PLC在泵站自動化中的應用

袁乾廣 鄧德滿 胡家興

（1武漢理工大學自動化學院 武漢市 430070；2漢壽縣水利局 常德市 415900；3蔣家嘴電力排灌管理站 常德市 415904）

1 PLC的概念

PLC就是根據(jù)用戶程序的命令要求，按照CPU的順序在系統(tǒng)軟件的控制下，掃描各個輸入點狀態(tài)的數(shù)據(jù)，它是以串行的方式進行工作，并且最后向各個輸出點發(fā)出相應的控制信號。CPU在每個時刻只執(zhí)行一條程序命令，并在此過程中周而復始地進行，直到最終程序的結(jié)束。因為PLC只有輸入端和輸出端采用的是實際的接線，可以說，它的系統(tǒng)接線量是相當小的，其他內(nèi)部的線路都已經(jīng)通過軟件連接起來，在工作時PLC能夠自動以程序的形式存儲在內(nèi)部的存儲器當中。但是，如果控制的要求發(fā)生改變，只要通過修改存儲器的控制程序就可以改變，而不用去變動接線，這個過程就體現(xiàn)了控制的通用性及靈活性。

PLC主要用于工業(yè)生產(chǎn)控制的計算機，它的結(jié)構(gòu)主要包括：電源、CPU、接口電路、系統(tǒng)程序存儲器、功能模塊以及通信模塊。其中，電源對于整個系統(tǒng)來說相當重要，如果電源出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)就無法正常工作，因此，供應商對電源的制作比較重視。

CPU能控制整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，可以說，它是整個系統(tǒng)的大腦，可以判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，并將寄存器的數(shù)據(jù)傳送到相應的輸出裝置。其中，系統(tǒng)程序存儲器主要存放系統(tǒng)軟件，用戶程序存儲器存放應用軟件。接口電路就是輸入和輸出數(shù)據(jù)，不同的接口電路由不同的接口組成，從而完成數(shù)據(jù)以及信號的輸入和輸出。它的功能模塊主要包括計數(shù)以及定位等功能的模塊，其中通信模塊的工作過程一般分為輸入采樣階段、用戶程序執(zhí)行階段以及輸出刷新三個階段。這三個階段互相銜接照應。PLC的主要特點包括使用方便以及靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和適應復雜的運行環(huán)境。

2 PLC的應用特點

（1）因采用大規(guī)模集成電路、嚴格的制造工藝、良好的屏蔽效果、可靠的抗干擾技術(shù)及硬件故障自我檢測、報警功能，使之與傳統(tǒng)的電磁繼電器及分立元件構(gòu)成的控制系統(tǒng)相比，PLC具有極高的可靠性和抗干擾能力。目前，市場上主流的PLC裝置平均無故障時間大大超過了IEC規(guī)定的10萬小時，而且為適應特殊場合的需要，許多生產(chǎn)商還采用了冗余設計和差異設計，進一步提高了其產(chǎn)品的可靠性。

（2）PLC流程從匯編語言上有指令碼方式和梯形圖，相對而言利用梯形圖編程更直觀、易于掌握、修改、調(diào)試和使用方便，不像編程器編程要記許多指令代碼。PLC梯形圖是從電磁繼電器的控制電路圖轉(zhuǎn)化過來的，因而其圖形符號和表達方式與傳統(tǒng)電磁繼電器電路圖中的電氣符號類似，對電氣專業(yè)人員來說易懂易用，能快速提高其應用能力和管理水平。

（3）功能完善、配套齊全、適用性強。

（4）PLC控制系統(tǒng)設計周期短、占用空間小、外圍接線少、并大大減小了控制電纜的銅芯截面和電纜投資，方便了設備維護，使機電設備控制系統(tǒng)的升級改造變得簡單可行。

