（电气工程专业论文）城市供水供暖计算机无线调度系统的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c hf o rc o m p u t e r i z e dw i r e l e s sd i s p a t c h i n gs y s t e m o ft o w nw a t e ra n d h e a t i n gs u p p l y a b s t r a c t t h el e v e lo f t o w nw a t e ra n d h e a t i n gs u p p l y i so n eo f t h es i g n i f i c a n ts i g no f t h em o d e r n i z e c i t yb u i l d i n g t h ec o m m u n a lu n d e r t a k i n gg o o do rb a do f t o w nw a t e ra n d h e a t i n gs u p p l yi s c l o s e l yl i n k e da g a i n s tp r o d u c t i o n o fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r ea n dt h ep e o p l ea v e s i tw a sp u t f o r w a r dt h a tt h em o r ea n dm o r eh i 曲e rd e m a n do fm a n u f a c t u r ea u t o m a t i o na n da d m i n i s t r a t i o n p o p u l a r i z e ds c i e n c e o f t a pw a t e rc o r p o r a t i o na n dh e a l i n gc o r p o r a t i o n i nt h ep a s tf e wy e a r s ，i n t h ew a k eo ft h es w i f ta n dv i o l e n td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n i q u e ，e l e c t r o nt e c h n i q u e ， c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e ，e x a m i n a t i o nt e c h n i q u e ，i n s t r u m e n tt e c h n i q u e a n ds e n s o r t e c h n i q u e t h ea d v a n t a g e o u sc o n d i t i o n sa r e s u p p l i e di nt o w nw a t e ra n dh e a t i n gs u p p l yd i s p a t c h i n g a u t o m a t i o n t h eo r i g i n a ld e s i g no ft h ec o m p u t e r i z e dw i r e l e s sd i s p a t c h i n gs y s t e mo ft o w nw a t e ra n d h e a l i n gs u p p l y c o n s t i t u t e st h r o u g h d i s p a t c h i n gc e n t e r ，r e m o t e t e r m i n a ls t a t i o n , r e p e a t e r s t a t i o n , t h ed y n a m i cs i m u l a t i o ns c r e e n sa n ds oo n d i s p a t c h i n gc e n t e rc o m p u t e rs o t t w a r ea d o p t sv i s u a l c + + 6 0t oc o m p o s eo nw i n d o w s9 8o p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r m t h ec o m m u n i c a t i o n p r o g r a m a d o p t sm f cm u l t i t h r e a d i n gp r o g r a m m i n gi d e a li no r d e rt ol i f t t h es y s t e m a t i cc o m m u n i c a t i o n d e p e n d a b i l i t y t h ed e s i g no fd y n a m i cp a r a m e t e rt a b l ei