碩士學(xué)位論文 （專業(yè)學(xué)位） 姓 名：方強(qiáng) 學(xué) 號(hào)： 1134728 所在院系：軟件學(xué)院 職業(yè)類型：工程碩士 專業(yè)領(lǐng)域：軟件工程 指導(dǎo)教師：高珍 副 指導(dǎo)教 師 ：高瀾 二 一 三 年 三 月 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 同濟(jì)大學(xué) 碩 /博士學(xué)位論文 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) A in 2013 1134728 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 方強(qiáng) 同濟(jì)大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解同濟(jì)大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項(xiàng)內(nèi)容：按照學(xué)校要求提 交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門或者機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)?？梢赃m當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部?jī)?nèi)容用于學(xué)術(shù)活動(dòng)。 學(xué)位論文作者簽名： 年 月 日同濟(jì)大學(xué) 碩 /博士學(xué)位論文 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 同濟(jì)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng) 性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對(duì)本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 年 月 日 摘要 I 摘要 本設(shè)計(jì)以 可編程控制器（ 為控制核心，采用數(shù)字調(diào)節(jié)器的算法，結(jié)合以太網(wǎng) 通信 技術(shù) 配合計(jì)算機(jī)的組態(tài)王軟件 組成了一個(gè)小型集散過程控制系統(tǒng)。恒壓供水的壓力檢測(cè) 傳感器與 成閉環(huán)回路，通過控制 變頻器驅(qū)動(dòng)供水泵的轉(zhuǎn)速 ，從而達(dá)到改變和監(jiān)視 供水泵的出口壓力 的目的。 該系統(tǒng)主要有（ 編程控制器、變頻器、現(xiàn)場(chǎng)的水泵機(jī)組、管道壓力變送器和人機(jī)界面一起組成一個(gè)完整的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)中有 1個(gè)貯水池，2臺(tái)水泵，采用部分流量調(diào)節(jié)方法，減少 投入 設(shè)備的經(jīng)費(fèi)。即 2臺(tái)水泵中只有 1臺(tái)水泵 在變頻器控制下作變速運(yùn)行，另一臺(tái)水泵做工頻恒速運(yùn)行。 A/控制超出 變頻器輸出最大 時(shí)，投入變速運(yùn)行的水泵切入工頻恒速運(yùn)行運(yùn)行，另一臺(tái)切入變頻器低速控制作變速運(yùn)行，來調(diào)節(jié)水壓。 當(dāng)控制低于變頻器輸出最小時(shí) ， 變頻器控制的 水泵停止，變頻器切入另一臺(tái)工頻恒速運(yùn)行的水泵，由變頻器控制作 水泵 變速運(yùn)行， 到達(dá) 調(diào)節(jié)水壓 效果 ?？刂聘鱾€(gè)水泵之間切換，并根據(jù)壓力檢測(cè)值和給定值之間偏差 行 算，輸出給變頻器控制其輸出頻率調(diào)節(jié)流量使供水管網(wǎng)壓力達(dá)到恒定。各水泵切換遵循先 起先停、先停先起原則，保證每臺(tái)設(shè)備的使用率使設(shè)備更可靠的運(yùn)行。 關(guān)鍵字： 可編程控制器、 變頻器、 恒壓供水 、 壓力傳感器、振蕩周期 同濟(jì)大學(xué) 碩 /博士學(xué)位論文 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) he of as of a LC a of so as to of to a in 2 in in of , in to is in by a to to ID to to of to of 濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 目錄 錄 第 1 章 引言 . 6 述 . 6 壓供水產(chǎn)生的背景和意義 . 6 頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 8 文的組織結(jié)構(gòu) . 9 第 2 章 相關(guān)理論與技術(shù)基礎(chǔ) . 10 2 1 述 . 10 編程控制器的定義 . 10 發(fā)展和應(yīng)用 . 10 系統(tǒng)組成 . 11 技術(shù)性能指標(biāo) . 15 7紹 . 15 應(yīng)用軟件和編程語言 . 16 形圖（ . 16 句表（ . 17 序功能圖（ . 18 能塊圖（ . 18 構(gòu)化控制語言（ . 18 頻器 . 19 頻器的作用 . 20 頻器的原理 . 20 制電路 . 21 第 3 章 系統(tǒng)需求分析 . 22 目的目標(biāo) . 22 水系統(tǒng)的基本特性 . 23 同濟(jì)大學(xué) 碩 /博士學(xué)位論文 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 壓供水系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)分析 . 