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《福建農機雜志》2014年第二期

1演示區和操作區的功能設計

整套系統設有演示區和操作區。演示區作為教學演示，展示上述四種控制方式對給水系統的控制過程，從電路形式到控制執行的全過程都是透明開放，便于學習和理解。操作區是將給水系統的水位探測器、水泵和電磁閥的控制端引出來，將自行設計或制作好的繼電器、單片機、DDC和PLC等四種控制方式的任何一種電路接入該給水系統控制，驗證編程和制作的作品是否正確，進而較全面地掌握自動化控制技術的內涵，比較不同控制技術之間的異同點。演示區與操作區之間的電路要求完全隔離，互不影響，實現對同一套給水系統完成教學演示或作品驗證的獨立控制。首先是電源供電隔離，在演示區接入220V電源的空氣開關QS出線處接入一個交流接觸器KM。KM常閉端接入操作區開關QS1的電源出線端，給操作區提供一組電源插座；KM常開端接入示區開關QS的電源出線端。在演示區的空氣開關QS合上的時候，接觸器吸合，KM常開端閉合，演示區得電，KM常閉端斷開，操作區失電，實現演示區和操作區的隔離（見圖3）。演示區運行具有優先權，只有切斷演示區的總控電源開關，退出運行狀態，操作區才能進行通電操作使用。其次是隔離控制對象，當演示區得電后，開關電源24V輸出，為操作區繼電器K1－K7線圈供電，繼電器斷開接入常閉端的各個液位開關端口及水泵和水閥端口，操作區的外接端子在演示區工作時就不能使用，進一步隔離演示區和操作區。

2教學演示區系統設計

2.1控制系統的構成在演示系統中一共有四種控制方式，這四套控制系統中每個控制系統的輸入端與輸出端都有差異：PLC輸入端口需要外部24V電源形成輸入信號；DDC能接收有源開關量信號和無源開關量信號；單片機控制系統要檢測傳感器反饋信號電平值的高低是5V還是0V；繼電器控制系統是一個整體的控制電路，無需檢測。四套系統控制器的輸出端口都是繼電器模式，用控制輸出信號控制繼電器的常開常閉，因此通過PLC編程控制繼電器，對四種控制方式進行切換和隔離，使得每個系統不能同時運行，避免發生沖突。在演示系統中設置指示燈及選擇開關的面板，面板設有水泵、水閥工作指示燈及水位降到消防警戒水位的報警指示燈。用了5個帶有指示燈的按鈕，其中一個按鈕帶有自鎖，用于啟動/停止PLC內部的選擇控制程序，其余4個按鈕分別是繼電器、PLC、DDC、單片機各系統的選擇按鈕；各系統的切換控制及隔離電路由PLC輸出控制外部繼電器來實現切換。

2.2多方式控制系統的切換模塊四個演示系統中由于控制方式不同，輸入控制和輸出控制也不同，要對同一套給水設備分別控制，就必須將每個系統獨立開來，并且在四個系統之間可以任意選擇切換，選擇PLC作為切換模塊可以實現安全聯鎖保護。在系統中設置一個帶自鎖裝置的開關用來啟動/停止四個系統的選擇開關，而四個選擇開關帶有復位裝置，分別對四套控制系統進行切換演示。其中PLC切換模塊的I/O口分配如表1所示。在PLC切換模塊中建立一個帶自鎖的啟動/停止按鈕，其信令由I0.09端輸入，整個系統必須在這個開關接通后才能選擇和啟動各類控制系統；其余四個控制系統的選擇按鈕帶有復位裝置，目的是要在四個系統之間切換演示。因為沒有機械自鎖，并保證各個系統不能同時工作，所以要增加各個系統自鎖和互鎖的程序設計，當某個控制系統選擇和啟動的同時就要將別的系統鎖在停止運行狀態，保證切換安全可靠。PLC的輸出端口100.03~100.06控制繼電器構成的切換電路，實現傳感器反饋信號在各個控制系統之間的切換，保證四種控制模塊的輸入端口和電源不能同時工作，達到相互隔離、互不干擾的效果，每個輸出端各接一個指示燈，用來指示此時運行的系統。