n c r e a s e st h es y s t e m a t i cc o m m o n a l i t y u s i n gp r o g r a m m i n gl o g i c a lc o n t r o l l e r ( p l c ) a st h et e r m i n a l d e v i c ec o m p l e t ea l lk i n d so f o p e r a t i o n s s u c h 嬲t h e d a t a c o l l e c t i o n , c o m m u n i c a t i o n , c o n t r o la n d s oo n t h ec o l l e c t e dd a t aa r e h a n d l e dw i t ht h er e c u r s i o na v e r a g e f i l t e r i n gm e t h o d t oi n a p r o v ed a t a a c o u r a c y t h e a n t i i n t e r f e r e a n d f l e ) ( i b u i t yo f m e n m a c h i n ei n t e r f a c ea l ec o n s i d e r e di nt h e s y s t e md e s i g n t h ed e s i g no ft o w nw a t e ra n dh e a t i n gs u p p l yc o m p u t e r i z e dw i r e l e s sd i s p a t c h i n gs y s t e m s u p p l yv a l i dm e t h o di nt o w n w a t e ra n dh e a t i n gs u p p l ym a n u f a c t u r ea u t o m a t i o na n ds c i e n c e a d m i n i s t r a t i o n , b ym e a n so ft h ed i s p a t c h i n gs y s t e m ，t h ea i mo fo p t i m i z a t i o nd i s p a t c h e s ， o # m u m c o n l r o la n ds a f ep r o d u c t i o na er e a l i z e d 。 k e yw o r d s ：c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n ，d i s p a t c h i n gs y s t e m ，p l c 2 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：f 西南日期：友删弓彳 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日姐：炒；| 0 。；。 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 城市供水、供瑷水平是现代化城市建设的重要标志之一，一个城市供水、供暖等公 用事业的好坏与工农业生产和人民生活息息相关，这就对自来水公司、供暖公司生产自 动化和管理科学化提出了越来越高的要求。为了保证城市供水、供暖，必须及时掌握分 散在城市的水源、热源、水网、热网管线的运行状况和生产参数，往往占用大量人力、 物力收集数据，实时性不强，准确性不够，制约了调度决策，影响供水、供热的质量， 浪费能源。采用计算机控制技术、通讯技术、传感器技术、监测技术为城市供水、供 暖设计一套调度系统，为城市供水、供暖生产的自动化和管理科学化提供了有效的途 径，通过调度系统的使用，以达到优化调度、最佳控制、安全生产的目的。 世界各国在供水、供暖行业已广泛应用自动化监控，日本一家日产几十万吨水的水 厂，只有七八个人，可见自动化水平之高。国外计算机调度系统设备已商品化，如美国 m o t o r o l a 公司在哈尔滨自来水公司，法国在沈阳李巴彦水厂，芬兰i v o 公司在牡丹江 热网管理处都有用户。由于价格昂贵，没有大量打开中国市场。 各大学和研究所开展这项研究已有十多年的历史，也有一些应用，有其价格便宜等 优点，但在技术上与国外产品有较大的差距，存在可靠性较差、操作不灵活、人机界面 不好等缺点。 近年来，随着计算机技术、电子技术、通讯技术、检测技术、自动化仪表技术及传 感器技术的迅猛发展，为城市供水供暖调度的自动化提供了有利的条件：同时，随着我 国现代化进程的加快，提高城市供水供暖生产管理水平，改善供水、供暖效果，合理利 用水利资源和热量资源，节约能源，减轻劳动强度尤为重要，因此。急需建立一套适合 于城市供水供暖的计算机调度系统。 本设计旨在充分利用现代计算机技术、通讯技术、自动化仪表技术、传感器技术等 科学技术，使系统在可靠性、灵活性、方便性上取得较大的突破，使系统更适合于现场 使用。 