PLC控制的燃油供应控制系统
哈尔滨理工大学学士学位论文
PLC控制的燃油供应控制系统
摘要
中国民用航空事业的飞速发展给航空供油工作提出了更高的技术要求。飞机供油与汽车加油大不相同，它要求供油压力稳定、流速适中；特别是采用长距离管线输送油品和新机型的大量引进，要求航空供油必须适应更多不同的情况。如何满足飞机油箱口的压力条件，做到平稳、快捷、安全，如何做到起泵迅速停泵准确，如何更好的避免水击(在压力管路中，当流速由于某种原因发生了突然变化，因而引起管路中的压力也发生突然变化，这种现象称为水击，水击严重时可引起管路爆裂)，如何做到及时准确、安全平稳地供应航油，尤其是在航油吞吐量大、供油流量变化大的条件下较好地满足这些要求，是本次航油系统的设计必须好好考虑的问题。可编程控制器采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。利用变频器、PID调节器、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节油泵的输出流量，实现恒压供油。采用现代设备和控制技术实现恒压供油，是航油领域技术革新的必然趋势。
关键词可编程控制器；变频器；恒压；水击
- I -
哈尔滨理工大学学士学位论文
PLC control system of fuel supplies
Abstract
At full speed development give aviation support oil work and propose high specification requirement civil aviation of China cause, The plane supports the oil and automobile to refuel and differ widely, it requires supporting the pressure of the oil to be steady, The velocity of flow is moderate; Especially adopt the generous introduction that the pipeline of long distance sent the oil and new model, Require aviation to support the oil to adapt to more different situations. How to satisfy the condition of a pressure of fuel tank of plane, it is stable, swift to accomplish, Safe, how accomplish and get up rapidly, how pump a kind one prevent water from hit, how attain in time accurate, the safety supplies sail oil fair and softly, is in the sail oil to swallow to vomit to have great capacity, provide oil discharge to change particularly under great condition more and so much satisfy these request, This is that boat oil supplies the question that is designed and must be considered systematically. programmable controller used programmable memory, used to implement logic in their internal storage operations, sequence control, timing, counting and arithmetic operations, such as operating instructions, and through digital and analog input and output, the control of various types of machinery or production processes. Utilizing the converter, PID regulator , an one-chip computer, PLC waits for the organic integration of the device, forms the control system, regulate the flow of output of the oil pump, Realize that constant voltage supports the oil. Adopt and programmer and control technology realize modern equipments constant voltage support the oil converter, etc. controller．It is a inexorable trend of oil domain technological innovation of boat.
