功能；但其过载能力较低，为120%，1 min（通用变频器为150%，1 min），因此在进行功能设置时必须注意。由于负载的转矩与转速的平方成正比，当工作频率高于额定工作频率时，负载的转矩有可能大大超过变频器额定转矩，使电机过载。所以，其最高工作频率不得超过额定频率。
根据本系统的实际情况，调速变频器我们采用西门子MicroMaster430 型变频器（如图1-4所示），该变频器适用于各种变频驱动装置，由于其操作灵活，所以在 许多领域得到应用，尤其适用于工业部门的水泵和风机。
1.4 上位机及组态软件
1.4.1 组态软件的概述
如何对一个系统进行有效的管理和应用，而不必有过多的投入，充分利用现代计算机技术的应用和发展。减少一些硬件的投入，通过软件实现硬件的功能。这就产生了“组态”这种技术，它充分的利用了计算机技术，又对硬件进行了有效的管理。同时也减少了一些硬件的投入。以这种“组态” 技术为依托，人们发明了“组态”软件。
组态（Configuration）的意思就是模块的任意组合，是指用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置，使计算机或软件按照配置自动地执行特定的任务，以满足使用者的要求。利用组态控制技术构成的计算机测控系统与一般计算机测控系统在结构上没有本质的区别，它们都有被控对象、传感器、I/O接口、计算机和执行机构等几部分组成。采用组态技术构成的计算机控制系统在硬件设计上，除采用工业PC机外，系统大量采用各
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种成熟通用的I/O接口设备和现场设备，基本不再需要单独进行具体电路的设计。这不仅节约了硬件开发时间，更提高了工控系统的可靠性。在软件设计上由于采用成熟的工控专用组态软件进行系统设计，软件开发周期大大缩短了。
组态软件（数据采集与监视控制SCADA即 Supervision Control and Data Acquisition）又称监控组态软件, 是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。
组态软件一般有图形界面系统、实时数据库系统、第三方程序接口组件组成。图形界面系统用于生成现场过程图形画面；实时数据库系统用于实时存储现场控制点的参数；第三方程序接口组件用于组态软件与其他应用程序交换和数据；控制功能组件用于生成监控所需要的控制策略。组态软件通过I/O驱动程序从现场I/O设备获得实时数据，对数据进行必要的加工后，一方面以图形的形式直观地显示在计算机屏幕上；另一方面按照组态要求和操作人员的指令将控制数据送给I/O设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。 1.4.2 组态软件的特点
组态软件使用户能根据自己的控制对象和控制目的任意地完成组态，完成最终的自动化控制任务，降低了系统集成的难度，节约了大量的设计时间，提高了系统的可靠性。组态软件有以下的特点：
1. 系统的可扩充性：用通用组态软件开发的应用程序，当现场（包括硬件设备或系统结构）或用户需求发生改变时，不需作很多修改而方便地完成软件的更新和升级。 2. 易学易用：通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于用户，不需掌握太多的编程语言技术（甚至不需要编程技术），就能很好地完成一个复杂工程所要求的所有功能。
3. 通用性：用户根据工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备（如PLC、智能仪表、智能模块、板卡、变频器等）的I/O驱动程序、开放式的数据库和画面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。
4. 实时多任务：数据采集与监视（SCADA）、数据处理与算法实现、图形显示与人机对话、实时通信、实时数据存储与管理等多个任务可以通过组态，在同一台计算机上同时运行。
5. “面向对象”的编程和设计方法：组态软件还普遍使用了“面向对象”的编程和设计方法，从管理的角度来看，用组态软件开发的系统具有与WINDOWS一致的图形化操作界面，非常便于生产的组织与管理，使软件更加易于学习和掌握，功能更加强大。
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另外，组态软件还具有接口开放、使用灵活、功能多样、运行可靠等特点。 1.4.3 组态软件与工控机的应用