2.3繼電器控制系統繼電器控制是一種應用悠久的控制方式，繼電器控制系統適用于一些簡單的邏輯控制電路，繼電器控制是屬于電工技術的課程，也是通用的電路，很多控制電路都離不開繼電器控制。該控制電路由7個繼電器K1~K7組成，繼電器K12和K13組成的切換電路接通了繼電器控制系統，接通了水位傳感器電路和警戒水位報警電路。繼電器控制系統的啟動按鈕SB1接通后，若水面在低水位：水泵啟動抽水，水閥開閘進水；水面到達低水位，K2和K5接通，但水泵和閥泵繼續運行；水面到達高水位，K1和K4接通，水泵和水閥停止運行。若水面下降到低于高水位，K1和K4失電，但水泵和水閥不會啟動；水面下降到低水位以下，K2和K5失電，水泵和水閥的電路被接通啟動。

2.4PLC控制系統PLC控制器產品設計和開發是基于現場控制為前提，信號處理時間短，速度快，所有的I/O輸入輸出信號均采用光電隔離，使工業現場的外電路與控制器內部電路之間有較好的電氣隔離。PLC控制模塊選用了OMRON產品，PLC控制給水自動化系統的I/O端口分配：水位探測器L1~L5對應輸入端口I0.00~I0.04，輸出端口100.00~100.02控制水泵、水閥和警戒水位報警指示燈的繼電器K8、K9和K7。PLC控制系統與繼電器控制系統相比，繼電器控制系統是采用硬件接線，利用繼電器機械觸點組合成控制邏輯，其連線多且復雜，靈活性和可擴展性受到很大限制；而PLC采用了計算機技術，其控制邏輯是以程序的方式存放在存儲器中，PLC控制系統連線少靈活性和可擴展性很好。

2.5單片機控制系統主控芯片采用STC89C52單片機，32個可編程I/O引腳，用作采集水位傳感器的開關信息、發送水泵和水閥控制信令的端口；串行通信接口作為485總線接口電路。單片機控制模塊包含了5V電源電路、單片機最小系統、繼電器驅動電路等等。單片機控制給水自動化系統的I/O口分配：水位探測器L1~L4對應P1.0～P1.3，P1.4和P1.5分別控制水泵和水閥的繼電器K8和K9。本系統采用AC220V供電，通過變壓器、整流電路和濾波電路的轉換，再由LM7805穩壓塊得到穩定的DC5V電壓供給單片機系統。單片機的I/O口輸出電流很小，因此需要增加放大級驅動繼電器。在繼電器兩端并接一個二極管形成釋放回路，消除繼電器感應電壓對電路的影響。

2.6DDC控制系統直接數字控制器，簡稱DDC，是樓宇自動化控制系統的另一種控制形式。選用海灣HW-BA5208DDC控制模塊，用LONWORKS現場總線技術與上位機進行通訊，通過編程完成給水信息的采集、顯示、操作和控制功能。HW-BA5208控制器內部集成多種軟件功能模塊，通過相應的Plug_in可方便地對其進行配置、組合，從而實現各種邏輯運算與算術運算功能。DDC控制給水自動化系統的I/O端口分配：水位探測器L1~L5對應輸入端口DI1~DI5，DO1和DO3分別控制水泵、水閥和警戒水位報警指示燈的繼電器K8、K9和K7。

3系統管理軟件的設計與組建

給水自動化控制系統的管理上位機選用PC機較為合適，便于組建機房實施教學。應用力控組態軟件來開發管理平臺，設計用戶界面、后臺數據存儲，設置上位機與控制器之間的通信，具有簡單、直觀、易于理解等特點。以設計DDC控制方式的管理界面為例，首先要對I/O設備組態進行配置，使得組態軟件能跟DDC5208通用控制模塊進行通信；在數據庫組態配置輸入輸出端口中，根據DDC5208通用控制模塊的輸入輸出端口進行相對應的配置；在窗口中繪制控制界面，根據數據庫組態設置每個圖形，使得控制界面形象生動，演示效果逼真；在控制界面中設有手動模式，可以對現場給水設備的運行狀態即時操作控制和檢測，既加強了對自動化控制系統的理解，又增加了學習的樂趣。

4結束語

多控制方式樓宇自動化系統系統的開發研制是以給水系統為載體，綜合體現多種控制技術的控制過程，有利于不同控制技術的橫向比較，提升綜合理解和綜合應用的實踐能力。該系統開發研制的效果達到了真實性、實用性、全面性、開放性、規范性和綜合性等幾個方面的要求，從控制器件、電路設計、布線規范、接線要求、編程特點都是直觀明了、便于操作，集中展示了樓宇自動化控制技術的多樣性和各種控制方式的設計特點與制作特點。

作者：程智賓陳榕林勵單位：福建信息職業技術學院