Keywords PLC ; The converter ; Constant voltage ; Water is hit
- II -
哈尔滨理工大学学士学位论文
目录
摘要..................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II 第1章绪论.. (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2国内外变频调速技术的发展与现状 (1)
1.3 变频调速恒压供油系统 (2)
1.4 设备的初步定位 (3)
第2章设备的选择 (4)
2.1 可编程控制器......................................................... 错误！未定义书签。
2.1.2 可编程控制器的选型 (4)
2.1.3 Cx-Programmer 与PLC的通信 (4)
2.1.4 C系列的指令介绍 (5)
2.2变频器 (6)
2.2.1变频器的工作原理 (6)
2.2.2变频器的选择 (7)
2.2.3升、降速时间的预置 (8)
2.2.4其他功能的预置 (8)
2.2.5变频器参数设置 (9)
2.3压力传感器 (9)
2.3.1压力传感器的选择 (9)
2.4本章小结 (10)
第3章监控界面 (11)
3.1 力控Forcecontrol6.1特点 (11)
3.2 航油供应系统的控制界面 (12)
3.3 本章小结 (12)
第4章系统的分析和设计 (14)
4.1变频恒压供油系统的系统分析 (14)
4.1.1 供油系统的节能原理 (14)
4.1.2 变频恒压控制的理论模型 (17)
4.1.3 PID算法 (17)
4.2 系统的原理 (20)
4.3 PLC控制的航油供应系统设计的总体方案 (22)
4.3.1 系统的功能 (22)
4.3.2 整体控制结构 (22)
4.3.3 运行流程 (23)
- III -
哈尔滨理工大学学士学位论文
4.5软件设计 (27)
4.6 本章小结 (28)
结论 (34)
致谢 (35)
参考文献 (36)
附录 (37)
- IV -
哈尔滨理工大学学士学位论文
第1章绪论
1.1课题背景
航空加油的目标方向是实现空中加油。本次设计我们只负责最基础的部分，模拟实现恒压供油。飞机供油要求供油压力稳定、流速适中，如何满足飞机油箱口压力条件，做到快捷、平稳、安全；如何做到启泵迅速停泵准确，如何克服大功率电机直接启/停所带来的严重油击，如何做到及时准确、安全平稳地供应航油，尤其是在航油吞吐量大、供油流量变化大的条件下较好地满足这些要求，是本次航油系统的设计必须认真考虑的问题。本文介绍用可编程控制器和变频器构成的恒压供油变频调速系统，对系统的硬件和软件进行设计并实现上位机监控界面的设计。
1.2国内外变频调速技术的发展与现状
变频器的快速发展得益于电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展。1964年，最先提出把通信技术中的脉宽调制PWM技术应用到交流传动中的是德国人。20世纪80年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制方法。此方法以三相波形的整体生成效果为基础，以逼近电机气息的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成两相调制波形，使变压变频VVVF(Variable V oltage Variable Frequency)成为变频调速技术的核心。从20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的基于VVVF技术的通用变频器已商品化并广泛应用。1980年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢量控制的实用化。此后，日本厂商竟相研究矢量控制技术，并在产品性能和价格两方面取得进展；理论界则应用现代控制理论把矢量控制的理论进一步深化，取得了解藕控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量控制等方面的理论成果。自1992年开始，德国西门子公司相继开发了6SE70系列通用变频器，通过FC，VC，SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等；至1994年该系列通用变频器的容量就扩展到3lkw以上。1985年，德国人提出了基于六边形乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论(DSC)。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电动机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪，实现脉宽调制和系统的高动态性能。最初，这种控制方法主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变器控制中应用；目前被应用于通用变频器的控制方法的一种改进的、适合于高开关频率逆变器的方法。1995年，ABB公司首先推出的直接转矩控制通用变频器，目前已成为其各系列通用变频器的核心技术。
国外在交流变频调速技术的发展方面特点为：市场需求量大；功率器件发展迅速；控制理论和微电子技术的支持。
- 1 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