组态软件可读取PLC监测到的设备运行状态、模拟量采样数据等信息，根据这些实时数据，在屏幕上动态显示整个抽供水装置的运行情况。一旦发现故障报警信息，系统即显示明显报警画面，向PLC发出相应动作指令，保存并记忆故障发生的时间、方位和原因等原始数据，还可根据客户需求保存历史数据、定时、实时打印数据。
MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。用户只需要通过简单的模块化组态就可构造自己的应用系统。该控制系统通过组态软件可以实现下列功能：
1. 运行方式：自动运行和手动操作相结合。 2. 用户界面：界面美观易于操作。
3. 实时监控：动态显示水源井的液压、阀泵的开/关状态等，模拟水流、自动控制泵阀的开关、流量的大小和电机电流等。
4. 报警功能：系统有自动报警的功能，并能纪录故障时间、原因等信息。 5. 打印输出：系统能定时或时时打印故障信息、水源井的液压、水的流量、水泵电机电流等信息。
6. 保存数据：系统具有自动保存数据和与其它应用程序交换数据的功能。 7. 在线帮助：系统提供在线帮助信息，操作员遇到问题能及时得到帮助和指导。 因此，本系统采用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的通用版本的MCGS作为工控机的应用软件。
工控机（Industrial Personal Computer—IPC）即工业控制计算机，是一种加固的增强型个人计算机，专门为工业现场而设计的，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行，并在屏幕上显示各种信号变化（液压，水位，温度等）。IPC的技术特点：
1. 开放兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件，可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。同时具有自诊断功能和 “看门狗”定时器，在因故障死机时，无需人的干预而自动复位。
2. 采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。配有高度可靠的工业电源，并有过压、过流保护。可采用无源母板（底板），方便系统升级。
3. 机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。电源及键盘均
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带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。
结合组态软件等多方面的因素考虑，我们在本本系统中选用研华公司的工业控制计算机。
1.5 其它组成部分
本系统除了以上的几个重要的组成部分外，还有一些其它的硬件设备。例如需要收集各种数据信息的传感器、变送器和各种数字显示仪器仪表，以及现场控制柜等。 1.5.1 传感器的应用
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。通过传感器，控制设备能“感知”生产进行的情况，将参数在显示器上显示。并根据参数实际值与设定值的偏差，按照一定的控制算法发出控制命令，控制执行机构的动作，从而完成控制任务。根据所采集的不同参数，选择相应的传感器有温度、压力、流量等传感器。
传感器的特性分为静态特性和动态特性两种：
1. 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。
2. 传感器的动态特性是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 1.5.2 变送器的应用
变送器（transmitter）：将物理测量信号或普通电信号转换为标准电信号输出或能够以通讯协议方式输出的设备。其遵循一个物理定律（或实验数学模型）将物理量的变化转化成4-20mA（或0/4-20mADC、1-5VDC、0-10VDc）等标准信号的装置；同时，除有传感的功能之外还有放大整形的功能，输出为标准的控制信号。一般分为：温度/湿度变送器，压力变送器，差压变送器，液位变送器，电流变送器，电量变送器，流量变送器，重量变送器等。
变送器的作用是把传感器所收集到的现场信息转变为PLC控制系统所能识别的数据信
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息。本系统中需要变送器转换的参数信息有压力、流量等。其中，压力变送器的作用是检测管网水压及水源井的水位压力的。这儿我们采用香港红润的数显仪来显示相关的数据。其中，用液位<=>容积显示控制仪WP-H80/H90来显示深水井的水位变化，用流量积算显示控制仪WP-L80、L90来显示抽供水管路的管路流量变化，用PID参数自整定控制仪/PID光柱显示控制仪来显示水泵电机的电压电流信号。
