基于PLC的城市排澇泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于城市排澇泵站中。文章以浙江某泵站工程為例，介紹設(shè)計(jì)其監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，著重闡述了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成、系統(tǒng)主要功能和設(shè)備工作要求，并在此基礎(chǔ)上提出了自己的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：PLC；監(jiān)控系統(tǒng)；排澇泵站

引言

近年來，各大城市都不同程度的出現(xiàn)內(nèi)澇、洪水等災(zāi)害性天氣，加強(qiáng)城市防洪排澇系統(tǒng)建設(shè)成為各地政府多年來基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的重要工作，其中城市防洪排澇泵站就是防洪排澇系統(tǒng)的重要一環(huán)。如何提高防洪排澇泵站的運(yùn)行效率，減少運(yùn)行設(shè)備故障，降低運(yùn)行維護(hù)成本成為水利工作者的重要使命。隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，基于PLC監(jiān)控系統(tǒng)更廣泛的應(yīng)用于城市防洪泵站中，一定程度上較好的解決了以上問題。文章以浙江某泵站為例，介紹了一種泵站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 工程概述

該泵站工程樞紐主要由一座30m3/s單向泵站和兩座節(jié)制閘組成。共裝設(shè)主泵3臺(tái)，配套電動(dòng)機(jī)額定電壓10kV，功率280kW。泵站供電電源電壓等級為10kV，設(shè)站變一臺(tái)，10/0.4kV，315kVA。監(jiān)控對象包括3臺(tái)單向主泵、8孔節(jié)制閘閘門啟閉設(shè)備（螺桿啟閉機(jī)）、6臺(tái)工作閘門啟閉設(shè)備（液壓啟閉機(jī)）、清污設(shè)備（3臺(tái)回轉(zhuǎn)式清污機(jī)，1臺(tái)皮帶傳輸機(jī)）、排水系統(tǒng)（2臺(tái)滲漏排水泵、2臺(tái)檢修排水泵）、技術(shù)供水系統(tǒng)（2臺(tái)循環(huán)供水泵、2臺(tái)冷卻供水泵、2臺(tái)自動(dòng)濾水器）、消防供水系統(tǒng)（2臺(tái)消防供水泵）、10kV高壓開關(guān)柜微機(jī)保護(hù)裝置、站用變微機(jī)保護(hù)裝置、直流系統(tǒng)設(shè)備等。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該泵站工程采用以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以必要、簡單的常規(guī)監(jiān)控作為輔助和備用監(jiān)控手段的監(jiān)控方式。通常情況下，設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)視和控制在中控室的主計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，同時(shí)中控室設(shè)有能實(shí)現(xiàn)在緊急情況下停機(jī)、跳閘操作的按鈕。各PLC通過人機(jī)聯(lián)系終端液晶觸摸屏實(shí)現(xiàn)對所監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。各系統(tǒng)的現(xiàn)地控制柜上還設(shè)有必要簡單的信號(hào)、控制開關(guān)以及操作按鈕，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的現(xiàn)地監(jiān)控。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)擬采用分層分布式結(jié)構(gòu)，由主控級和現(xiàn)地控制單元級組成。主控級設(shè)備由兩臺(tái)互為備用的操作員工作站和必要的外圍設(shè)備組成，布置在控制樓的控制室內(nèi)，并配置有通信計(jì)算機(jī)，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控。現(xiàn)地控制單元級布置在設(shè)備現(xiàn)地，配置如下：泵房內(nèi)3臺(tái)主泵各設(shè)一臺(tái)PLC現(xiàn)地控制柜，泵站公用部分設(shè)一臺(tái)PLC控制柜，在水泵和集水井排水泵旁設(shè)現(xiàn)地控制箱?，F(xiàn)地單元控制級以可編程控制器PLC為控制核心，實(shí)現(xiàn)閘門開度、水位、限位開關(guān)、水泵及其輔助設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)等的采集和處理功能，接收主控級和現(xiàn)地命令，進(jìn)行閘門啟閉、水泵及其輔助設(shè)備開?？刂疲约皩λ卦O(shè)備進(jìn)行故障監(jiān)測等功能，同時(shí)將有關(guān)信息實(shí)時(shí)上送主控級計(jì)算機(jī)。