三个方面决定的。在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论，为高性能变频调速提供了理论基础；16位、32位高速微处理器以及信号处理器(DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段在我国，60％的发电量是通过电动机消耗掉的，因此，如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。我国电气传动产业始于1954年。当时，在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，即现在的天津电气传动设计研究所的前身。现在，我国约有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作，但自行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差距。随着改革开放和经济的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成的变频调速设备，要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口或合资企业的先进变频调速设备，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要。总之，虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖还很严重。国内交流变频调速技术产业状况表现如下
1．变频器的整体技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研究变频技术并开发新产品，但由于分散，所以并没有形成一定的技术和生产规模。
2．变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎空白。
3．相关配套产业及行业落后。
4．产品可靠性及工艺油平低。
1.3变频调速恒压供油系统
原始供油系统中，工频泵只有在高效段运行才能保证系统正常工作且没有能源浪费，恒压供油变频调速技术在机场供油工程中的应用极大地提高了供油作业的安全性与可靠性，并且具有较好的节能效益，是一种先进的控制方式。在以往设计中，一般以管网的最不利情况(此时流量最大，所需扬程也最大)作为选择油泵机组的主要依据。但当管网流量减小时，能量浪费是不可避免的，而且还有可能造成低流量的时候管网内压力过高等问题。变频器驱动油泵向管路中供油，用工频泵和变频泵向管网供油，由压力传感器反馈信号与油压设定值在变频器中构成闭环,再由变频器内置的数字PID实施控制,保持油泵供油压力恒定。由于用变频器驱动的交流异步电动机能够快速平稳地进行调速，使得供油系统不仅能够精确地保持设定的油压值，而且在启停供油系统时没有冲击。
全自动变频恒压供油系统是采用大功率晶体管逆变器 (GTR)和正弦波脉宽调制(PWM)技术以及工业微机 (PC)技术，对供油系统中的电机泵组进行闭环控
- 2 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
的压力两种参数，通过微机(PC)和变频调速器 (VVVF)自动调节油泵的转速和台数，改变油泵出口压力和流量，使供油网系统中的末端压力 (服务压力 )保持恒定的设定压力和所需的流量，以达到进一步提高供油品质和高效节能的目的。
本系统的主要控件为可编程控制器和变频器。可编程序控制器是为工业控制应用而设计制造的。早期的可编程序控制器称作可编程序控制器，他主要用以代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超越了逻辑控制的范围。今天这种装置称为可编程序控制器PLC。PLC具有高可靠性、丰富的I/O接口模块、模块化结构、编程简单易学、安装及维修方便、系统设计及调试周期短等特点。所以PLC被广泛应用于逻辑控制、计数控制、顺序控制、PID控制、数据处理、通信和联网等工业控制领域。
本系统与其他系统相比，除了节能、安全、静音、调整方便、维修量小等特点外，还适于多系统集中控制或是实现自动化调节。采用变频器技术的恒压供油系统可根据管网实际用油量的变化来调整油泵机组的转速，从而提供相应供油量，节能效果明显。由于变频器驱动的交流异步电动机能快速平稳地进行调速，因此供油系统不仅能够精确地保持设定的油压，而且在启停供油系统时无冲击。
实践证实，经过改造后的变频控制供油系统，极大地提高了安全性；并可以根据油压信号自动供油，无需人工操作，系统供油平稳，由压力信号通过PID调节器和变频器地等控制电机运行的速度从而控制其供油量，避免了电机总是满负荷运转，可靠地实现了运行安全、节能、高效。
1.4设备的初步定位
根据本课题的设计要求，硬件的选择定为：
上位计算机：选择组态软件对供油压力变化进行实时监控。
下位机PLC：包括有电源模块；CPU模块；输入模块，作为各种开关量的输入通道；输出模块，作为电机、泵、阀门等设备的输出控制通道；通讯模块，完成上位机的数据交换；A/D模块，完成模拟信号采集；D/A模块，实现PLC对设备的控制输出。
变频器：对电机进行变频控制，选用自带PID控制的变频器。
电机：选用3台交流异步电动机。
传感器：一个压力传感器。
- 3 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