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第2章 水源地分站系统的设计
2.1 水源地分站系统的概述
水源地分站系统的主要功能是完成站内供水泵的工作状态、运行电流、工作电压、供水流量、压力等数据的采集，实时向自来水公司的供水调度SCADA系统传送数据，接受反馈回来的信息；同时随时接受、执行自来水公司的供水调度主机发来的指令，将所采集的有关数据无线传输到自来水公司的主控室。
本系统共设PLC l、PLC 2、PLC 3、PLC 4 和PLC 5五个分布控制站。各PLC分布控制站主要负责采集现场各个传感器的信号，除了把信号转换后通过远程数传电台传给上位机，由上位机进行显示和控制外还要根据控制要求对现场控制柜和执行机构作出相应的控制，所以各分站PLC不但具有中心控制的作用，还具有数据中转站的作用。在自动状态下，根据检测数据对某些电机进行PID控制，以达到最优状态。同时，水泵在运行期间出现下列情况之一时，应紧急停：
1、水泵不上水； 2、水泵或电机有异状； 3、电机或电气设备冒火和冒烟； 4、甭提严重漏水。
根据水源井分站系统的控制功能要求来划分，该系统主要由以下几部份组成，其系统的组成如图2-1所示：
A 检测设备：如压力、流量、电流、电压传感器或开关量等等，负责采集显示现场设备的数据信息。其中，系统采集与检测的数据有：模拟量为电机电流、电机温度、水泵轴温、出水口压力、深水井水位；数字量为电机故障点。
B PLC（可编程控制器），含数据采集、处理软件及与上位机的通信软件。
C 数传电台：因各分站系统在环境较恶劣的野外，且与自来水公司相距较远，因此，需要选择环境特性良好的、功率较大的、守候电流较小的数传电台。
D 直流稳压电源：要求抗高频干扰能力强、纹波小、并有足够的带载能力和过流、过压保护、防雷等功能。
E 天馈系统：一般采用定向高增益天线及低损耗馈线并配上优质的高频接插件，有条件架高的尽量架高，以确保信号质量；多雷地区应配上同轴避雷器； 每个分站的定向天线一般应对准中心站的全向天线。
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图2-1 水源地分站系统
2.2 分站电控柜控制系统的设计
各现场电控柜具有两部分功能：一是进行现场的手动操作，二是厂区通过数传电台与各个分站连接，将各现场设备的状态信号传送到主分站，并执行相应的动作。现场手动操作具有比分布控制站和中央控制室更高的优先权，只有将状态开关打到自动状态，自动控制程序才起作用。其电气控制系统主电路如图2-2所示：
现场电控柜主要的元器件主要包括PLC和各种电气控制元器件。其中，数据采集主要由PLC实现，PLC通过超声波水位计连续检测水源井的水位，将水位信号进行转换处理；电机电流、电机温度、水泵轴温、水管流量等传感器，主要用于检测水泵、电机的运行；PLC采集系统中的各个设备状态的开关量信号进行处理，控制水泵的启停。
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图2-2 电气控制系统主电路
检测需要的所有信号，经传感器检测，送入相应的信号变送器变成标准的4~20mA信号或1~5V信号，由变送器送入S7-200控制器配置的I/O模块，实现对原始一次信号的采集和对所检测信号的采集与传输，包括所需要的电气参数、水泵系统的工作状态、故障等信号，同时能实现远程操作或自动化运行控制。在本系统中需要输入输出的信号如表1所示：
表2-1 水源地控制系统的PLC选型
输入信号 主水泵起动信号 水泵停止信号 深水井水位信号 主水泵运行信号 主电机电压信号 主电机电流信号 数量（个） 1 1 1（AI） 1 1（AI） 1（AI） 输出信号 主电机启动信号 主电机停止信号 水位报警信号 PLC报警信号 管路流量报警 变频器控制信号 19
数量（个） 1 1 1 1 1 1（AO） 自来水公司供水系统的远程控制
管路流量信号 备用水泵起动信号 备用水泵运行信号 备用电机电压信号 备用电机电流信号 自动/就地/远程 合计 1（AI） 1 1 1（AI） 1（AI） 3 备用电机启动信号 备用电机停止信号 1 1 数字 8 I/ 7 O; 模拟 6 I/ 1 O 综合水源地控制系统PLC选型中输入输出的点数及其它因素，再考虑留有20%的余量，我们最终在每个水源地控制系统中各选定一套一个CPU224 XP模块加一块模拟量扩张模块EM235(4入1出)的PLC设备，且各从站现场电控柜中的结构相同，分别控制五组取水深水泵的运行及现场数据的采集。如图2-3和图2-4所示，其中，Q0.2为水位报警，Q0.3为PLC报警，Q0.4为管路流量报警。深水井的水管压力、深井泵电压和电流三路模拟信号的现场采集通过4路模拟量输入模块EM235实现。