沈阳工业大学硕士学位论文 l 计算机无线调度系统的组成及工作原理 计算机无线调度系统是多种高新技术、高科技成果的结合。合理有效地开发先进 技术，达到供水供暖行业要求，关键在总体设计。首先要满足用户要求，在总调度室能 看到全城市供水、供暖参数和设备运行数据，保证全天监控。第二是总体要保证数据准 确，每个环节误差分配要合理，留有余地，达到总的精度指标。第三保证系统稳定可靠 地工作，自己研究开发和选用的产品兼容性要好。第四要做到系统操作方便灵活，人机 界面友好。 计算机无线调度系统主要由调度中心、远程终端站、中继站、动态模拟屏等构成。 1 1 1 调度中心的基本组成 调度中心由上位计算机、系统软件、无线数传机、直流稳压电源、天馈系统等部分 构成。 l 、上位计算机：p c 机 2 、系统软件：含系统通讯、数据采集、数据库处理、图形显示、打印报表等。 3 、无线数传机：包含数传电台和调制解调板( m o d e m ) ，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，一般由采用功率较大、连续工作能力强的 数传电台，例如采用把大功率电台的功率调小使用，以增强发射机的连续工作能力，确 保整个系统的稳定运行。 4 、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、过压保护及防雷等功能，一般选用线性电 源为好。 2 沈阳工业大学硕士学位论文 5 、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。 其组成如图1 i 所示。 ( 图1 i ) 调度中心组成示意图 1 1 2 现场远程终端站的基本组成 现场远程终端站( 分站) 负责根据调度中心的指令，对现场各个参数进行实时数据采 集，主要包括以下几个部分：无线数传机、p l c ( 可编程序控制器) 、现场二次仪表、 变送器、直流电源。 l 、无线数传机：包含数传电台和调制解调板( m o d e m ) ，可跟据通信距离的远近 选择不同功率的数传电台；如果需要在野外的恶劣环境中工作，则必须选择环境特性良 好的数传电台。 2 、p l c ( 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，负责 与调度中心上位计算机通讯及进行现场的数据采集。 3 沈阳工业大学硕士学位论文 3 、现场二次仪表、变送器：测量现场压力、流量、电流、电压、水位、流速、等 参数的变送器，显示仪表，有些现场需要开关量控制等等。 4 、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；最好 还具有过流、过压保护及防雷等功能。 5 、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。 现场终端站组成如图1 2 所示。 1 1 3 中继站 ( 图1 2 ) 现场终端站组成示意图 中继站可根据实际需要架设或不架设。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。 d 沈阳工业大学硕士学位论文 中继站具体设置的方法是找一个制高点架设一个全双工中继台( 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m o d e m 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。 1 1 4 动态模拟屏 作为一种现代化生产管理手段，动态模拟屏已被国内许多工矿企业广泛采用。其作 用是便于明确工艺流程，指导生产操作监控设备的运行状态，减少操作失误；是一种向 管理要效益的有效途径。 动态模拟屏采用了管线动态发光指示( 或流动发光) ；压力、液位l e d 棒状图模拟 显示；l e d 数字式显示表：集中闪光报警指示表等多项新技术，使调度人员观察、掌握 整个系统的运行状态、事故状态更直观、更清晰、更便利。 调度中心动态模拟屏采用计算机通讯控屏方式运行，实时显示现场设备的工作参数 或机泵的开关状态，便于调度人员及时观察、掌握整个系统的运行信息。 1 2 工作原理 城市供水供暖计算机无线调度系统耩于应用技术研究，是利用当今最先进的技术原 理：计算机技术、无线通讯技术、自动化仪表技术、传感器技术的有机结合，构成一个 完整的系统。总调度中心计算机按照专门设计的程序自动或手动发布各种测控命令，采 用无线通讯方式传输计算机信息，对分散在各地生产部门的仪表或设备进行监测和控 制，远地终端站由现场的p l c 负责采集和管理数据，终端站可以无人职守，调度中心 计算机对采集上来的数据进行分析、处理，并可以每天打印报表，生产现场的参数有压 力、温度、液位、流量、电流、电压、电量、浊度、余氯等等。通过变送器变成4 一 5 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 0 m a 的标准模拟信号或发出脉冲信号，还可以控制设备的开停和管理无线电台的收发 信息。