第2章设备的选择
第1章可编程序控制器
可编程序控制器的概述
可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）是计算机技术与继电器逻辑控制技术相结合的一种新型控制器。它以微处理器为核心，综合了计算机技术、控制技术、通信技术等高新技术，是一类在近年发展极为迅速、应用极为广泛的工业控制装置。
PLC从诞生、发展到几天，不过短短的三四十年，却给工业自动化领域带来了巨大的变化。PLC在我国虽然起步较晚，但以其功能强大、运行可靠、抗干扰能力高、体积小、功耗低、以及方便易学等诸多优点，早已被广大工程技术人员所接受。同时，国民经济的各个部门也都大量应用着PLC技术。
1.2控制器
1.2可编程序控制器的应用领域
PLC广泛应用在机械制造、化工、冶金、交通、电子、电力、防止、印刷、建筑、食品加工、轻工机械、包装机械等众多的工业领域中，它适应高新技术的潮流，并与计算辅助设计与加工（CAD/CAM）、机器人（ROBOT）一起被称为当代工业自动化的三大支柱。
不仅如此，PLC的控制技术也大量应用在与人们的日常生活有着密切的方方面面。例如：交通道口的后绿灯、自动电梯、扶梯、中央空调、高层楼宇的只能控制系统、汽车自动清洗机、街头自动售货柜、城市霓虹灯光夜景等。
1.2可编程控制器的选型
由于PLC具有高可靠性、丰富的I/O接口模块、模块化结构、编程简单易学、安装及维修方便、系统设计及调试周期短等特点。结合其在本系统中完成的功能，可编程控制器我们选用欧姆龙公司生产的CQM1小型机
Cx-Programmer 与PLC的通信
正确连接方法如下：在电脑没开机或（和）PLC没通电（带电拔插通信口可能造成通信口损坏）的情况下连接好USB转RS232电缆、电脑与PLC的连接电缆，然后再通过Cx-Programmer连接电脑与PLC，然后将写好的程序传入PLC。
请注意：USB口也不是随便乱插就可以的，关键要保证设备管理器里的RS232口为COM1。
- 4 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
1．基本指令
C系列PLC基本逻辑指令与FX系列PLC较为相似，梯形图表达方式也大致相同，基本指令见下表：
- 5 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
2．功能指令
结束指令END：本指令单独使用，无须操作数，是程序的最后一条指令，表示程序到此结束。PLC在执行用户程序时，当执行到END指令时就停止执行程序阶段，转入执行输出刷新阶段。如果程序中遗漏END指令，编程器执行时则会显示出错信号：“NO END INSET”：当加上END指令后，PLC才能正常运行。本指令也可用来分段调试程序。
互锁指令IL和互锁清除指令ILC：这两条指令不带操作数，IL指令为互锁条件，形成分支电路，即新母线以便与LD指令连用，表示互锁程序段的开始；ILC指令表示互锁程序段结束。
第2章变频器
1.2变频器的工作原理
主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。
（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。
（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。
（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。
- 6 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。
（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。
（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。
（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。
（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg 等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。
（5）保护电路:检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。
1.2变频器的选择
由于油泵电机是由变频器直接拖动的，因此，变频器选型很重要。在选择变频器时，变频器的容量与油泵电机功率必须匹配，假如变频器功率太小，则无法拖动电机，就会造成变频器频繁跳闸现象，导致油泵电机经常停机；而变频器功率太大，虽然可以拖动电机，但是，由于变频器功率越大价格越高，势必增加设备成本。一般情况下，变频器选型时必须满足以下条件：1．变频器电压等级须与油泵电机相符。
2．变频器额定电流为油泵电机额定电流的1.1～1.5倍。
根据本次的设计要求，选用富士变频器FRENIC5000G11S，此为富士变频器低噪声高性能多功能变频器，为风机、泵用的PllS系列，功率范围为7．5．500KW，该系列有自带操作面板。功率大于75KW以上的，有自带直流电抗器。可以使用延伸电缆选件，可简单地实现远方操作。高性能和多功能的理想结合，动态转矩控制，能在各种运行条件下实现对电动机的最佳控制，具有PG反馈更高性能的控制系统，新方式在线自整系统，能使电机低转速时脉动大大减小，更方便了使用的键盘面板，适应了各种环境的结构。其特点为：采用富士电机独自开发的动态转矩矢量控制方式，在0.5Hz时的起动转矩可达到200％；具有包括自整定功能在内的许多方便功能。P11S系列有它内在的性能以及功能，即动态转矩矢量控制、带PG反馈更高的性能的控制系统、电动机低转速时脉动大大减小、新方式在线自整定系统、优良的环境兼容性。具有各种通信功能，丰富的实用功能，保护功能。变频器内置PID控制模块，可用于闭环控制系统，实现恒压供油。
