基于PLC 控制的泵房自動(dòng)化改造

陳 敏

(上海市自來水市南有限公司長(zhǎng)橋自來水廠，上海 200231)

1 背景

近期，發(fā)改委、住房建設(shè)部聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于做好城市供水價(jià)格管理工作有關(guān)問題的通知》，各地制水企業(yè)有了更大的資金空間來改善水質(zhì)質(zhì)量，提高居民用水水平。目前有著一大批自來水廠，將要面對(duì)如何通過改造實(shí)現(xiàn)高效能的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)科技進(jìn)步，提高居民用水質(zhì)量，降低水質(zhì)成本的問題。

目前，長(zhǎng)橋水廠1#、2#、3#出水泵房，提升泵房、備用取水泵房的PLC控制系統(tǒng)都已順利運(yùn)行，使水廠生產(chǎn)和管理的自動(dòng)化水平大大提高。

本文就長(zhǎng)橋水廠自行設(shè)計(jì)、施工的泵站——備用取水泵房，談一談PLC系統(tǒng)在水廠自動(dòng)化控制中的應(yīng)用，為其他相關(guān)單位的自動(dòng)化改造提供一些參考。

取水泵站是水處理工藝的第一道工序，原水經(jīng)過它升壓后直接輸送到凈水系統(tǒng)，是水廠制水工藝的基礎(chǔ)。所以，怎樣應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)控制技術(shù)，改善和提高取水泵站的自動(dòng)化控制水平，設(shè)計(jì)出先進(jìn)的PLC控制系統(tǒng)，安全優(yōu)質(zhì)保障城市供水是相關(guān)部門的首要任務(wù)。

2 工藝流程及設(shè)計(jì)要求

2．1 設(shè)備控制要求

系統(tǒng)采用“集中監(jiān)測(cè)，分散控制”的方式，設(shè)計(jì)嚴(yán)格依據(jù)備用取水泵站的實(shí)際工況。整個(gè)自控系統(tǒng)由主站與現(xiàn)場(chǎng)工作站組成，主要對(duì)泵房、礬液池、礬水碼頭與回饋井及其他輔助生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程進(jìn)行自動(dòng)控制，主站建在泵房操作室中。

監(jiān)測(cè)的運(yùn)行參數(shù)有:高壓柜開合狀態(tài)、電動(dòng)機(jī)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)，污水液位、壓力，閥門開啟位置、出水流量等。

監(jiān)測(cè)的電氣參數(shù)有:配電系統(tǒng)的電流、功率、電壓、有功/有功電度、無功/無功電度等。

2．2 網(wǎng)絡(luò)通信要求

在滿足備用取水泵房本地通訊的要求之外，還必須將其數(shù)據(jù)共享至廠部調(diào)度室。因此本地網(wǎng)絡(luò)使用同軸電纜通訊。同時(shí)租用一根電信光纖將備用取水泵房的數(shù)據(jù)傳送至廠部調(diào)度室。

2．3 軟件與硬件要求

現(xiàn)場(chǎng)工作站的PLC使用RSLogix5000按工藝要求編制梯形圖。組態(tài)與人機(jī)界面的開發(fā)使用RSView32。PC機(jī)采用研華工控機(jī)。考慮到取水泵房維護(hù)成本、維護(hù)時(shí)間以及與廠部PLC設(shè)備的兼容性、穩(wěn)定性。此次取水泵房自動(dòng)化PLC依舊采用controllogix系列產(chǎn)品。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

主要控制設(shè)備有機(jī)泵設(shè)備、外圍電氣設(shè)備、UPS與上位機(jī)、PLC基站及各類傳感器。

3．1 外圍電氣設(shè)備包括

西門子6 KV高壓控制柜;

6 kV高壓電動(dòng)機(jī)(11#～17#共7臺(tái));

出水調(diào)流閥(11#～17#共7臺(tái));

電機(jī)控制箱(11#～17#共7臺(tái));

風(fēng)機(jī)控制箱(11#～14#共4臺(tái));

泵頂真空控制箱(11#～17#共7臺(tái));

戶外真空控制箱(1#，2#共2臺(tái));

真空泵(1#，2#共2 臺(tái))。

3．2 上位機(jī)及UPS

配套上位機(jī)電腦一臺(tái)(供操作人員監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)及開、停機(jī)泵使用)，UPS一套(為上位機(jī)提供不間斷電源)。

PLC(可編程控制器)通過對(duì)有微機(jī)保護(hù)的高壓柜、出水閥門、控制箱等設(shè)備和相關(guān)儀表輸出的各種信號(hào)、參數(shù)(如:狀態(tài)、位置等開關(guān)量信號(hào)和電流、電壓、功率、壓力、物位等模擬量信號(hào))進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、分析、處理，再輸出給控制對(duì)象，利用 PC機(jī)，通過PLC的組態(tài)軟件，做成一個(gè)非常友好、生動(dòng)鮮明的界面，方便地監(jiān)視本站點(diǎn)的生產(chǎn)工況并對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。現(xiàn)場(chǎng)工控網(wǎng)絡(luò)把本站點(diǎn)的PLC和PC電腦與其他站點(diǎn)、調(diào)度室等連接起來構(gòu)成一個(gè)工控網(wǎng)絡(luò)。