3 PLC在泵站自動化中的應用

泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)主要包括葉片變角調(diào)節(jié)、輔助設備控制、閘門自動控制、機組開停機操作等，這些均嚴格按規(guī)定的順序進行，它是典型的順序、邏輯控制系統(tǒng)；傳統(tǒng)的邏輯控制采用各種中間繼電器構(gòu)成，控制系統(tǒng)復雜，維修、維護很不方便。由于PLC具有邏輯功能強，控制靈活方便，可靠性高的特點，PLC開始取代傳統(tǒng)的繼電器控制方式，應用于泵站的信息化系統(tǒng)、閘門自動控制系統(tǒng)及計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

PLC雖然采用了計算機技術(shù)和微處理器，但是它與計算機相比又有區(qū)別，PLC采用面向操作的邏輯語言，以繼電器邏輯梯形圖為表達式，因此，從操作者的眼光來看，它已不具有計算機的特性和神秘莫測之感。并且，PLC要求能適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境，因而它的設計著眼于可靠、高抗干擾、密封及堅固，采用模塊結(jié)構(gòu)，可以針對不同的控制對象進行組合和擴展，概括起來PLC有以下特點：控制程序可變，具有很好的柔性、功能完善、易于掌握,便于維修、具有高度可靠性，適用于工業(yè)環(huán)境、體積小，節(jié)能省電和節(jié)省投資。

PLC控制系統(tǒng)的基本組成包括：中央處理單元（CPU）、輸入模塊及輸出模塊等。不同的控制系統(tǒng)只要改變輸入/輸出模塊型號，并通過修改控制程序軟件，就可方便地實現(xiàn)各種不同的功能。

3.1 應用示例

蔣家嘴泵站位于湖南省漢壽縣蔣家嘴鎮(zhèn)，南湖撇洪河末端，距漢壽縣城約25km，始建于1991年10月，裝機容量2×1250kW。2008年10月，蔣家嘴泵站擴建新增裝機3×1250kW，設計總排水流量180m3/s，設計揚程 2.5m，年單機最大運行時間1650h。該泵站與蔣家嘴排水閘聯(lián)合運用，共同擔負南湖撇洪河968km2流域面積集水的撇、排、削峰任務，并兼顧沿河兩岸的灌溉、航運等功能。

本站計算機監(jiān)控系統(tǒng)由站級計算機層（主控級）和現(xiàn)地控制單元層組成，現(xiàn)地控制級有6套LCU，分別對5臺機組和全站公用設備實時監(jiān)控，LCU采用GEPACRX3iPLC向站級上行發(fā)送采集的各種數(shù)據(jù)和事件信息，接受站級的下行命令對設備進行監(jiān)控，又能脫離站主控級獨立工作。PLC型泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蔣家嘴泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能和特點。

（1）廠站層監(jiān)控系統(tǒng)組成與配置。

●由PLC組成的計算機監(jiān)控系統(tǒng)具有遠動的全部功能，滿足泵站運行的實時性、安全性、可靠性和實用化；

●遠動工作站利用KLD—8002中央總通訊裝置實現(xiàn)遠動功能，接受信息采用直采直送方式；

●遠動通訊規(guī)約滿足三級調(diào)度主站的不同要求，采用部頒CDT規(guī)約同時兼容101規(guī)約，雙通道自動切換；

●遠動接口設備可通過GPS進行時鐘校對，也可實現(xiàn)與調(diào)度的時鐘同步；

●遠動接口設備具有運行維護接口，具有在線自診斷、遠方診斷、遠方組態(tài)及通訊監(jiān)視功能；

●對各級母線進行電力平衡計算，結(jié)果上傳遠動；

●后臺監(jiān)控系統(tǒng)配置計算機4臺，安裝后臺監(jiān)控系統(tǒng)軟件，并配置打印機完成綜合自動化的當?shù)乇O(jiān)控功能；