富士FRENIC5000G11S变频器的主要性能及参数为：
额定容量： 85(kV A)
- 7 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
过载容量： 110％额定输出电流、1分钟
启动转矩： 50％以上
适配电机容量： 55(KW)
1.2升、降速时间的预置
1. 不采用内部PID功能时，升、降速时间的预置
在不采用变频器内部PID功能的情况下，变频器工作频率的变化速度主要取决于预置的升、降速时间。如用外部PID调节器，则PID调节器的预置值也对频率变化起作用。升、降速时间过短，变频器可能因过流或过压而跳闸；
升、降速时间过长，则会使变频器调速系统反应迟缓，造成管路中欠压或超压时间过长，满足不了恒压供油要求。因此，升、降速时间的确定，应根据现场的实际情况来决定。
2. 采用变频器内部PID功能时的升降速
当采用变频器内部PID功能时，其升、降速的时间由PI的预置值决定，而升降速时间的预置变得不起作用。
1.2其他功能的预置
1. V/F图形及转矩补偿功能的预置
对于风机、油泵负载，通常选择负补偿最大的V/F曲线。如果满足不了转矩的要求，则依次选取弯曲较小的V/F曲线。设定该功能的同时，要设定恒速运转时的电流限制功能。
2. 运转开始频率的预置
一般来说，油泵在低频运行的意义并不大，有的油泵并不能从0Hz开始启动。所以，应该预置运转开始频率，在运转开始频率一下，变频器处于待机状态，以利于更好地节能。所以，在变频器起动无过流的前提下，运转开始频率可以设置得高一些，一般设定范围为0-20Hz。
3. 载波频率的预置
载波频率增高，可以减小电机噪声，但将增加对外电路的干扰，尤其是对公用电源的仪表、控制器等的干扰，并且增加输出端对地的漏电，不利于较长距离的输出。载波频率减低，则电机的噪声增加，且输出电流的谐波分量增大。
4. 保护功能的预置
保护功能中值得指出的是，输出电流限制功能和过负载报警功能的预置。
两者的出厂值一般是一样的。如果前者功能动作，则降低输出频率或减缓升降速过程中的频率变化；后者功能动作，则报警停机。为了更好地使系统工作，不希望出现停机，所以，输出电流限制功能的预置值应比过负荷报警功能的预置值小一些。
- 8 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
对控制系统参数的设置 ,主要是对变频器的参数进行设定。根据工艺要求 ,只对其中的部分参数予以设定 ,其他参数采用变频器出厂的设定值。
1.频率命令选择
变频器的信号输入来源于调节器输出的 4～ 20mA DC,所以用模拟电流作为其输入。
2.最大输出频率、电压、电流。
系统所用的电机为隔爆、交流异步电机 ,且负载为泵类负载 ,故对最大输出频率设定为 50Hz,最高输出电流为额定电流的 120% ,最大输出电压设定为400V。
3.加、减速时间的设定
变频器驱动电机启 /停时 ,为避免过流 /过压及减少油击现象 ,较好实现电机软启 /停 ,加、减速时间均设定为 20s。
4.加 /减速模式的选择
驱动电机运转故设为模式A。
5.自动节能运行
为了节能运行 ,按照负载电流来减少输出电压。
6.频率高、低限制
为限制输出频率过高或过低 ,防止失速 /欠速及电机“通电不转”或“转而无功”的情况出现 ,最高频率设定为50Hz,最低频率设为 23Hz。
7.电机噪声的抑制
载波频率设定在10k Hz,从而使变频器输出波形谐波分量大量减少 ,起到了对电机噪声的抑制作用。
8.压力设置。
系统的正常运转 ,还涉及到恒压供油压力的选择。通过调节器拨轮或PLC 内置给定参数 ,压力给定在 0.6MP。位置反馈信号故障一般有 2种情况 :a)反馈模块损坏、信号线路故障 ,表现为反馈信号显示最大、最小。b)执行器外带风门卡死 ,造成执行器电机堵转。出现问题 ,报警 ,判断当前操作方式 ,执行器停留在当前位置 ,可防止执行器误动作。手动方式由人工控制执行器的开关与反馈无关 ,切换为手动方式后 ,应及时处理故障。
第3章压力传感器
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及油利油电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
2.3.1压力传感器的选择
选用溅射薄膜压力传感器（PPM-241A）
PPM-241A系列溅射薄膜压力变送器很好的解决了mV信号在传输和处
- 9 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
求比较高等问题，溅射薄膜压力变送器抗干扰能力强、输出信号大（一般为4~20mA或者0-10V DC、0-5V DC），这样对信号处理部分和显示部分要求大大降低，称重系统的准确度也相应增强。
1、该产品的特点：信号大，易换算；精度高、稳定性好；抗震动、冲击、过载能力好、抗干扰能力强；耐腐蚀、耐高温、温度漂移小。
2、该产品的主要技术参数如表2-2：
表2-2溅射薄膜压力（油压）变送器（PPM-241A）主要技术参数
2.4本章小结