采用p c 机作为调度中心测控计算机，与无线数传机相连，负责向现场p l c 发送 各种测控命令，如测试现场的即时数据，控制电机等设备的开停命令，并把现场终端站 返回的数据信息保存起来，对现场终端站出现的各种报警参数及时响应，并把所测得的 即时数据和报警数据分析、处理，进行打印报表，并以直方图、曲线图、管网图等直观 的图形方式显示在计算机的显示器上。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 2 城市供水供暖计算机无线调度系统硬件设计 计算机无线调度系统的硬件设计包括无线数传机的设计和p l c 可编程序逻辑控制器 的设计两部分，其中无线数传机的设计主要包括无线电台的选型和调制解调板的设计。 随着计算机技术的高速发展，远距离的通讯问题必须解决，由于无线电台制造技术 完善，工作稳定可靠，所以无线数传技术得到了广泛的应用。与有线通讯相比，主要优 点为：不用架设或埋地下电缆，安装方便、维修简单、使用灵活，不受时间条件限制， 省时、省工、省钱。由于电台性能提高，所以数据传输可靠，并且传数、通话兼容。尤 其在城市建设定型的情况下，实现远距离通讯传输计算机信息，无线数传机是最为理想 的设备。 无线数传机是一种数据远距离无线传输设备，它包括无线电台和调制解调板两部分 构成。调制解调板负责把计算机的数字信号( 方波) 转换成即调制成无线电台能够传输 的模拟信号( 正弦波) ，无线电台对载波实行调频后，由天线发射出去，通过空间电磁 波载波频段传输，在远处终端站的另外一台无线数传机也通过天线将信号接收进来，调 制解调板把正弦波解调成方波，又恢复成计算机使用的数字信号，从而实现无线数据的 传输。 目前r s 一2 3 2 是p c 机通信中应用最广泛的一种串行接口。r s 一2 3 2 被定义为一种在 低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。r s 一2 3 2 采取不平衡传输方式，即所谓单 端通信。 典型的r s - 2 3 2 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电 平在+ 5 + 1 5 v ，负电平在一5 一1 5 v 电平。当无数据传输时，线上为t t l ，从开始传送数 据到结束，线上电乎从t t l 电平到r s 一2 3 2 电平再返回t t l 电平。接收器典型的工作电 平在+ 3 + 1 2 v 与一3 一1 2 v 。 7 一 沈阳工业大学硕士学位论文 r s 一2 3 2 是为点对点( 即只用一对收、发设备) 通信而设计的，其驱动器负载为3 7 kq 。由于r s 一2 3 2 发送电平与接收电平的差仅为2 v 至3 v 左右，所以其共模抑制能力 差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约1 5 米，最高速率为2 0 k b s 。所 以r s 一2 3 2 适合本地设备之间的通信【”。 2 1 1 无线电台 用无线电台方式实现远程数据采集、监视与控制，相对于架设专用电缆( 或光 缆) 、租用电信专线等，具有造价低廉、施工快捷、运行可靠、维护简单等优点。目 前国内遥测遥控电台很多采用的数传电台，是由工作于2 3 0 m h z 频段的模拟调频对讲收 发信机( 即车载式对讲机) 加调制解调器( m o d e m 改制而成的。2 2 0 2 4 0 m h z 频段是我 国无线电管理部门规划分配的数据传输业务允许使用的频段之一，工作于该频段的车载 台包括美国摩托罗拉、新西兰大吉、日本日精、日本日立及国内( 深圳、北京) 等公司的 产品。 其中日本日精电子公司生产的超短波数传电台无论在产品质量、专业化程度及市场 占有率等方面目前在同类产品中绝对是排在第一位的，在电力、水利部门的市场占有率 达到8 0 以上。 日精公司是一家专业生产数传电台的大型企业，生产一系列各种功率、各个频段、 不同功能的专业数传电台，功率小至l m w 、i o e w 、1 w ，大至5 w 、l o w 、2 5 w ；速率低至 1 2 0 0 b p s ，高至1 9 2 k b p s ：凭借其各个层次的高性价比的产品，日精公司已成为目前世 界上最大的超短波无线数据通信设备制造商之一，不光是在中国，在日本本土及国际市 场上也是有相当知名度的。其中n d 2 5 0 a 电台，由于其独有的特点，广泛地应用于无线 通讯。 n d 2 5 0 a 电台的技术特点： 1 、n d 2 5 0 a 电台具有国家无委会颁发的数传电台型号核准证，是真正意义上的数传 电台。 2 、9 针型数传接口，数话兼容，数传可优先，可靠性高。 8 一 沈阳工业大学硕士学位论文 3 、达到工业级产品的标准，适用于高温、低温、潮湿等各类严酷的工作环境，工 作温度范围宽，可达到- 4 0 c 一+ 7 0 。c ，可靠性高，适应面广，尤其适合在野外使用。频 率稳定度达到1 5 p p m ( 采用t c x o ) 。具有各种完善的保护功能，如电源逆接保护、 发射机“长发”保护、天线开路及短路保护等，进一步提高了产品的可靠性，确保系统 的安全运行。 4 、软件功能强大，主要参数、指标及功能可在w i n d o w s 系统下可编程设置，非常方 便、友好。如频率、功率、连续发射时限、频响特性、静噪深度、静噪信号逻辑电平、 数话切换逻辑电平、节电工作模式、传输速率、数据格式、地址码等参数及功能可通 过电脑编程设置。