●與其它設備的接口采用綜合自動化系統(tǒng)生產(chǎn)廠家配套提供的以太網(wǎng)系統(tǒng)；

●泵站自動化系統(tǒng)的硬件及軟件具備自檢和聯(lián)機診斷校驗的能力，并提供完善的檢測維護手段，以便快速、準確進行故障定位；

●泵站自動化系統(tǒng)軟、硬具有良好的容錯能力；具有足夠的抗干擾能力，符合有關(guān)IEC、ISO、GB、DL標準。

（2）控制功能。

監(jiān)控系統(tǒng)具有密碼保護系統(tǒng)，當輸入正確操作口令和監(jiān)護口令才有效進行操作控制、參數(shù)修改，并將信息進行記錄。

（3）數(shù)據(jù)采集功能。

自動采集各現(xiàn)地控制單元的種類實時數(shù)據(jù)；來自上級調(diào)度部門的數(shù)據(jù)；火災自動報警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；并且所有電量均采用交流采樣，歷史數(shù)據(jù)根據(jù)時間間隔自動存儲。

（4）數(shù)據(jù)處理功能。

實時數(shù)據(jù)庫：歷史數(shù)據(jù)庫和歷史文件處理。

（5）統(tǒng)計計算。

對實時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析、計算、產(chǎn)生各種數(shù)據(jù)，并進行邏輯運算、條件判斷。

（6）人機界面。

廠站控制級提供人機接口功能，使泵站運行操作人員、維護人員和系統(tǒng)管理工程師通過操作員工作站、工程師、培訓站等的人機接口設備，實現(xiàn)對泵站的監(jiān)視、控制及管理功能。

（7）報表顯示和打印。

（8）控制和調(diào)節(jié)。

運行人員可通過廠站級人機接口設備，完成對全廠被控制設備的控制與調(diào)節(jié)。它包括機組、輔助設備、開/停機順序、油/氣/水、高壓電氣設備、廠用公共設備等的控制與調(diào)節(jié)。

（9）事故追憶。

（10）故障和事故報警。

（11）電氣主接線圖及日報表的制作及編輯。

（12）安全性、維護功能等。

3.2 泵站自動化在選用PLC時應該注意的問題

（1）合理選取PLC的輸入/輸出單元，并留有一定的余量。

根據(jù)泵站控制系統(tǒng)的不同，可以確定相應點數(shù)的輸入和輸出單元，并且留有一定的余量以便進行擴展。一般來說，PLC的輸出單元有三種常見的形式：一種是晶體管輸出型，它是通過光耦合使得開關(guān)晶體管能夠截止或者飽和導通以便能夠控制其外電路；一種是繼電器輸出型，當CPU輸出時，可以接通或者斷開繼電器的線圈，通過繼電器觸點控制外電路的通斷；第三種就是雙向晶閘管輸出型，它采用的是光觸發(fā)型雙向晶閘管。在這三種輸出中，繼電器輸出型的響應最慢。當控制系統(tǒng)要求響應速度較快時，應盡可能采用晶體管輸出型單元。

（2）同一泵站盡可能采用同一型號的PLC。

目前，國內(nèi)外生產(chǎn)PLC的廠家比較多，其中包括美國的GE、日本的三菱、立石（OMRON）和北京、上海的機床廠等。像泵站的信息化系統(tǒng)，閘門自動控制系統(tǒng)及計算機監(jiān)控系統(tǒng)其應采用同一個型號的PLC，這樣不僅有利于泵站技術(shù)人員的掌握和應用，還能夠減少泵站的PLC設備，便于PLC硬件設備的互換。

（3）泵站PLC控制系統(tǒng)應在硬件和軟件兩方面采取抗干擾措施。

PLC在輸出中，繼電器的線圈在通斷時產(chǎn)生的脈沖電壓一方面可以對泵站其它微機控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，一方面會引起PLC的電路沖擊，從而導致硬件電路的損壞。為了避免這種情況出現(xiàn)，應該在繼電器的線圈上并接反向二極管或阻容吸收電路。另外，PLC在進行軟件編制時，應該采用數(shù)字濾波與軟件容錯技術(shù)。