本章主要介绍了可编程控制器，变频器和压力传感器的选定及参数设置，为系统的设计打下硬件基础。
- 10 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
第3章监控界面
近年来，随着计算机软硬件技术的不断发展，大量计算机的新技术在控制系统之中的应用越来越多。于此同时，人们对工业自动化的要求也越来越高。过去有控制系统的硬件限制，人们先考虑的是实现过程控制的控制策略，也就是如何控制的问题。先进的控制系统的前端控制区已经能够满足人们在大多数生产场合下的控制需要。用户的注意力也转移到了如何更有效的管理生产现场控制系统，尤其是工厂一级的生产控制系统，在使用先进的控制系统基础上进一步提高生产效率。
通用的监控软件正是这一时期出现的一种先进的工业控制应用软件，它融合过程控制设计、现场操作和工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集到一起，实现优化管理。
目前，一个先进的监控软件不仅要对众多的现场控制器以及现场智能部件进行控制和监视，而且在实际操作时必须具备安全可靠性，例如随时对各种事件作出反应（提示报警信息，记录历史数据），以及协助使用者连接工厂现有平台，使它们协调运转，优化工厂一级的管理功能。同时，一个功能强大的监控软件必须在用户需要的时候连接工厂最底层的信息实时地传送到控制中心，并使各种信息在全厂范围内进行传递。
力控Forcecontrol6.1工业监控组态软件是北京三维力控科技有限公司根据当前的自动化技术的发展趋势，总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计开发的高端自动化软件产品，是力控科技全体研发工程师集体智慧的结晶，该产品主要定位于国内高端HMI/SCADA自动化市场及应用，是企业信息化的有力数据处理平台。
力控Forcecontrol6.1特点
1．网络特色
提供在Internet/Intranet上通过IE浏览器以“瘦”客户端方式来监控工业现场的解决方案；支持通过PDA掌上终端在Internet实时监控现场的生产数据，支持通过移动GPRS、CDMA、GSM网络与控制设备或其它远程力控节点通讯；面向国际化的设计，同步推出英文版和繁体版，保证对多国语言版的快速支持与服务；力控软件内嵌分布式实时数据库，数据库具备良好的开放性和互连功能，可以与MES、SIS、PIMS等信息化系统进行基于XML 、OPC、ODBC、OLE DB等接口方式进行互连，保证生产数据实时地传送到以上系统内。
支持通过移动GPRS、CDMA网络与控制设备或其它远程力控节点通讯,力控移动数据服务器与设备的通讯为并发处理、完全透明的解决方案，消除了一般软件采用虚拟串口方式造成数据传输不稳定的隐患，有效的流量控制机制保证了远程应用中节省通讯费用。作为民族产业的大型SCADA、DCS软件，力控软
- 11 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
件支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器（双机）冗余、监控网络冗余、监控客户端冗余等多种系统冗余方式。力控软件支持控制设备冗余如SIEMENS公司的S7400H,GE的GE9070系列PLC的冗余模式，支持普通的232、485、以太网等控制网络的冗余，支持控制硬件的软冗余切换和硬冗余切换。
2.图形系统的特点
方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的图片，方便画面制作，大大降低了组态开发的工作量；强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏；强大的ActiveX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性；全新的、灵活的报表设计工具：提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板，报表文件格式兼容Excel工作表文件，支持图表显示自动刷新，可输出多种文件格式：Excel、TXT、PDF、HTML、CSV等。
力控监控组态软件在软件功能模块的分布式体系结构体现在各个组件程序间的关系上，图形界面系统VIEW和实时数据库DB之间是分布式的，力控科技在图形VIEW级率先提出了"数据源"的概念，使一个图形界面可同时连接多个不同的机器上的实时数据和数据源，而各个分布式的数据库分别对连接自己的I/O Server进行采集数据和处理，如输入数据的量程变换、流量累积、报警检查，以及PID运算等，这种体系结构的优越性在于，各组件任务分配更合理，使您的系统实时性更好，稳定性更高。
软件基本组件包括：工程管理器、人机界面VIEW、实时数据库DB、I/O 驱动程序、控制策略生成器以及各种网络服务组件等。
航油供应系统的控制界面
力控Forcecontrol6.1为一种通用监控软件，能按照特定的要求完成采集数据信息并且将过程变量的变化准确记录到数据库中，同时通过动画的形式在工控机显示屏上显示，以方便操作工人了解生产的瞬时工况，及时的处理各种事件。系统的总貌显示画面如图3-1所示，实时显示工控机运行工况，并动画显示运行画面。
本章小结
本章主要介绍了通用监控软件力控Forcecontrol6.1的运行系统和特点。并利用力控Forcecontrol6.1对航油供应系统的控制界面进行设计。
- 12 -
哈尔滨理工大学学士学位论文
- 13 -