水位检测、流量检测：超声波水位计、超声波流量计信号接入。
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现场数据的采集。具体地说，主分站PLC的能远程实现深井泵的启停控制，而深井泵的压力、电压、电流和过载故障信号则由主分站PLC进行读取。
水泵停止水泵启动水泵运行水位报警就地自动远程管路流量报警系统报警PLC报警电机启动电机停止DP头
图2-3 水源井分站的CPU外部接线图
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图2-4 水源井分站的模拟量扩展模块接线图
2.3 分站变频控制系统的设计
在水源地深水井泵房中，使用变频器的主要目的是用来降低电耗、平滑调节取水流量。通过自控系统的PLC或利用变频器本体的PID调节，可以让变频器自动调速，保持水源井水位稳定，实现取水泵房的无人值守，高效、优质供水。
当水泵变频运行时，当变频器的工作频率达到50Hz，供水管网压力仍然低于系统设定的下限时，将变频运行水泵切换至工频运行；当供水管网压力达到上限时，控制单元发出指令，自动停掉工频运行水泵。
根据本控制系统的要求，我们在此采用西门子的MicroMaster430 型变频器。其外部接线图如图2-5所示：
图2-5 变频器的外部接线图
2.4 无线传输系统的概述
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现场数据的采集。由于系统点多而分散,所以非常适合采用无线数据传输方式，中心台与分台通过无线方式进行通讯连接，具体在中心台和分台各连接一台无线数传电台，各分台监控设备能实时采集和记录每个点的相关数据信息情况，并通过无线数传电台发送给中心台；中心台工作人员
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作出判断并发出指令，实现控制设备的运行。记录的数据存放在中心台计算机的数据库中，可以随时查询或打印，其它计算机也可以通过网络进行数据查询。
结合实际情况，本系统我们采用了日精ND250A的数传电台，其在系统中的应用图如图2-6所示：
图2-6 系统结构图
2.5 数传电台ND250A的应用
本系统由一个主分站和5个分站组成。各分站点使用PLC负责采集供水管网的压力、流量、液位以及控制泵房抽水泵的启动、复位、停止等。采集到的数据通过数传电台实时上传至主分站。主分站的计算机对采集后的数据做进一步的处理和分析，来监测整个供水管网的运行情况，如果出现某个测量站点参数异常的情况则通过数传电台发送各种控制命令，来控制分站PLC、变频器和抽水泵的运行，以避免出现空抽、管道压力过大等可能发生的问题。
日精ND250A是功能比较好的一种数产电台，能很好的满足本系统的要求。在使用安装之前，我们应先认识学习一下其原理安装结构图（如图2-7所示）。由图可知，我们可以很方便的通过DB-9母型插座及相连的数据线来实现与各分站控制柜相关设备的相连。
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图2-7 日精ND250A的结构图
根据实际中各水源井与自来水公司距离的远近来考虑需要架设或不架设中继站，以保证数据的可靠稳定的传输。如果系统中某一个或几个分站或全部分站因为通讯距离太远或高山、建筑物阻隔等原因无法直接与中心站进行通讯，此时需要通过架设中继台才能与中心站通讯，有二种中继方案：
1. 数字中继:找一个制高点架设一个全双工或半双工数字中继台（可以是普通数传电台与带数据中继功能的MODEM的组合），该中继台的作用是把中心站（或分站）发来的载波信号进行解调恢复成数据信号，再把数据信号调制到发射机上转发给分站（或中心站）。该中继方式的优点是成本较低、速率较高、可靠性较好，而且在采用半双工数字中继时可以收发同频工作。缺点是半双工数字中继方式的实时性较差，并且需要进行数据存储等处理工作,有一定的软件工作量，而且无法实现话音中继，因此需要中继的分站不能与中心
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站及其他分站进行通话。全双工数字中继方式则可实现实时中继及话音中继功能,但必需收发异频。