（4）PLC內(nèi)部電池的壽命問題。

一般來說，PLC的程序都會存放在EPROM或PROM內(nèi)，這樣在運行的時候就會跳到隨機存儲器里，如果遇到失電的情況，就只能靠電池保持運行程序和數(shù)據(jù)。泵站在任何情況下，PLC的程序和數(shù)據(jù)都不能丟失，而電池的壽命一般來說就是3～5年的時間，當電池容量不夠的時候，PLC有1只指示燈會亮。因此，泵站PLC的控制系統(tǒng)在運行3年以后，應該注意電池的更換。

（5）泵站監(jiān)控系統(tǒng)標準統(tǒng)一的問題。

由PLC構(gòu)成的計算機監(jiān)控系統(tǒng)在大、中型泵站中正逐步推廣開來，而由于各類泵站裝機容量、功能要求、運行工況均不盡相同，因此監(jiān)控方式會千差萬別。此外，因泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)目前尚未制定統(tǒng)一的國家標準，各生產(chǎn)廠家及科研機構(gòu)實現(xiàn)的方式也各有千秋，在一定程度上妨礙了設備系統(tǒng)的維護和升級改造，以及這一技術(shù)的推廣運用。

（6）監(jiān)控系統(tǒng)中PLC與其它系統(tǒng)設備間通訊的問題。

計算機監(jiān)控系統(tǒng)與可控硅勵磁系統(tǒng)、主變壓器及母線保護、直流系統(tǒng)、公用設備、水位監(jiān)測系統(tǒng)、通風空調(diào)系統(tǒng)等的通訊，通常因通訊協(xié)議的內(nèi)容不同而對設備整合和調(diào)試帶來很大的困擾，部份廠家的設備要更改參數(shù)和增加規(guī)約轉(zhuǎn)換器。

（7）工作環(huán)境的問題。

我國大、中型泵站大多有專屬變電站，工作電壓等級一般在（35～10）kV，高壓電氣設備主要有變壓器、互感器、電抗器等，其主要負載設備有高壓同步電動機、異步電動機及各式低壓電動機。這些設備均會產(chǎn)生工頻電場、磁場、地電位和電磁輻射干擾，但220kV以下的工頻電場、磁場的影響很小，主要是地電位、電磁輻射干擾，主要以電暈放電和間隙擊穿為主。這種現(xiàn)象對高壓設備和輸電線路附近的微電子設備來說都是致命的；此外，大、中型水泵在運行過程中會產(chǎn)生很大的震動的燥聲；因臨近湖泊，條件有限，許多泵站工作環(huán)境溫度高、濕度大；甚至工業(yè)區(qū)內(nèi)的泵站還會受到粉塵、腐蝕和易燃氣體的侵蝕等惡劣環(huán)境的影響，這都會造成PLC不能正常工作，從而造成設備失控或誤動作。因此，PLC只有在環(huán)境溫度（0～50℃之間）、濕度（應小于85%無凝露）、震動（10～55Hz的頻繁或連續(xù)振動）、空氣，以及電源等方面滿足工作環(huán)境要求后才能正常工作。尤其是對于南方地區(qū)年運行時間極少的排洪、調(diào)水泵站，PLC電路板上極易產(chǎn)生凝露，需在中控室安裝大功率空調(diào)設備，以保證在控制設備通電之前打開柜體門頁、除濕控溫、消除凝露后方可通電，否則容易出現(xiàn)控制設備工作不正?；驘龤щ娐钒?。

4 結(jié) 語

綜上所述，PLC技術(shù)在大、中型泵站自動化控制中是一項先進的技術(shù)，它克服了傳統(tǒng)泵站自動化控制系統(tǒng)的諸多缺點，減少了材料消耗，減少了維護工作，幫助泵站節(jié)省了資源，提高了泵站的工作效率。同時 PLC在泵站自動化控制中的應用又需要進一步的發(fā)展，要突破現(xiàn)有的技術(shù)瓶頸，適應各種苛刻環(huán)境，這樣PLC在泵站自動化控制中才能得到充分的擴展和全面的開發(fā)利用。

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