25 第 4 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 27 動(dòng)恒壓供水控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計(jì)與選擇 . 27 案 1 . 27 案 2 . 27 案 3 . 28 統(tǒng)的控制原理及組成 . 28 統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) . 29 統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì) . 30 第 5 章 自動(dòng)恒壓供水 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 32 統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) . 32 統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì) . 32 統(tǒng)硬件選型 . 34 選型 . 34 頻器的選型 . 35 泵機(jī)組的選型 . 36 位控制器的選型 . 36 力變送器的選型 . 36 力顯示儀表的選型 . 37 第 6 章 自動(dòng)恒壓供水系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) . 39 I/O 分配表與接口電路 . 39 I/O 分配表 . 39 變頻器的接口電路圖 . 40 泵運(yùn)行轉(zhuǎn)換過程分析 . 42 水系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì) . 43 頻器參數(shù)的設(shè)定和 參數(shù)整定 . 48 頻器參數(shù)設(shè)定 . 48 數(shù)整定 . 49 統(tǒng)調(diào)試 . 52 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 目錄 V 第 7 章 恒壓供水組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 54 態(tài)軟件的介紹 . 54 控站的配置 . 55 壓供水監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)過程 . 55 單畫面的設(shè)計(jì) . 55 義數(shù) 據(jù)對(duì)象 . 56 畫連接 . 57 令語言腳本程序編寫 . 58 第 8 章 結(jié)論與展望 . 60 論 . 60 在的問題及進(jìn)一步工作的方向 . 60 致謝 . 61 參考文獻(xiàn) . 62 個(gè)人簡(jiǎn)歷 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果 . 64 同濟(jì)大學(xué) 碩 /博士學(xué)位論文 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 1 章 引言 述 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展， 城市的人口不斷的擴(kuò)大。 水對(duì)人 的 生活與工業(yè) 的生產(chǎn)影響日益 顯著 ，人 們 對(duì) 供水系統(tǒng)可靠性 、 供水的質(zhì)量 及水質(zhì)的安全 要求不斷提高。把先進(jìn)的 電子技術(shù)、 電氣 技術(shù)、 自動(dòng)化 控制 技術(shù)、 網(wǎng)絡(luò) 及 通訊 技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的 實(shí)時(shí) 監(jiān)控 和 集中管理 ； 同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在 能源 日益緊缺 環(huán)境不斷惡化的 今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì) 恒壓 供水系統(tǒng) ，對(duì)于提高企業(yè) 生產(chǎn) 效率以及人民 生活 用水 安全 、降低能耗等方面具有重 大 的現(xiàn)實(shí)意義。 壓供水產(chǎn)生的背景和意義 眾所周知， 水是 人類賴以生存的自然物質(zhì)， 水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分 ，供 水的質(zhì)量影響人民的生活質(zhì)量。 在節(jié)水節(jié)能已成為時(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我 國(guó)是 水資源和電能短缺的國(guó)家 之一 ，長(zhǎng)期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低供不應(yīng)求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高供過于求的情況，此時(shí)將會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)有可能使水管爆破和用水設(shè)備的損壞。在恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過許多供水方式。以下就逐一分析。 泵直接供水系統(tǒng) 這種供水方式，水泵從蓄水 池中抽水加壓直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運(yùn)轉(zhuǎn)，有的可能在夜間用水低谷時(shí)段停止運(yùn)行 ，夜間有可以出現(xiàn)停水情況，就象早期的分時(shí)分段供水，每家每戶必須儲(chǔ)水影響生活質(zhì)量 。這種系統(tǒng) 控制 簡(jiǎn)單 （具備過載與短路保護(hù)） 、造價(jià)最低， 需要人工手動(dòng)操作，同事 耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。 