编程软件及测试软件随机提供，方便用户调试与使用。同时具有遥控 改变频道等特别功能。 5 、功耗很低。 第一，守候电流极低，所有数传电台的守候电流都在5 5 m a 以下，在“节电”及 “睡眠”模式消耗电流更低，特另h 适合于采用太阳能供电的情形。而其他同类产品的守 候电流普遍在3 0 0 m a 左右； 第二，发射机效率高，在同等发射功率输出下消耗的电流较其他同类产品低，降低 了自身的发热，提高了发射机寿命。同时减少了对所配直流稳压电源的负载要求，节省 了成本。 6 、可提供1 6 4 8 个同频或异频半双工信道，并且在任何情况下都不会发生“跑频 道”情况。 7 、机壳为合金压铸结构，体积紧凑，结构坚固，屏蔽及散热性好。对容易产生射 频辐射的电路，如低通滤波器等，设计在电路板的反面，嵌入直接在机壳上压铸成型的 屏蔽槽中，大大减小了电磁辐射，进一步提高了抗干扰性能，电磁兼容性极佳。 8 、外观设计精致美观。配有特制的工程安装架或安装螺丝孔，装、卸方便。 9 、发射机起动速度快，收发转换时间短，提高了系统容量。 1 0 、接收灵敏度高，优于0 1 8uv ( 1 2 d bs i n a d ) 。 1 1 、上电自检时间极短，上电后马上就能进入正常工作状态。 。9 沈阳工业大学硕士学位论文 由于无线数据传输较有线及其他传输有其特殊性，如可能受干扰、存在收发转换时 问等，所以在使用数传电台时应注意以下事项： 1 、应选用合适的直流稳压电源，要求抗高频干扰能力强、纹波小、并有足够的带 载能力；最好还具有过流、过压保护及防雷等功能，确保数传电台正常工作。 2 、不要在超出数传电台环境特性的工作环境中使用，如高温、潮湿、低温、强电 磁场或灰尘较大的环境中使用。 3 、不要让数传电台连续不断地处于发射状态，否则会烧坏发射机，可以设定最长 的连续发射时限，确保发射机不被损坏。对数传电台编程时应很好地利用这一功能。 4 、数传电台的地线应与外接设备( 如p c 机，p l c 等) 的地线良好连接，以防止 烧坏通信接口。 5 、数传电台的r s 一2 3 2 c ( 或订l ) 通讯口，除了t x d 、r 如、g n d 外，还必须有r t s 控发信号( 控制发射机发射) ，但p l c 的串i ：1 不能提供出r t s 信号。此时可以通过对 p l c 的编程把某输出点设定为r t s 信号。 6 、在对数传电台进行测试时，必须接上匹配的天线或5 0 w 假负载，否则容易损坏 发射机。如果接了天线，那么人体离天线的距离最好超过2 米，以免造成伤害，切勿在 发射时触摸天线。 7 、由于无线电台的发射机起动( 从功率为0 w 到最大功率叫做发射机起动时间) 及 接收机的静噪开启都需要一定的时间( 这个时间根据不同的电台从几个毫秒到几百毫秒 不等) ，所以在发送数据时应注意：如果在打开发射机的同时( 即r t s 有效) ，同时 也向空中送出数据( t x d ) ，这样由于此时发射机尚未稳定工作、接收方的静噪也未打 开，前面一段数据就会丢失。应该在打开发射机后，等待l o o m s - - 2 0 0 m s 后再送出数 据，数据发送完毕后，拖延5 0 m s 左右后再关闭发射机。 r t s 与t x d 的时序图如图2 1 所示。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 雕! 堡厂 r t s 一卜一 珊i 凹二二二 ； 一， 卜一一，l ! c i i!i 2 1 2 调制解调板的设计 ( 图2 1 ) r t s 与t x d 的时序图 调制解调板负责把计算机的数字信号( 方波) 转换成即调制成无线电台能够传输的 模拟信号( 正弦波) ，无线电台对载波实行调频后，由天线发射出去，通过空间电磁波 载波频段传输，在远处终端站的另外一台无线数传机也通过天线将信号接收进来，调制 解调板把正弦波解调成方波，又恢复成计算机使用的数字信号，从而实现无线数据的传 输。调制解调板设计的好坏，直接影响系统通讯的可靠性，因此，调制解调板设计是整 个系统设计中的一个重要环节。 2 1 2 1 调制解调芯片 设计调制解调板最重要的是选择调制解调芯片，其次是要配上相应的发送、接收， 电平转换、控制电路。m s m 7 5 1 2 b 是日本o k i 公司最新推出的单片f s k 调制解调器。它 遵从i t u _ tv 2 3 规范，可支持1 2 0 0 b p s 半双工或1 2 0 0 b p s 收7 5 b p s 发全双工两种方式 的数据传送。是专门用于调制解调的芯片，因此，本设计采用m s m 7 5 1 2 b 作为调制解调 的芯片设计调制解调板嘲。 m s m 7 5 1 2 b 特征： 1 遵循i t u tv 2 3 协议，1 2 0 0b p s 半双工 2 遵循i t u _ tv 2 3 协议，7 5b p s 传输 沈阳工业大学硕士学位论文 3 单一供电+ 3v 一十5v 4 低功耗：0 1m w 最大 5 片内线性混合电路 6 模拟输出线性直接驱动 7 3 5 7 9 5 4 5m h z 晶振 8 数字接口：1 v r l 2 1 2 2 调制解调板电路设计 调制解调板电路的设计应包括两个部分：调制解调器与无线电台之间的调制解调电 路、调制解调器与计算机( 现场p l c ) 之间的数据传输电路。