3．3 PLC 基站

A-B各類PLC輸入輸出模塊;

信號(hào)隔離器;

輸出繼電器。

3．4 各類傳感器包括

水泵泵前真空變送器(11#～17#共7臺(tái));

水泵泵后壓力變送器(11#～17#共7臺(tái));

1#吸水井超聲波液位儀(1臺(tái));

2#吸水井超聲波液位儀(1臺(tái))。

4 備用取水泵房自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4．1 設(shè)計(jì)原則

此次備用取水泵房自動(dòng)化改造要求整個(gè)系統(tǒng)與廠部系統(tǒng)兼容，并實(shí)現(xiàn)與廠部生產(chǎn)數(shù)據(jù)共享。因此設(shè)計(jì)遵循先進(jìn)性、實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、開放性的原則，滿足供水生產(chǎn)管理和工藝對(duì)自動(dòng)化控制的要求。

4．2 系統(tǒng)圖

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，備用取水泵自控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、過程監(jiān)控層和管理層三層組成，如圖1所示。

圖1 備用取水泵自控系統(tǒng)組成Fig．1 Automatic Control System of Backup Raw Pump

5 具體設(shè)計(jì)

5．1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

建立取水泵房控制室，帶有操作顯示終端，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)選擇運(yùn)行速度快、性能穩(wěn)定的計(jì)算機(jī)，監(jiān)控軟件選擇組態(tài)靈活、功能強(qiáng)大、界面人性化且在自來水行業(yè)內(nèi)獲得了成功運(yùn)用的軟件包，如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)橋水廠備用取水泵(頭部取水泵)登陸主界面Fig．2 Sign in Page of the System

5．1．1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能

(1)采集、接受、處理、顯示PLC收發(fā)的各個(gè)數(shù)據(jù)。

(2)檢測(cè)各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)實(shí)際工況做出調(diào)整。

(3)有選擇的記錄繪制數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖。

(4)報(bào)表打印和設(shè)備報(bào)警。

(5)對(duì)各種數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

5．1．2 實(shí)現(xiàn)的控制功能

主要功能:電動(dòng)機(jī)溫度檢測(cè)，集水井水位監(jiān)測(cè)、水泵震動(dòng)監(jiān)測(cè)、水泵出口壓力。

主要監(jiān)控設(shè)備:泵房出水閥、高壓電機(jī)、高低壓電氣設(shè)備、7臺(tái)水泵。

5．1．3 主要工況的監(jiān)測(cè)

水泵的工況:運(yùn)行、停役、檢修。

閥門的工況:全開、全關(guān)、出水閥位、故障。

主要參數(shù)顯示:電機(jī)和水泵溫度、電氣數(shù)據(jù)、液位及壓力。

5．1．4 控制內(nèi)容

每臺(tái)電機(jī)運(yùn)行控制:整個(gè)電機(jī)控制過程中，PLC根據(jù)工藝條件事先設(shè)定開機(jī)條件，調(diào)節(jié)出水閥的開度，保證生產(chǎn)過程的正常運(yùn)行。

5．2 數(shù)據(jù)表格編制

為使軟件設(shè)計(jì)工作人員能更加方便靈活地進(jìn)行梯形圖編程，我們還編制了生產(chǎn)流程圖及PLC數(shù)據(jù)表格，如圖3、表1所示。由于數(shù)據(jù)量較大，只列出部分以供讀者參考。

圖3 備用取水泵自控系統(tǒng)配置(開電動(dòng)機(jī))Fig．3 Arrangement Drawing of the System

表1 PLC控制模塊1756-IB32(DI32)數(shù)據(jù)表Tab．1 Data Table of 1756-IB32

續(xù) 表

5．3 軟件設(shè)計(jì)

采用強(qiáng)大功能的組態(tài)軟件進(jìn)行整個(gè)泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的管理和維護(hù)，上位機(jī)的軟件實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)動(dòng)態(tài)流程畫面顯示:動(dòng)態(tài)顯示泵房工藝流程圖和各工藝單元流程圖，并能在流程圖上選擇彈出多級(jí)細(xì)部詳圖。

(2)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示:各種模擬信號(hào)、開關(guān)信號(hào)、各類累計(jì)量信號(hào)的數(shù)值和范圍清單，通過滑標(biāo)、按鈕、開關(guān)、信號(hào)燈、顏色、百分比、填充等手段實(shí)時(shí)生動(dòng)地表示出來。

(3)趨勢(shì)曲線:顯示各主要工藝參數(shù)變化曲線，各種模擬量的歷史曲線、即時(shí)曲線圖，并能在一幅圖形上對(duì)比顯示多種參數(shù)。

(4)報(bào)表打印:即時(shí)報(bào)表、日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表。

(5)控制調(diào)節(jié)功能:在動(dòng)態(tài)流程圖和細(xì)部詳圖上能進(jìn)行各種被控工藝參數(shù)設(shè)定值的調(diào)整，并能進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)切換及各設(shè)備的工況控制。