泵加水塔的供水方式 這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔的合理高度是要求 塔最低水位略高于供水系統(tǒng)所需要壓力。水塔注滿后 水泵停止，水塔水位低于第 1 章 引言 7 某一位置時(shí)再啟動(dòng)水泵 ， 水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種供水方式，水泵工作在額定流量額定揚(yáng)程的條件下，水泵處于高效區(qū)。這種方式顯然比前一種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開、停時(shí)間比、開、停頻率等有關(guān) ，水泵開停會(huì)影響電網(wǎng)的電壓波動(dòng)。 供水壓力比較穩(wěn)定。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大 ； 水壓不可調(diào)，不能兼顧近期與遠(yuǎn)期的需要 ； 而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問題。而且在使用過程中，如果該系統(tǒng)水塔的水 位監(jiān)控裝置損壞的話，水泵不能進(jìn)行自動(dòng) 運(yùn)行，此時(shí)完全由人工手動(dòng) 操作，這時(shí)將會(huì)出現(xiàn)能量的嚴(yán)重浪費(fèi)和供水質(zhì)量的嚴(yán)重下降。 泵加高位水箱的供水方式 這種方 式原理與水塔是相同的，只是把水箱設(shè)在建筑物的頂層，在建筑物的旁邊或地下室安裝水泵。高層建筑還可分段 設(shè)立水箱 ，供低于水箱一兩層以下的用戶使用 。 這樣 設(shè)備投 入 與 使用的空間 都有所減少，但這對(duì)建筑物的 設(shè)計(jì)與 造價(jià)有所 影響，同時(shí) 由于 受 到 建筑物的限制 ， 水箱 的 容積不能過大 ， 因此 供水范圍較小。 如果水箱的密閉性不太好時(shí)， 一些動(dòng)物甚至人都可能進(jìn)入水箱污染水質(zhì) ，有時(shí)用戶用水量 減小 時(shí)， 水箱 存儲(chǔ)的水無法得到循環(huán)更換，水質(zhì)容易惡化無法達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí) 水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞， 有可能出現(xiàn)停水狀態(tài)，此時(shí)人工發(fā)現(xiàn)后，系統(tǒng)的 開、停，將 完全由人工手動(dòng) 操作 ，使系統(tǒng)的供水質(zhì)量下降能耗增加。 泵加氣壓罐供水方式 這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力來控制水 泵的 運(yùn)行（開、停沒有調(diào)速） 。罐的占地面積與水塔 或 水箱供水方式相比較 占地 小，而且可以放在 水泵的附件或者其它地方 ， 設(shè)備的成 本 比水塔要低得多 ，施工期短。 而且氣壓罐是密封的，大大減少了 外界的異物 進(jìn)入而被污染 水質(zhì) 的可能性 。但氣壓罐供水方式也存在著 較多 缺點(diǎn) ，在介紹完自動(dòng)恒壓速供水（變頻調(diào)速恒壓供水）方式后，再將兩者作 比較。 頻調(diào)速恒壓）供水方式 這種系統(tǒng)的原理是通過安裝在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定壓力值作比較，再通過控制器 建?？刂?變頻器的輸出 使 水泵轉(zhuǎn)速 達(dá)到 無級(jí)調(diào)節(jié)。使系統(tǒng)水壓無論 在用戶增大或減少用水 量 時(shí) 始終穩(wěn)定在一定的 壓力 范圍內(nèi)。變頻調(diào)速的方式在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐方式 ，對(duì)電網(wǎng)的無功功率損耗接近于零 。氣壓罐 供水 方式依靠 水泵在額定 的 轉(zhuǎn)速、額定 的 流量的條件下 對(duì) 壓力罐中 進(jìn)行送水，使 氣壓罐 中的 空氣 被 壓 縮 ，由于空氣被壓縮使 氣壓罐 始終保持的一定壓力，有了這個(gè)壓力就可以達(dá)到 送水 目的。 當(dāng) 用戶減少用水 量 時(shí)，供 水壓力將 會(huì)達(dá)同濟(jì)大學(xué) 碩 /博士學(xué)位論文 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 到最大的 壓力從而造成 電 能量的浪費(fèi)。 當(dāng) 用戶增大用水 量時(shí)，供 水壓力將會(huì)直線下降達(dá)到最小壓力才會(huì)啟動(dòng) 水泵 供水，水泵 是工頻 啟動(dòng)，且啟動(dòng)頻繁會(huì)造成一定的能耗 ，電機(jī)在啟動(dòng)瞬間能耗是最大的而且影響電網(wǎng)的電壓波動(dòng) 。而變頻恒壓供水在系統(tǒng)用水量下降時(shí)可無級(jí)調(diào)節(jié)水泵 適應(yīng)的某個(gè)低速運(yùn)行 ，使供水壓力 保持基本不變 ，這樣就節(jié)省了許多電能 ，也不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電壓產(chǎn)生沖擊的現(xiàn)象 ，同時(shí)變頻器對(duì)水泵 相當(dāng)于 軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很小，啟動(dòng)能 耗比較小。另外氣壓罐要消耗一定的鋼量， 還有安裝等工期， 這也是它的一個(gè)較大的缺點(diǎn)。而變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的變頻器是一臺(tái)由微機(jī)控制 或可編程控制器控制的 電氣設(shè)備，不存在消耗多少鋼材的問題。同時(shí)由于氣壓罐體 交 積大，占地面積一般為幾十平米。而變頻調(diào)速式中的調(diào)速裝置占地面積僅為幾平米。由此可見變頻調(diào)速供水方式比氣壓罐供水方式將節(jié)省大量占地面積。