2. 全双工模拟中继：找一个制高点架设一个全双工模拟中继台（最好配上具有良好隔离度、低插入损耗的双工器，这样只需架设一条天线），该中继台的作用是把中心站（或分站）发来的载波信号不经过解调恢复成数据信号这一过程，直接把接收机收到的模拟信号同时调制到发射机上转发给分站（或中心站）。该中继方式的优点是实时性好、无需配MODEM及进行数据存储等处理工作、不影响话音通讯、实现起来很方便。缺点是成本较高、必须要收发异频工作，另外由于受带宽的限制及转发过程中信号失真的影响，对高于2400bps的数据信号进行模拟中继就会产生较大的误码，对某些特殊调制方式的数据信号(如GMSK或CPFSK等)则根本无法进行中继。
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第3章 厂区主分站系统的设计
3.1 厂区主分站系统的概述
厂区主分站系统是本系统的核心，主要完成如下的功能：（1）对各分布控制站PLC送来的数据进行分析处理、储存、建立全数据库；（2）向各分站的PLC发布指令，实时控制和调节设备运行；（3）显示多幅工艺流程画面，并实时显示巡检参数；（4）在线故障诊断、报警；（5）历史趋势显示，模拟量数据显示；（6）打印制表。
为完成本系统控制功能的要求，厂区主分站系统主要由以下几部份组成，如图3-1所示：
A 主机：PC或服务器；
B 系统软件：含数据采集及数据库处理；
C 数传电台：采用功率较大、连续工作能力强的数传电台，因为中心站的工作负荷较重，特别是在分站较多时，发射频度会很高；
D 直流稳压电源：要求抗高频干扰能力强、纹波小、并有足够的带载能力及连续工作能力（最好还具有电流电压指示、过流、过压保防雷护及等功能，一般选用线性电源为好）；
E 天馈系统：一般采用全向高增益天线及低损耗馈线或馈管并配上优质的高 频接插件，有条件架高的尽量架高，以确保信号质量；多雷地区应按要求架设避雷针、配上同轴避雷器。
图3-1 厂区主分站系统组成
3.2 厂区主分站电控柜系统的设计
厂区主分站电控柜主要具有两部分功能：一是对厂区蓄水池的储水量和进水管的水流量进行现场的检测与控制；二是通过大功率的数传电台实现与各个分站进行连接，将各现
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场设备的状态信号传送到各分站，并执行相应的动作。电控柜主要的元器件主要包括PLC和各种电气控制元器件。
主分站控制系统要检测的数据信号主要包括两部分，一是厂区蓄水池的水位变化和进出水管网口的水量变化；二是各水源井的储水情况及深水井水泵电机的运行情况等。经各方面的考虑我们在此主分站中采用CPU224 XP的PLC，及一块模拟量的控制用扩展模块EM235来实现，其厂区主控制室控制系统的PLC选型如表3-1 所示：
表3-1 厂区主控制室控制系统的PLC选型
输入信号 蓄水池水位信号 出水管路流量 合计 数量（个） 1（AI） 1（AI） 输出信号 低水位报警信号 高水位报警信号 管路流量报警信号 故障报警信号 数字 0 I/4 O ；模拟2 I 数量（个） 1 1 1 1 此站中的PLC外部接线图如图3-2所示，其中，Q0.0为故障报警，Q0.1为管路流量报警。蓄水池的水位和出水管管路流量这两路模拟信号的现场采集通过4路模拟量输入模块EM235实现。
图3-2 主分站PLC的外部接线图
3.3 厂区主分站上位控制的设计
厂区主分站上位控制系统主要实现在电脑上用组态画面上动态监控各个水源井水泵的运行状态，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超时报警，故障点自动闪烁，具有故障记录，支持历史数据查询等功能。从而提高自控系统的整体可靠性、可观性。
在本系统中，监控软件我们选用北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的通用版本的MCGS作为工控机的应用软件，上位机与PLC之间通过自由端口进行通信，可通过上位机的控制界面实现对控制对象的实时监控功能, 实现了对水厂各个系统的实时监测，以及对历史数据的记录和对相关被控对象的报警等相关功能。
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第4章 系统软件的设计
PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试、分段运行，该程序具有结构清晰、简捷、易懂，便于模拟调试、运行速度快等特点。