调制解调板设计的结构框 图如图2 2 所示。 ( 图2 2 ) 调制解调板结构框图 无线电台的输出信号( 即o u t 信号) 需要经过信号滤波、放大后，达到调制解调芯 片输入电压范围，输入到调制解调芯片m s m 7 5 1 2 b ，经过m s m 7 5 1 2 b 解调之后，经过电平 转换电路( t c 2 3 2 ) ，转换成2 3 2 电平，输出至调度中心计算机或现场p l c 。同样，调 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 度中心计算机或现场p l c 发布的测控命令和测试数据为2 3 2 电平，需要经过电平转换， 转换成t t l 电平输入至调制解调芯片，经过调制解调芯片调制，在经过信号放大器放大 后输出至无线电台。 t c 2 3 2 为专门的电平转换芯片，可以将调制解调芯片m s m 7 5 1 2 b 输出的t t l 电平转 换为与计算机或p l c 通讯的2 3 2 电平，也可以将计算机或p l c 通讯输出的2 3 2 电平信号 转换为调制解调芯片m s m 7 5 1 2 b 的输入t t l 电平信号【3 】。 t c 2 3 2 电平转换电路如图2 3 所示。 2 2 u 2 2 t t l l d l f f s l 田5 1 2 b c d t d 无缱审| 台r s ( 图2 3 ) t c 2 3 2 电平转换电路 计算机或p l c r d c d t d i 氇 1 、信号的输入通道： 调度中心计算机发布的各种测控命令，通过2 3 2 串行口，输出至调制解调板的 t c 2 3 2 电平转换芯片进行电平转换，转换成t t l 电平，输出到m s m 7 5 1 2 b 的t d 端，经过 m s m 7 5 1 2 b 的调制，由t c 端输出，t c 端的输出信号经过电阻、电容隔离滤波，然后经过 精密运算放大器放大，将输出信号输出至无线电台发射出去，实现测控命令的发送。 同样，现场终端站的无线数传机中的无线电台接收到数据信号后，数据信号经过电 阻、电容隔离、滤波，然后经过精密运算放大器放大，将输出信号输出至m s m 7 5 1 2 b 的 r c 端，经过m s m 7 5 1 2 b 对数据信号进行解调，由r d 端输出，r d 端的输出信号经过 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 t c 2 3 2 电平转换芯片进行电平转换，转换成2 3 2 电平，输出到现场的p l c ，现场终端站 p l c 接到命令后，按照接收到的命令，执行相应的测控操作。 2 、信号的输出通道： 现场终端站的p l c 数据采集、控制电机等操作结束后，将现场测试的数据及设备运 行的状态，通过2 3 2 串行口，输出至调制解调板的t c 2 3 2 电平转换芯片进行电平转换， 转换成t t l 电平，输出至m s m 7 5 1 2 b 的t d 端。经过m s m 7 5 1 2 b 的调制，由t c 端输出，t c 端的输出信号经过电阻、电容隔离滤波，然后经过精密运算放大器放大，将输出信号输 出至无线电台发射出去，实现测控数据的传输。 同样，调度中心的无线数传机中的电台接收到数据信号后，数据信号经过电阻、电 容隔离、滤波，然后经过精密运算放大器放大，将输出信号输出至m s m 7 5 1 2 b 的r c 端， 经过m s m 7 5 1 2 b 对数据信号进行解调，由r d 端输出，r d 端的输出信号经过t c 2 3 2 电平 转换芯片进行电平转换，转换成2 3 2 电平，输出到调度中心计算机，最终将测试的数据 传送到调度中心计算机，调度中心计算机将所测得的数据进行显示、存储、打印报表。 3 、信号的控制通道： 调制解调板与调度中心计算机相连接的有四个信号线，即：c d 、r s 、t d 、r d 。其 中c d 为载波检测信号，通过对c d 信号的检测，可以判断信道的繁忙程度，即确定发送 或接收信道是否有数据在发送或接收，通过对c d 信号的判断，决定数据的发送，即当 信道处于繁忙时，不向调制解调器发送数据，仅当在信道处于空闲状态时，才可以向调 试解调器发送数据。r s 为数据的请发信号，在发送数据之前，应使请发r s 信号有效， 并且延时一段时间，使无线电台建立载波信号，仅当无线电台载波信号建立之后，才能 够向调制解调器发送数据。t d 为数据发送线，调度e e , 5 计算机发布的测控命令，通过 t d 线发送给现场终端机。r d 为数据接收信号线，现场终端站测试上来的数据，通过r d 线传给调度中心计算机，调度中心计算机将测试上来的数据进行数据处理。调度中心计 算机在发布测控命令之前，首先要检测载波信号c d 是否为忙的状态，如果载波信号处 于忙状态，调度中心计算机就继续等待，并查询c d 信号，直到载波信号c d 处于空闲状 态后，调度中心计算机通过r s 数据请发信号线，通过t c 2 3 2 电平转换器电平转换后向 调制解调芯片m s m 7 5 1 2 b 发送请发信号，并且延时一段时间，使调制解调芯片准备好接 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 收数据，然后调度中心计算机通过t d 数据发送线将测控命令发送至t c 2 3 2 电平转换 器，通过t c 2 3 2 电平转换器将测控命令传送至调制解调芯片m s m 7 5 1 2 b 。