泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)

【摘要】本文提出了一種以可編程控制器（PLC）為核心的泵站水泵控制方案。在該方案中，各臺(tái)水泵平等地投入使用，并通過對(duì)各臺(tái)水泵運(yùn)行情況的記錄，令運(yùn)行較少的水泵優(yōu)先啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各臺(tái)水泵的均衡使用。

【關(guān)鍵詞】PLC；泵站；水位控制；均衡使用

1.引言

泵站在污水處理、城市排澇中都是必不可少的環(huán)節(jié)，而可編程控制器（PLC）以其出色的可靠性和抗干擾性常常被用作泵站的控制系統(tǒng)核心。目前泵站水泵的自動(dòng)控制一種是在集水井安裝超聲波液位計(jì)，超聲波液位計(jì)將集水井中的水位信號(hào)送給PLC，有PLC自動(dòng)控制水泵的運(yùn)行，另一種控制方式是在集水井中安裝水位開關(guān)，將水位開關(guān)送給PLC，到預(yù)先設(shè)置好的水位后自動(dòng)開/停污水泵 [1] 。一般來說，泵站會(huì)設(shè)有備用水泵，以便在主水泵出現(xiàn)故障的時(shí)候維持泵站的正常運(yùn)行。但若備用水泵在水中長期不運(yùn)行，則電機(jī)的絕緣性能會(huì)下降，影響水泵的正常運(yùn)行及使用壽命，而主水泵長期運(yùn)行也會(huì)令其故障頻率上升，各臺(tái)水泵使用不均勻也會(huì)使總的維修成本增加。之前也有人提出了一個(gè)設(shè)計(jì)方案，使得各水泵輪流啟動(dòng)，互為備用，但該系統(tǒng)依然無法讓各水泵均衡地投入使用[2]。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)泵站水泵控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，各臺(tái)水泵的地位是平等的，不存在固定的備用水泵，各臺(tái)水泵均衡地投入使用。

某泵站目前有三臺(tái)水泵，分別為一、二、三號(hào)泵。在正常情況下，兩臺(tái)水泵同時(shí)運(yùn)行就能滿足最大泵水量的要求，剩下一臺(tái)作為備用水泵，但當(dāng)水位超過警戒線時(shí)，三臺(tái)水泵都要投入運(yùn)行。

S1、S2、S3、S4、S5、S6為水位開關(guān)，當(dāng)其浸入水中時(shí)處于接通狀態(tài)（ON），在水面之上時(shí)為斷開狀態(tài)（OFF）。6個(gè)開關(guān)的安裝位置由高到低依次是S6、S5、S4、S3、S2、S1。

2.控制要求

（1）當(dāng)水位到達(dá)S2時(shí)，啟動(dòng)一臺(tái)水泵，水位到達(dá)S4時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)水泵，水位到達(dá)警戒水位S6時(shí)，三臺(tái)水泵都要運(yùn)行；當(dāng)水位依次回落到停止水位S5、S3、S1時(shí)，相應(yīng)地停止一臺(tái)泵，兩臺(tái)泵，三臺(tái)泵。

（2）三臺(tái)水泵的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間要盡量均衡，不能出現(xiàn)水泵之間累計(jì)運(yùn)行時(shí)間相差懸殊的情況。

3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 詳細(xì)分析

對(duì)于開關(guān)S2、S4、S6，每當(dāng)其中任意一個(gè)開關(guān)狀態(tài)由OFF變?yōu)镺N的時(shí)候，比較三臺(tái)泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間并按升序?qū)λ鼈冞M(jìn)行排列，依次為第一、第二、第三臺(tái)泵。當(dāng)S2的狀態(tài)由OFF變?yōu)镺N時(shí)，運(yùn)行第一臺(tái)泵，并關(guān)閉另外兩臺(tái)；當(dāng)S4的狀態(tài)由OFF變?yōu)镺N時(shí)，運(yùn)行第一臺(tái)泵和第二臺(tái)泵，關(guān)閉第三臺(tái)；當(dāng)S6由OFF變?yōu)镺N時(shí)，三臺(tái)泵都要運(yùn)行。

對(duì)于開關(guān)S1、S3、S5，每當(dāng)其中任意一個(gè)開關(guān)狀態(tài)由ON變?yōu)镺FF的時(shí)候，和前面一樣對(duì)三臺(tái)泵進(jìn)行排序。當(dāng)S5的狀態(tài)為由ON變?yōu)镺FF時(shí)，運(yùn)行第一臺(tái)泵和第二臺(tái)泵，關(guān)閉第三臺(tái)；當(dāng)S3的狀態(tài)為由ON變?yōu)镺FF時(shí)，運(yùn)行第一臺(tái)泵，關(guān)閉第二臺(tái)泵和第三臺(tái)泵；當(dāng)S1的狀態(tài)為由ON變?yōu)镺FF時(shí)，三臺(tái)泵都要停止運(yùn)行。