系统根据蓄水池、各个水源井的水位和压力控制原则，自动实现各个水源井中水泵运行状态的改变。同时，为了防止备用泵电气设备和备用管路长期不用而导致设备受潮和出现其他故障未经及时发现，当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以至影响矿井排水安全，本系统程序要求设计水泵能自动轮换工作。控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录累计。系统根据这些运行参数按一定规律自动启停水泵，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当水泵在启动或运行过程中出现故障时，系统自动停止故障水泵，投入新的水泵排水，实现水泵自动轮换工作，同时系统自动发出声光报警，并在操作屏和地面操作站上动态闪烁显示，记录事故。达到有故障早发现，早处理。
本系统的亮点之处在于PLC自动化控制系统在根据蓄水池和水源井水位的高低变化的同时，还充分考虑了供电部门所规定的平段、谷段和峰段供电电价在不同时间段不同价格的因素，建立了较精确的数学模型，来合理调度各水源井的供水情况，自动准确发出各水源井水泵的启、停命令，合理控制水泵的运行。整个系统的控制软件分为上位机监控软件和现场PLC控制软件。
4.1 P L C系统软件的设计
本系统PLC的编程使用STEP 7-Micro/WIN V4.0进行编写，实现PLC对过程数据的初步处理。在STEP7中，有3种编程语言可用来编程，分别是梯形图（LAD）、语句表（STL）和功能块（FBD），这里我们采用梯形图编程。
对PLC进行软件编程时一般有三种方法，即梯形图的经验设计法、根据继电器电路图设计梯形图的方法和顺序控制设计法，鉴于本人的实际情况，这里采用顺序控制设计的方法。 4.1.1 顺序控制的设计方法
所谓顺序控制，就是按照生产工艺预先规定的顺序，在各个输入信号的作用下，根据内部状态和时间的顺序，在生产过程中各个执行机构自动地有秩序地进行操作。使用顺序控制设计法时首先根据系统的工艺流程，画出顺序功能图，然后根据顺序功能图设计出梯形图。
顺序功能图（Sequential Function Chart）是描述控制系统的控制过程、功能和特性的一种图形，也是设计PLC的顺序控制程序的有力工具。是一种通用的技术语言，可以供进一步设计和不同专业的人员之间进行技术交流之用。顺序功能图主要由步、有向连线、转换、转换条件和动作（或命令）组成。其中，歩是根据及输出量的状态变化来划分的，在任何一步之内，各输出量的ON/OFF状态不变，但是相邻两步输出量总的状态是不同的，
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步的这种划分方法使代表各步的编程元件的状态与各输出量的状态之间有着极为简单的逻辑关系；有向连线表示步活动状态进展的路线和方向；转换将相邻两步分隔开，用有向连线上与有向连线垂直的短划线来表示；转换条件是使系统由当前步进入下一步的信号。 4.1.2 顺序控制梯形图的设计方法
图4-1 监控系统PLC程序框图
根据顺序功能图设计梯形图时，为了便于转换，应将与顺序功能图的起始步的编程元件置1，为转换的实现作好准备，并将其余各步对应的编程元件置为0状态。某一步为活动步时，对应的存储器为1状态，某一转换实现时，该步的后续步变为活动步，前级步变为不活动步。根据本课题的实际情况，我们拟制定如图4-1所示的PLC控制框图，其相应的软件编程可见附录。
4.2 上位监控系统软件的设计
本系统要求在组态画面上动态监控各个水源井水泵的运行状态，实时显示水位、流量、
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压力、温度、电流、电压等参数，超时报警，故障点自动闪烁，具有故障记录，支持历史数据查询等功能。此外，在界面设计上，我们利用动画技术，使界面更友好、生动，且操作方便。通过人机交互，可以方便地控制整个监控系统的运行。具有面向对象的图形功能、动画连接功能、标准用户界面、精灵图库功能、动态参数功能等，具有画面立体感强，操作误码率小的特点。
MCGS组态软件可以通过其软件内的“设备窗口”与外部的硬件进行相应的连接，从而实现动态实时监测显示整个系统的功能；同时，也可以通过软件内的“运行策略”窗口，对系统的画面进行相应的连接与编程来实现动态实时监测显示整个系统的功能。在此，为了较直观的大体显示系统的功能，我们进行了一定脚本程序编程，如下所示： IF 抽水泵1 = 1 AND 蓄水池 < 60 THEN 深水井1 = 深水井1 - 0.2 蓄水池 = 蓄水池 + 0.1 ENDIF
IF 抽水泵2 = 1 AND 蓄水池 < 60 THEN 深水井2 = 深水井2 - 0.2 蓄水池 = 蓄水池 + 0.1 ENDIF