在運(yùn)行效果上，氣壓罐方式與調(diào)速式相比也存在著一定差距。 由此可見，變頻調(diào)速式 供水 系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省鋼材、節(jié)省占地、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力好、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和明 顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。 頻恒壓供水系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國(guó)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(dòng)控制、起制動(dòng)控制、壓頻比控制及各種保護(hù)功能 15。應(yīng)用 在 恒 壓供水系統(tǒng)中 變頻器僅作為執(zhí)行 驅(qū)動(dòng) 機(jī)構(gòu) 。 為了滿足供水量大小需求不同時(shí)， 在 保證管網(wǎng)壓力恒定，需 要 在 系統(tǒng)中增加 壓力傳感器和壓力 變送器 ，對(duì) 管道的 壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。從查閱的資料的情況來 看，國(guó)外的恒壓供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)都采用一臺(tái)變頻器只帶一臺(tái)水泵機(jī)組簡(jiǎn)單的 方式， 幾乎沒有用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵機(jī)組運(yùn)行的情況， 變頻器的容量需要較大， 因而投資成本高。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和 變頻器的成本不斷的降到， 變頻 器控制水泵應(yīng)用在恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以、 自動(dòng)化程度高 、體積小 以及顯著的節(jié)能效果 等方面的優(yōu)點(diǎn) 。諸多的優(yōu)點(diǎn) 被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后 。 國(guó)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 ，如西門子的 將 節(jié)器和 可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過 簡(jiǎn)單的參數(shù) 設(shè)置 實(shí)現(xiàn) 可以對(duì)一臺(tái)水泵控制的恒壓供水系統(tǒng)。 搭載配套的恒壓供水單元 ，便可直接控制電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多 7臺(tái)電機(jī) (泵 )的供水系統(tǒng) ，這樣可以用小的變頻器容量供較大的水量，降低設(shè)備的成本 。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，第 1 章 引言 9 降低了設(shè)備成本，但其輸出接口 固定，不具備 擴(kuò)展功能靈活性 差 ， 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性不高， 不能與 監(jiān)控系統(tǒng)和 工控 軟件 無法實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù) 交換 通信 ，無法進(jìn)行集中控制 ，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此在實(shí)際使用時(shí)其 范圍將會(huì)受到限制。 目前國(guó)內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國(guó)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(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器 (相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn) ； 有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)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(biāo)來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有滿足 用戶的要求。 可以看出，目前在國(guó)內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水 系統(tǒng)的 控制研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同 場(chǎng)合 的 供水需求 ， 需要 結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù) ， 同時(shí)兼顧系統(tǒng)的兼容性的變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓 全 閉環(huán) 控制 ，能耗低、經(jīng)濟(jì)性能高的產(chǎn)品 研究得不夠。因此，有進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)性能 的空間 ，使 變頻恒壓供水系統(tǒng) 能 更好的應(yīng)用于生活、生產(chǎn) 、農(nóng)業(yè)、 實(shí)踐 之中 。 