(6)報(bào)警功能:故障發(fā)生時(shí)中控室及相應(yīng)PLC發(fā)出聲響報(bào)警，控制軟件自動(dòng)彈出相應(yīng)故障點(diǎn)詳圖，顯示故障現(xiàn)象，同時(shí)打印報(bào)警和故障記錄文件。

(7)安全功能:按不同操作級(jí)別分級(jí)加密。并記錄操作人員工號(hào)和所有操作信息。

(8)數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能:能建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、操作信息庫(kù)、故障信息庫(kù)。

(9)數(shù)據(jù)處理功能:能利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、計(jì)算主要生產(chǎn)指標(biāo)。

(10)在線修改:能在線修改程序。為了方便工程師調(diào)試與二期選用相同的組態(tài)軟件RSView32。

5．4 自動(dòng)化改造中的技術(shù)改進(jìn)方式

在本次改造中，筆者借鑒以往自動(dòng)化改造的經(jīng)驗(yàn)，通過認(rèn)真的比較分析，發(fā)現(xiàn)在PLC改造中存在著控制節(jié)點(diǎn)多、回路多、程序復(fù)雜等問題，導(dǎo)致運(yùn)行過程中故障點(diǎn)多，故障檢修時(shí)間長(zhǎng)的問題，同時(shí)造價(jià)和運(yùn)行成本也相對(duì)較高。

針對(duì)以上情況，筆者在改造規(guī)劃階段，在不降低設(shè)備可靠性的前提下，整合控制系統(tǒng)的各個(gè)功能，實(shí)現(xiàn)單命令多設(shè)備的就地控制，目的是達(dá)到減少操作程序，簡(jiǎn)化回路設(shè)計(jì)，降低工程難度及造價(jià)的目的。具體舉例如下:

5．4．1 合理調(diào)整自控方式

如圖4所示，按照原先的控制方式是在高壓斷路器合上后，輸出一個(gè)狀態(tài)信號(hào)至PLC模塊，然后再由PLC輸出控制信號(hào)，控制風(fēng)機(jī)、加熱器等設(shè)備的動(dòng)作。

現(xiàn)在，我們通過對(duì)現(xiàn)有電氣二次回路的整改，控制信號(hào)不是由PLC模塊而是直接利用斷路器合閘信號(hào)串聯(lián)在風(fēng)機(jī)、加熱器等電氣設(shè)備的二次回路里，從而達(dá)到自動(dòng)控制的最終目的，電氣二次回路如圖5所示。

圖4 控制原理示意圖Fig．4 Control Principle Diagram

圖5 電氣二次回路圖Fig．5 Secondary Circuit of Power System Diagram

利用以上方法，對(duì)設(shè)備的其他控制回路予以簡(jiǎn)化改進(jìn)，可以大大減少PLC模塊、信號(hào)電纜、接線端子的數(shù)量以及程序編制的復(fù)雜性，從而降低成本，加強(qiáng)整個(gè)自控系統(tǒng)的可靠性。

5．4．2 產(chǎn)用新通訊方式，加強(qiáng)PLC與設(shè)備之間的信息互訪

在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我們嘗試通過應(yīng)用MODBUS通訊約規(guī)，連接所有西門子高壓柜上的阿爾斯通綜合保護(hù)器，取得了良好的效果，結(jié)果是只用一根通訊電纜，就可以連接所有的設(shè)備，從而采集到PLC系統(tǒng)所需要的信息和數(shù)據(jù)，按照以前的工藝，應(yīng)敷設(shè)大量的信號(hào)電纜進(jìn)行每一信號(hào)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)硬連接，經(jīng)過這次嘗試，整個(gè)工程又節(jié)約了大量信號(hào)電纜。

6 性能分析

6．1 可靠性、穩(wěn)定性和使用周期

系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試均符合國(guó)內(nèi)安全標(biāo)準(zhǔn)。具有安裝簡(jiǎn)單、調(diào)試簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。隔離性較好，具有維護(hù)時(shí)間短，維護(hù)成本低，穩(wěn)定性高的特點(diǎn)

6．2 系統(tǒng)先進(jìn)性與經(jīng)濟(jì)性

系統(tǒng)擁有先進(jìn)的自我診斷功能，如系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障，系統(tǒng)在報(bào)警的同時(shí)，記錄故障地點(diǎn)、故障時(shí)間、故障可能產(chǎn)生的原因。體現(xiàn)出系統(tǒng)的可持續(xù)性。

系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到運(yùn)行期間，均具有極高性價(jià)比。大大降低了人力、物力的投入。

6．3 擴(kuò)展性和兼容性

系統(tǒng)采用controllogix5000型設(shè)備，該系列設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)modbus通信接口以及各類標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出接口。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)留有20%的冗余，便于今后升級(jí)擴(kuò)展。

7 結(jié)語

系統(tǒng)投運(yùn)后將有效地提升水廠自動(dòng)化程度，有效提高備用取水泵房的工作效率與能力，并與廠部系統(tǒng)有機(jī)融合，大大提高了水廠供水可靠性。同時(shí)，促進(jìn)企業(yè)計(jì)算機(jī)化、信息化、自動(dòng)化發(fā)展，提高行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。