同样，调制解调 芯片m s m 7 5 1 2 b 接收的数据，通过t c 2 3 2 电平转换器电平转换后，通过r d 接收数据线将 接收到的数据传输给调度中心计算机。 由于无线电台具有传送数据和传送语音信号两种功能，因此应该设计控制电路对传 送数据信号和传送语音信号进行控制，即当系统需要传送数据信号时，把传送语音信号 的话筒的p t t 信号和m i c 信号暂时断开，传输通道专门传输数据，当需要传输的数据传 输完毕之后，再将话筒的p t t 信号和m i c 信号连接上，实现在空闲时语音的传输。具体 实现的方法是将t c 2 3 2 输出的r s 请发信号，连同载波信号c d 连接到一个与非门的输入 端，与非门的输出端经过运算放大器跟随放大，增强带负载能力后，连接到光电偶合器 的输入端，通过光电偶合器的输出端控制1 2 v 继电器，话筒的p t t 信号线和m i c 信号线 分别连接到继电器的常闭触点上，当与非门的输出信号有效后，控制继电器吸和，继电 器常闭触点断开，从而将话筒的p t t 信号线和m i c 信号线断开，不能进行通话，使数据 线专门用于传输数据。当请发信号r s 或载波信号c d 处于无效状态下，与非门的输出信 号处于无效状态，继电器释放，p t t 信号线和m i c 信号线连接继电器的常闭触点，恢复 话筒的语音通话功能【4 】。 4 、电源设计： 无线电台电源输出电压为1 3 8 v ，在调制解调板电源设计中，调制解调芯片 m s m 7 5 1 2 b 需要+ 5 v 和一5 v 两种电压，t c 2 3 2 电平转换器需要+ 5 v 电压，继电器需要1 2 v 电压。在电源设计中采取1 3 8 v 单一供电电源的形式，+ 5 v 、一5 v 分别通过1 3 8 v 电源 产生，不用) h j j h + 5 v 和一5 v 电源，采用单一的电源方式，同以往采用的多种电源形式相 比，有形式简单、可靠性高的特点。具体的电源设计方案为： ( 1 ) + 5 v 电源： 1 3 8 v 电压首先接连到l m 7 8 0 9 c t 三端稳压器的输入端，l m 7 8 0 9 c t 三端稳压器的输 出端将电压降到9 v ，然后将l m 7 8 0 9 c t 的输出端连接到三端稳压器l m 7 8 0 5 c t 的输入 端，通过l m 7 8 0 5 c t 产生+ 5 v 电源，由l m 7 8 0 5 输出端输出。其具体电路如下图2 4 所 示。 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 图2 4 ) + 5 v 电源电路原理图 ( 2 ) 一5 v 电源： 1 3 8 v 电压连接到n e 5 5 5 定时器的v c c 端，通过外加两个5 1 0 q 的电阻和两个容值 分别为o 1 v 和0 o l v 的电容，n e 5 5 5 定时器构成多谐振荡器，n e 5 5 5 定时器的输出端通 过连接二极管和电容组成的充放电电路，将输出信号连接到l m 7 9 0 5 c t 三端稳压器的输 入端，通过l m 7 9 0 5 c t 输出一5 v 电压。其具体电路如下图2 5 所示。 5 、 波特率的设定： ( 图2 5 ) 5 v 电源电路原理图 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 通过对m s m 7 5 1 2 b 调制解调芯片中t s 、r d r l 、r d r 2 的设定，可以实现对通讯波特率 的设定，在这里采用一个拨码开关中的三位分别与t s 、r d r l 、r d r 2 三端连接，通过拨 码开关设定通讯波特率【5 】。 2 2 可编程序逻辑控制器的设计 在测控系统中，作为数据采集和系统控制的核心单元部件通常是单片机或p l c ( 可 编程逻辑控制器) 。虽然单片机具有体积小、价格低廉、设计灵活、组成系统容易的特 点，但是由于单片机在抗干扰防护，特别是在通讯抗干扰防护方面能力较差，而计算机 无线调度系统在通讯可靠性、实时性、误码率等方面都有较高的要求，因此单片机不适 合应用于本系统。 p l c 的结构与单片机有所不同，p l c 在硬件防护上有屏蔽、滤波、隔离等措施，在 通讯抗干扰防护方面有较强的能力，同时在软件上有多项保护功能，编程方便，采用模 块化结构，扩充方便，并且具有体积小、重量轻的特点，因此，本设计中采用p l c 作为 核心的控制单元。现场终端站p l c 硬件结构框图入图2 6 所示。 ( 图2 6 ) 现场终端站p l c 结构框图 - 1 7 沈阳工业大学硕士学位论文 目前，p l c 在市场上种类很多，其中s i m e n t s 公司的系列产品以其强大的功能、良 好的界面倍受青睐。s i m e n t s 公司拥有s i m a t i c 系列化的产品，其中s 7 3 0 0 是目前流 行的产品。 