文的組織結(jié)構(gòu) 本文后續(xù)各章的具體組織如下： 第二章 是 相關(guān)理論與 技術(shù)基礎(chǔ) ， 詳細(xì)描述了 所需要掌握的知識(shí)與本課題使用的器件。 第 三 章是系統(tǒng)的需求分析，詳細(xì)描述了本系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求。 第 四 章是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的 硬件架構(gòu) 、 軟件體系結(jié)構(gòu) 、 各功能模塊設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì) 。 第 五 章是系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)部分， 介紹了本系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)并且 詳細(xì)描述了主要業(yè)務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)流程 。 第 六 章是系統(tǒng)的 系統(tǒng) 測(cè)試和績(jī)效分析。 系統(tǒng)測(cè)試 詳細(xì)介紹了 測(cè)試方法、測(cè)試范圍，測(cè)試計(jì)劃安排和測(cè)試的環(huán)境 ;績(jī)效分析 介紹了系統(tǒng)投入運(yùn)行后的運(yùn)營(yíng)狀況基礎(chǔ)上， 從 企業(yè) 的經(jīng)濟(jì)效益和 社會(huì)效益 兩 個(gè)方面對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行了詳細(xì)分析。 第 七 章 恒壓供水組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ， 介紹了人機(jī)界面的制作過程。 最后，在第 八 章中，對(duì)本 課題 的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)進(jìn)一步研究工作做了展望。同濟(jì)大學(xué) 碩 /博士學(xué)位論文 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 2 章 相關(guān)理論與 技術(shù)基礎(chǔ) 2 1 述 編程控制器的定義 可編程控制器，簡(jiǎn)稱 是指以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國(guó)際電工委員會(huì) (布的 “ 采用可以編制程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。 于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì) ?！?21 發(fā)展和應(yīng)用 世界上公認(rèn)的第一臺(tái) 969年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司 (制的。限于當(dāng)時(shí)的元器件條件及計(jì)算機(jī)發(fā)展水平，早期的 要由分立組件和中小規(guī)模集成電路組成，可以完成簡(jiǎn)單的邏輯控制及定時(shí)、計(jì)數(shù)功能。 20世紀(jì) 70年代初出現(xiàn)了微處理器。人們很快將其引入可編程控制器，使 加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送及處理等功能，完成了真正具有計(jì)算機(jī)特征的工業(yè)控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統(tǒng)的工程技術(shù)人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運(yùn)算 及處理的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)組件都以繼電器命名。此時(shí)的 繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物。 20世紀(jì) 70年代中末期，可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段，計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、 能及極高的性價(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。 20 世紀(jì) 80年代初，可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增 多，產(chǎn)第 2 章 相關(guān)理論與 技術(shù)基礎(chǔ) 11 量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 20世紀(jì)末期，可編程控 制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合；從產(chǎn)品的配套能力來說，生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元，使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前， 油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、輕紡、交通運(yùn)輸、及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)，被稱為現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱之一 23。 系統(tǒng)組成 可編程控制器主要由 儲(chǔ)器、基本 I/O 接口電路、外設(shè)接口、編程裝置、電源等組成。 可編程控制器的結(jié)構(gòu)多種多樣，但其組成的一般原理基本相同，都是以微處理器為核心的結(jié)構(gòu)，如圖 示。