每一臺(tái)泵都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)器，在其啟動(dòng)時(shí)對(duì)其運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行累加計(jì)算，在其關(guān)閉時(shí)計(jì)時(shí)器也停止計(jì)算，并保存數(shù)據(jù)。

為方便表述，引入一些符號(hào)，其意義如下：

符號(hào) 說明

T1 1號(hào)泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間

T2 2號(hào)泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間

T3 3號(hào)泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間

X T1≥T2

Y T2≥T3

Z T3≥T1

TURNON（i），i=1，2，3 開啟i號(hào)泵

TURNDOWN（i），i=1，2，3 關(guān)閉i號(hào)泵

各臺(tái)泵的開啟和關(guān)閉可用下面的式子表示：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

3.2 PLC編程

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用的PLC選用歐姆龍CPM1A型，編寫程序前需對(duì)其I/O及所用到的輔助繼電器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行分配?，F(xiàn)將本次設(shè)計(jì)所用到輸入/輸出繼電器、主要的內(nèi)部輔助繼電器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)分配情況如下表。

表1 主要繼電器和存儲(chǔ)區(qū)分配情況

繼電器/存儲(chǔ)區(qū) 說明

0.00～0.05 開關(guān)S1～S6

200.00～200.02 X，Y，Z

10.00～10.02 1～3號(hào)泵

201.00、201.01 1號(hào)泵開啟、關(guān)閉

202.00、202.01 2號(hào)泵開啟、關(guān)閉

203.00、203.01 3號(hào)泵開啟、關(guān)閉

DM1～DM3 1～3號(hào)泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間存儲(chǔ)區(qū)

203.00、203.01 1～3號(hào)泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間輔助存儲(chǔ)區(qū)

圖1 1號(hào)泵的啟停

圖2 1號(hào)泵的計(jì)時(shí)器

3.2.1 各泵的啟動(dòng)與關(guān)閉

以1號(hào)泵為例，根據(jù)（1）式和（2）式，容易得到其開啟和關(guān)閉的梯形圖，如圖1。同樣，根據(jù)（3）式和（4）式、（5）式和（6）式，不難得到2號(hào)泵管和3號(hào)泵的開啟與關(guān)閉的梯形圖，這里不再列出。

3.2.2 各泵的計(jì)時(shí)

由于PLC內(nèi)部的定時(shí)器不能直接用于計(jì)時(shí)，本系統(tǒng)根據(jù)水泵實(shí)際的運(yùn)行情況，利用PLC中的特殊輔助繼電器設(shè)計(jì)了一個(gè)計(jì)時(shí)裝置，該是計(jì)時(shí)裝置以小時(shí)為單位。具體做法是：給每臺(tái)泵分配兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，一個(gè)以小時(shí)為單位記錄水泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，另一個(gè)以分鐘為單位，起輔助作用，然后利用PLC自帶的一分鐘時(shí)鐘脈沖位，該繼電器每一分鐘發(fā)送一個(gè)脈沖，當(dāng)其上升沿到來時(shí)，用自增指令使以分鐘為單位存儲(chǔ)區(qū)所存的數(shù)據(jù)加1，若此前的數(shù)據(jù)已經(jīng)大等于59，則將其置零并使以小時(shí)為單位的存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)加1，即逢60進(jìn)1，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的計(jì)時(shí)。同樣以1號(hào)泵為例，其對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)器梯形圖如圖2所示。

4.結(jié)束語

本文討論的是基于PLC的泵站水位控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行時(shí)間最短的水泵優(yōu)先啟動(dòng)，使得各泵均衡地投入使用，對(duì)資源的利用更充分，同時(shí)也能有效地降低故障率，減少維修成本，實(shí)用性強(qiáng)。本文所編的程序已經(jīng)在歐姆龍PLC上運(yùn)行過，其輸入輸出關(guān)系完全達(dá)到了前面所述的控制要求。當(dāng)然，若要投入生產(chǎn)應(yīng)用，該系統(tǒng)還需增加一些模塊，如接口電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路以及各泵的轉(zhuǎn)速控制模塊等等?，F(xiàn)實(shí)的泵站控制系統(tǒng)往往還會(huì)設(shè)置有手動(dòng)控制方式以及軟手動(dòng)控制方式（即遠(yuǎn)程手動(dòng)控制方式）[3]，大型的泵站還會(huì)安裝遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)泵站的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，但這些已經(jīng)不是本文所要解決的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]黎一強(qiáng).PLC技術(shù)在生活污水處理及回用系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27（8）：123-125.

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[3]楊明.PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用[J].電子制作，2014，3（2）：205.

作者簡介：張明鋒（1987—），男，廣東陽江人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于廣東工業(yè)大學(xué)，研究方向：控制理論與控制工程。