IF 抽水泵3 = 1 AND 蓄水池 < 60 THEN 深水井3 = 深水井3 - 0.2 蓄水池 = 蓄水池 + 0.1 ENDIF
IF 抽水泵4 = 1 AND 蓄水池 < 60 THEN 深水井4 = 深水井4 - 0.2 蓄水池 = 蓄水池 + 0.1 ENDIF
IF 抽水泵5 = 1 AND 蓄水池 < 60 THEN 深水井5 = 深水井5 - 0.2 蓄水池 = 蓄水池 + 0.1 ENDIF
IF 蓄水池 < 10 AND 蓄水池 > 0 THEN 蓄水池报警灯1 = 1 ELSE
蓄水池报警灯1 = 0 ENDIF
IF 蓄水池 > 60 THEN
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蓄水池报警灯2 = 1 ELSE
蓄水池报警灯2 = 0 ENDIF
通过运用MCGS组态软件，我们顺利地实现了以上功能，其组态显示画面和相应的运行画面如图4-2，4-3，4-4，4-5所示；同时我们再通过软件上的硬件板卡与系统的硬件电路相连接，再设计相应的动态程序之后，其组态画面就能很好地实现对整个系统的监控显示了。
图4-2 水源地远程监控系统进入画面
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图4-3 水源地远程监控系统运行主画面
图4-4 水源地远程监控系统数据显示运行画面
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图4-5 水源地远程监控系统报警显示运行画面
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结 论
本课题中的自来水公司的抽水调度监控SCADA系统可以对远程现场的运行设备进行监视和控制，以实现管道压力、水流量的数据传送及阀门开关的自动控制，降低了故障率和提高了对系统的反应时间。便于及时迅速的了解及控制远端管道及阀门，降低故障率和检修的时间。各水源监测点的数据采集终端可自动采集管道压力、水流量的实时数据与开关状态等数据，信息传输到自来水公司的监控中心，监控中心通过对传输回的数据进行分析，可找到出故障的地点，从而当一个远端出现故障时，能在最短的时间内解决问题，保障充足的供水，提高了整体的服务水平，从而实现了自来水公司抽供水系统的信息化、现代化。
由于本人水平的有限，对现场的实际情况了解的不足及本人目前知识水平的有限，系统仍存有一定的不足之处，望读者指正。
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附 录
附录A：PLC的选型
水源地分站 厂 区 分 站 型号 订货号 备注 数量 5 5 1 1 CPU 224XP CN 6ES7 214-2BD23-0XB8(继出) 数字14入/10出 EM 235 CN 6ES7 235-0KD22-0XA8(继出) 模拟4入/1出 CPU 224XP CN 6ES7 214-2BD23-0XB8(继出) 数字14入/10出 EM 235 CN 6ES7 235-0KD22-0XA8(继出) 模拟4入/1出 附录B：PLC软件编程的部分程序 附录C：外文资料翻译
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参考文献
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谢 辞
本文从拟定题目到定稿，历时数月。在本论文完成之际，首先要向我的导师XXX老师致以诚挚的谢意。从选题到论文的写作过程岳老师给了我许许多多的帮助和关怀。X老师学识渊博、治学严谨，待人平易近人，在X老师的悉心指导下，我的专业知识得到了进一步的巩固与提高，而他对工作的积极热情、认真负责、有条不紊、实事求是的态度，给我留下了深刻的印象，使我受益非浅。在此我谨向X老师表示衷心的感谢和深深的敬意。我同样也要感谢我们信息学院授课的各位老师们，正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。我也要感谢我的学校，是她提供了良好的学习环境和生活环境，让我的大学生活丰富多采，为我的人生留下了精彩的一笔。另外，衷心地感谢我的同窗同学们，在我毕业论文写作中，与他们的探讨交流使我受益颇多；同时，他们也给了我很多无私的帮助和支持，我再次深表谢意。 最后，向我的亲爱的家人和亲爱的朋友表示深深的谢意，他们给予我的爱、理解、关心和支持是我不断前进的动力。
感谢XX老师和那些在论文创作过程中给过我帮助的朋友们。
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