編程裝置將用戶程序送入可編程控制器，在可編程控制器運(yùn)行狀態(tài)下，輸入單元接收到外部元件發(fā)出的輸入信號(hào)，可編程控制器執(zhí)行程序，并根據(jù)程序運(yùn)行后的結(jié)果，由輸出單元驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備。 圖 1. 中央處理器 算器和寄存器組成。這些電同濟(jì)大學(xué) 碩 /博士學(xué)位論文 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 路通常都被 封裝在一個(gè)集成的芯片上。 過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線與存儲(chǔ)單元、輸入輸出接口電路連接。 在系統(tǒng)監(jiān)控程序的控制下工作，完成的主要任務(wù)是： 接收與存儲(chǔ)用戶程序與數(shù)據(jù)； 檢查編程過程中的語法錯(cuò)誤，診斷電源及 （ 1） 通過掃描方式，將外部輸入信號(hào)的狀態(tài)寫入輸入映像寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中； （ 2） 存儲(chǔ)器逐條讀取用戶指令，按指令規(guī)定的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送、邏輯運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算等操作，然后將結(jié)果送到相應(yīng)的元件映像寄存區(qū)域。 (3) 根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，更新有關(guān)標(biāo)志位的狀態(tài)， 刷新輸出映像寄存器的內(nèi)容，再經(jīng)輸出部件實(shí)現(xiàn)輸出控制、或數(shù)據(jù)通信等功能。 2. 存儲(chǔ)器 可編程控制器的存儲(chǔ)器包括系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和用戶程序存儲(chǔ)器。 目前，常用的存儲(chǔ)器類型有：只讀存儲(chǔ)器 機(jī)存儲(chǔ)器 可電擦寫的存儲(chǔ)器 讀存儲(chǔ)器 編程控制器在生產(chǎn)過程中將系統(tǒng)程序固化在 ，用戶是不可改變的。用戶程序和中間運(yùn)算數(shù)據(jù)可存放在隨機(jī)存儲(chǔ)器 功耗、價(jià)格便宜的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，可用鋰電池做備用電源。它存儲(chǔ)的內(nèi)容是易失的，掉電后內(nèi) 容丟失；當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，用戶程序可以保存在只讀存儲(chǔ)器 非易失性和 來存放需要長(zhǎng)期保存的重要數(shù)據(jù)。 3. I/O 接口 為適應(yīng)工業(yè)過程現(xiàn)場(chǎng)輸入 /輸出信號(hào)的匹配， 置了各種類型的輸入 /輸出接口和模塊。 （ 1） 開關(guān)量輸入接口：把現(xiàn)場(chǎng)各種開關(guān)信號(hào)（如按鈕、限位開關(guān)等的接通和斷開）變成 部處理的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。分為直流輸入接口和交流輸入接口，分別如圖 流輸入接口一般采用直流 24流輸入接口 一般采用交流 110V 或交流 220V 電源作輸入電源。但我們現(xiàn)在大多采用直流 24 第 2 章 相關(guān)理論與技術(shù)基礎(chǔ) 13 流輸入接口框圖 （ 2）模擬量輸入接口：模擬量輸入在過程控制中的應(yīng)用很廣泛，如常用的溫度、壓力、速度、流量、酸堿度、液位等各種非電物理量的控制，都是采用檢測(cè)傳感器把這些非電物理量轉(zhuǎn)變成對(duì)應(yīng)的電壓、電流的模擬量值，傳送給模擬量輸入接口，再通過模擬量輸入模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，所以模擬量輸入模塊也叫做 A/D 轉(zhuǎn)換模塊。模擬量輸入電平大多是從傳感器通過變換后得到的，模擬量的輸入信號(hào)為 0 20電流信號(hào)或 0 5 V、 0 10 V、 10V +10V 等的直流電壓信號(hào)。 （ 3）開關(guān)量輸出接口：根據(jù)驅(qū)動(dòng)負(fù)載元件不同可將開關(guān)量輸出接口電路分為三種： 1）小型繼電器輸出形式，如圖 種輸出形式既可驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載，又可驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載。它的優(yōu)點(diǎn)是適用電壓范圍比較寬，導(dǎo)通壓降小，承受瞬時(shí)過電壓和過電流的能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是動(dòng)作速度較慢，動(dòng)作次數(shù)（壽命）有一定的限制。建議在輸出量變化不頻繁時(shí)優(yōu)先選用。若輸出點(diǎn)需要快速變化，如利用輸出點(diǎn)發(fā)出高速脈沖，則必須選擇其他 2種輸出形式。 圖 P L C 內(nèi)部 電 路L E 電 源K 碩 /博士學(xué)位論文 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2）大功率晶體管或場(chǎng)效應(yīng) 管輸出形式，這種輸出形式只可驅(qū)動(dòng)直流負(fù)載。它的優(yōu)點(diǎn)是可靠性強(qiáng)，執(zhí)行速度快，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是過載能力差。適合在直流供電、輸出量變化快的場(chǎng)合選用。 3）雙向晶閘管輸出形式，這種輸出形式適合驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載。