图3-1 航油供应系统控制示意图
哈尔滨理工大学学士学位论文
- 14 -
第4章 系统的分析和设计
变频恒压供油系统的系统分析
14.1.3 供油系统的节能原理
供油系统采用的油泵绝大多数都是离心泵，它们的供油特性曲线如下图4-1所示，其中H (m)表示扬程，3()Q m 表示流量。图中两条曲线均是在供油管中的阀门开度不变的前提下描绘出的扬程特性曲线和管阻特性曲线。
图4-1 供油系统的基本特性
从图中可以看出，流量Q 越大，扬程H 越小。由于在阀门开度和油泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用油情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H 与用油流量U Q 之间的关系。而管阻特性是以油泵转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程H 与流量Q 之间的关系。管阻特性反映了油泵的能量用来克服泵系统的油位及压力差、液体在管道中的流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程H 越大，流量O 也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供油系统向用户的供油能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供油流量G Q 之间的关系。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称之为供油系统的工作点，如图4-1中A 点。在这一点，用户的用油流量U Q 和供油系统的供油流量G Q 处于平衡状态，供油系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。
变频恒压供油系统的供油部分主要由油泵、电动机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动油泵旋转来供油，并且把电机和油泵做成一体，通过变
频器调节异步电机的转速，从而改变油泵的出油流量而实现恒压供油的。因
(m H A
Q )
(3m Q A
H
哈尔滨理工大学学士学位论文
- 15 -
通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。 异步电机的转差率定义为：
1
1n n
n s -=
（4-1） 异步电机的同步速度为：
p
f
f 60= （4-2） 异步电机的转速为：
()s p
f
n -=
160 （4-3） 其中：1n 为异步电机的理想空载转速；n 为异步电机转子转速；f 是异步电 机的定子电源频率；p 为异步电机的极对数。
从上式可知，当极对数p 不变时，电机转子转速与定子电源频率成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机中一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛应用于油泵电机的调速。
在供油系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，油泵电机转速保持不变。其实质是通过改变油路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用油中，需油量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变油泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变油的动能改变流量。因此，扬程特性将随油泵转速的改变而改变，但管阻特性不变。变频调速供油方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用油量的变化自动地调整油泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用油量增大时电机加速，用油量减小时电机减速。
哈尔滨理工大学学士学位论文
- 16 -
1H H 0
H 2
1
)
3s
图4-2管网及油泵的运行特性曲线
由图4-2管网及油泵的运行特性曲线可知，当用阀门控制时，若供油量高峰期油泵工作在E 点，流量为1Q ，扬程为0H ，当供油量从1Q 减小到2Q 时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从3β移到1β，扬程特性曲线不变。而扬程则从0H 升到1H ，运行工况点从E 点移到F 点，此时油泵输出功率用图形表示为(O ，2Q ，F ，1H )围成矩形部分，其值为： η
γ1022
1Q H P F =
（4-4） 当用调速控制时，若采用恒压(0H )，变速泵(2n )供油，管阻特性曲线为几
扬程特性变为曲线伙，工作点从E 点移到D 点。此时油泵输出功率用图形表示为(O ，2Q ，D ，0H )围成的矩形面积，其值为： ηγ102
2
1Q H p D =
（4-5） 可见改用调速控制节能量为(0H ，D ，F ，Hl)围成的矩形面积，其值为：
()η
γη
γηγ1021021022
012
021Q H H Q H Q H P P P D F -=
-=
-=? （4-6）
所以，当用阀门控制流量时，有
()η
γ1022
01Q H H -功率被浪费掉，并随着阀门