s l i d a t i cs 7 3 0 0 可编程序控制器是模块化结构设计，各种单独的模块之间可进行 广泛组合以用于扩展。系统由以下几个部分组成： 中央处理单元( c p u ) 各种c p i 有不同的性能，有的c p u 上集成有输入输出点，有的c p u 集成通讯接口等 等。 信号模块( s m ) 用于数字量和模拟量的输入和输出 通讯处理器( c p ) 用于连接网络和点对点连接 功能模块旧 用于高速计数，定位操作( 开环或闭环控制) 和闭环控制 负载电源模a ( p s ) 用于将s i m a t i cs 7 3 0 0 连接到11 2 0 2 3 0 伏交流电源 接口模块由 用于多机架配置时连接主机架和扩展机架，可以操作多达3 2 个模块 s i l v i a t i cs 7 3 0 0 具有高电磁兼容性和强抗振动、冲击性，有很好的工业环境适应 性，温度范围宽( 可以达到3 0 c 一- - + 6 0 。c ) ，安装结构简单嘲。 2 2 1 中央处理单元( c p u ) c p u 是p l c 控制单元的核心部件，不同类型的c p i j ，在功能上也有所不同。在计算 机无线调度系统中，有一定数量的模拟量和开关量的输入和输出，并且对反应速度、程 序存储空间都有要求，而s 7 3 1 4 型c p u 可以进行高速处理，有中等规模的i 0 配置， 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 适合于中等规模的程序设计以及中等指令执行速度的程序。因此在本设计中，选择 s 7 3 1 4 型c p u 。s 7 3 1 4 型c p u 的指令简单一些，并且为用户提供了s t l 、l a d 、f b d 三 种语言编程格式，编程软件指令功能强大指令的逻辑或运算功能十分细致，指令具有延 续性和对后一代产品的兼容性，表达方式简明扼要。 s 7 3 1 4 型c p u 在硬件设计上也有一些特殊性。采用模块化的紧凑式的结构形式， 适用于高电磁兼容性和强抗振动、冲击性，具有较高的工业环境适应性。3 1 4 型c p u 的 主硬件参数为：标准温度范围在0 + 6 0 。在这个品种中，选用的3 1 4 型c p u 适用 于高速处理和中等i o 口，可以装载中等规模的程序，其内存为2 4 k b ，指令速度 0 3 m s 1 0 0 0 m p i 连接方式，最大硬件模块数为3 2 ，具有密码保护功能【6 】。 2 2 2 数字量输入输出模板( y o 模块) 计算机无线调度系统中，需要经常进行控制电机、水泵等设备的开停操作，并且根 据控制电机的继电器触点返回信号，确定开停操作成功与否。因此需要数字量输出模板 来控制电机、水泵等设备的开停操作，需要数字量输入模板来输入开关信号。 数字量输入输出模板，用于s i m a t i cs 7 3 0 0 的数字输入和输出，通过这些模块，可 将数字传感器和执行元件与s i m a t i cs 7 3 0 0 相连，使控制器灵活地与任务相适应。并 且数字量输入输出模板具有以下优点： 优化配合： 可利用可以任何方式组合的模块使输入输出点数与任务相配合 灵活的过程连接 可通过各种不同的数字执行元件和传感器使s 7 3 0 0 与过程相连接 机械特性上具有结构紧凑、组装简单、方便用户的接线等特点 在本计算机无线调度系统的设计中，现场控制电机的数量为四台，分别需要控制四 台电机的开、停，需要八个输出点，同时，需要输入四个电机开、停的返回信号，因此 需要八个输入点。根据以上这些特点，本设计选用s m - 3 2 3 数字量输入输出模块。 1 9 沈阳工业大学硕士学位论文 s m - 3 2 3 数字量输入输出模块有八个输入点八个输出点和十六个输入点十六个输出 点两种，可根据实际应用时，输入输出点数的多少进行选择，在这里我们选择八个输入 点八个输出点。s m - 3 2 3 输入输出端的各项技术指标如下： 数字量输入端： 额定负载电压：l + l i 额定值：2 4 v d c 允许范围：2 0 4 - 2 8 8 v 输入电压 额定范围：2 0 4 - 2 8 8 v 信号为l 时，1 3 3 0 v 信号为0 时，3 0 + 5 v 背板总线的光电隔离：光耦合器 组数：8 组 输入电流：7 m a 允许的静态电流：2 m a 数字量输出端： 额定负载电压h 忆1 ：2 4 v d c 允许范围：2 0 4 2 8 8 v 输出电压 额定范围：2 0 4 - 2 8 8 v 信号为l 时，l _ 卜o 8 v 光电隔离：光耦合器 组数：8 组 最大输出电流 信号为1 时，6 0 c 时的额定值为0 5 a ，最小电流为5 m a 信号为0 时的最大电流为0 5 m a 总输出电流( 每组) 一2 0 沈阳工业大学硕士学位论文 最高4 0 时：4 a 最高6 0 。c 时( 水平安装) ：4 a 输出端的开关频率： 阻性负载( 最大) ：t o o h z 感性负载( 最大) ：0 5 h z 灯负载( 最大) ：i o o h z 短路保护：电子 母 2 2 3 模拟量输入输出模板 在计算机无线调度系统中，需要对现场的水位、压力、电流、电压等模拟量进行测 量。同时，通过