由于雙向可控硅和大功率晶體管同屬于半導(dǎo)體材料元件，所以優(yōu)缺點(diǎn)與大功率晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管輸出形式的相似，適合在交流供電、輸出量變化快的場(chǎng)合選用。 （ 4）模擬量輸出接口：經(jīng)過運(yùn)算 (，再通過模擬量輸出的電壓、電流的模擬量值去控制輸出設(shè)備如比例閥的控制器、變頻調(diào)速器的給定值等，達(dá)到控制這些非電物理量的目的。所以模擬 量輸出模塊也叫做 D/A 轉(zhuǎn)換模塊。模擬量的輸出信號(hào)為 0 20 5 V、 0 10 V、 10V +10 4. 外設(shè)接口 外設(shè)接口電路用于連接手持編程器或其他圖形編程器、文本顯示器，并能通過外設(shè)接口組成 控制網(wǎng)絡(luò)。 過 纜或使用口與計(jì)算機(jī)連接，可以實(shí)現(xiàn)編程、監(jiān)控、連網(wǎng)等功能。 5. 電源 電源單元的作用是把外部電源（ 220換成內(nèi)部工作電壓。外部連接的電源，通過 部配有的一個(gè)專用開關(guān)式穩(wěn)壓電源，將交流 /直流供電電源轉(zhuǎn)化為 部電路需要的工作電源（直流 5 伏、正負(fù) 12伏、 24伏），并為外部輸入元件（如接近開關(guān)）提供 24供輸入端點(diǎn)使用），而驅(qū)動(dòng) 載的電源由用戶提供。 擴(kuò)展接口用于將擴(kuò)展單元或功能模塊與主機(jī)相連，使 配置更加靈活，以滿足不同控制系統(tǒng)的需要。 編程器是 用編程器將用戶程序送入 可以用編程器檢查程序，修改程序，監(jiān)視 常見的給 程的裝置有手持式編程器和計(jì)算機(jī)編程方式。在可編程序控制 器發(fā)展的初期，使用專用編程器來編程。小型可編程序控制器使用價(jià)格較便宜、攜帶方便的手持式編程器，大中型可編程序控制器則使用以小 為顯示器的便攜式編程器。專用編程器只能對(duì)某一廠家的某些產(chǎn)品編程，使用范圍有限。手持式編程器不能直接輸入和編輯梯形圖，只能輸入和編輯指令，但它有體積小，便于攜帶，可用于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。 計(jì)算機(jī)的普及，使得越來越多的用戶使用基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的編程軟件。目前可編程序控制器廠商都向用戶提供編程軟件，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上安裝編程軟件，第 2 章 相關(guān)理論與技術(shù)基礎(chǔ) 15 即可用個(gè)人計(jì)算機(jī)對(duì) 程。利用微機(jī)作為編程器， 可以直接編制并顯示梯形圖，程序可以存盤、打印、調(diào)試，對(duì)于查找故障非常有利。 技術(shù)性能指標(biāo) 1. 輸入 /輸出點(diǎn)數(shù) 可編程控制器的 I/O 點(diǎn)數(shù)指外部輸入、輸出端子數(shù)量的總和。它是描述的 2. 存儲(chǔ)容量 存儲(chǔ)器由系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器，用戶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器三部分組成。 征系統(tǒng)提供給用戶的可用資源，是系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。 3. 掃描速度 可編程控制器采用循 環(huán)掃描方式工作，完成 1 次掃描所需的時(shí)間叫做掃描周期。影響掃描速度的主要因素有用戶程序的長(zhǎng)度和 品的類型。 器字長(zhǎng)等直接影響 4. 指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)是指 5. 通信功能 通信有 間的通信和 其他設(shè)備之間的通信。通信主要涉及通信模塊，通信接口，通信協(xié)議和通信指令等內(nèi)容。 此外，不同 有其他一些指標(biāo)，如編程語言及編程手段、輸入 /輸出方式、特殊功能模塊種類、 自診斷、監(jiān)控、主要硬件型號(hào)、工作環(huán)境及電源等級(jí)等。 7紹 德國(guó)的西門子（ 司是歐洲最大的電子和電氣設(shè)備制造商，生產(chǎn)的 編程序控制器在歐洲處于領(lǐng)先地位。其第一代可編程序控制器是1975 年投放市場(chǎng)的 3 系列的控制系統(tǒng)。在 1979 年，微處理器技術(shù)被應(yīng)用到可編程序控制器中，產(chǎn)生了 5 系列取代了 列，之后在 20同濟(jì)大學(xué) 碩 /博士學(xué)位論文 恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 世紀(jì)末又推出了 列產(chǎn)品。最新的 品為 7、 7等幾大系列。 分為： 個(gè)系列。 7 大型的 整體式結(jié)構(gòu)的具有 功能很強(qiáng)大， 性價(jià)比 較高的中 型可編程序控制器。其結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，可以采用梯形圖、語句表 、 功能塊 及 四 種方式來編程；指令豐富，指令功能強(qiáng)大，易于掌握，操作方便，廣泛應(yīng)用于中國(guó)的機(jī)器制造業(yè)等場(chǎng)合。 應(yīng)用軟件和編程語言 可編程控制器的應(yīng)用軟件（用戶程序）是指用戶根據(jù)控制工藝生產(chǎn)過程的控制要求，按照使用的 程序。 用戶程序的編制可以使用編程軟件在計(jì)算機(jī)或者其它專用編程設(shè)備上進(jìn)行，用戶程序必須經(jīng)編程軟件編譯成目標(biāo)程序后，下載到 于可編程控制器的應(yīng)用場(chǎng)合是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，它的主要用戶是電氣技術(shù)人員，