3 設(shè)備選型及功能要求

3.1 主控級設(shè)備及功能要求

樞紐主控級由布置于兩臺(tái)監(jiān)控主機(jī)（NEMATRON工控機(jī)），一臺(tái)通信計(jì)算機(jī)（NEMATRON工控機(jī)），100M工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)（N-TRON）和UPS等組成。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，2臺(tái)監(jiān)控主計(jì)算機(jī)互為熱備用，當(dāng)監(jiān)控主計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，備用計(jì)算機(jī)將自動(dòng)接管主操作站的所有工作，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控主計(jì)算機(jī)所有功能。

兩臺(tái)主機(jī)同時(shí)供運(yùn)行值班人員使用，具有數(shù)據(jù)計(jì)算和處理，數(shù)據(jù)庫管理，在線及離線計(jì)算功能，各圖表、曲線的生成，事故、故障信號(hào)的分析處理、圖形顯示、數(shù)據(jù)報(bào)表打印、全樞紐運(yùn)行監(jiān)視和控制功能、發(fā)操作控制命令、作定值切換、設(shè)定與變更工作方式以及語音報(bào)警等功能。全樞紐所有的操作控制都可以通過鼠標(biāo)器及鍵盤而實(shí)現(xiàn)；通過顯示器可以對全廠的生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)行作實(shí)時(shí)監(jiān)視，并取得所需的各種信息，并易于開發(fā)人員進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)和修改。

3.2 現(xiàn)控級設(shè)備及功能要求

現(xiàn)地控制單元選用AB公司compactlogix系列PLC，該系列PLC均帶有自檢功能，在故障時(shí)自動(dòng)報(bào)警，以保證系統(tǒng)的安全可靠。該系列PLC有多種通訊方式可選，本工程中選用了專用RS485通訊模塊，該模塊支持MODBUS RTU規(guī)約。

3.2.1 機(jī)組現(xiàn)地控制單元。每臺(tái)機(jī)組配置1面機(jī)組PLC控制柜，布置在泵房現(xiàn)地，用于機(jī)組的數(shù)據(jù)采集、處理和開停機(jī)控制。機(jī)組PLC控制柜通過專用RS485通訊模塊，采用MODBUS RTU通訊協(xié)議完成與機(jī)組開關(guān)柜的多功能儀表的通訊。水泵、電機(jī)的各種自動(dòng)化元件如壓力變送器、溫度傳感器、電磁閥、示流信號(hào)器等經(jīng)現(xiàn)地端子箱轉(zhuǎn)接后引入機(jī)組PLC的I/O模塊。在控制柜上設(shè)置硬布線的緊急停機(jī)按鈕，以便在機(jī)組PLC故障的緊急情況下使用。

3.2.2 公用設(shè)備現(xiàn)地控制單元。樞紐設(shè)置1面公用設(shè)備PLC控制柜，用于全部公用設(shè)備的監(jiān)控，包括技術(shù)供水系統(tǒng)、消防供水泵、滲漏排水泵、檢修排水泵、清污機(jī)及皮帶機(jī)、10kV及400V開關(guān)設(shè)備等。公用設(shè)備PLC通過Modbus方式與供配電系統(tǒng)保護(hù)測控裝置、直流電源裝置、智能測量儀表、UPS的通訊。將繼電保護(hù)系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)信號(hào)，以硬節(jié)點(diǎn)方式接入公用PLC，以確保部分網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，重要信號(hào)仍能通過公用PLC上傳至主控單元。同時(shí)，在技術(shù)供水系統(tǒng)、消防供水泵、滲漏排水泵、檢修排水泵、清污機(jī)及皮帶機(jī)設(shè)置現(xiàn)地控制箱，以實(shí)現(xiàn)硬接線方式啟停，并允許遠(yuǎn)控、運(yùn)行、故障、電源狀態(tài)等信號(hào)以無源空接點(diǎn)方式送給公用PLC。

3.2.3 液壓系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元。樞紐3臺(tái)機(jī)組出水流道的6扇事故閘門和6扇拍門共用一套液壓系統(tǒng)，設(shè)置1面PLC控制柜。工作門液壓系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)30kW油泵（一主一備），采用軟起動(dòng)器一拖二起動(dòng)。軟啟動(dòng)器具有MODBUS通信接口與PLC實(shí)現(xiàn)通信。控制柜上設(shè)有觸摸屏，可直接通過觸摸屏對液壓系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和操作。每扇閘門采用2只液壓油缸啟閉，PLC可實(shí)時(shí)監(jiān)測2只液壓油缸的行程并進(jìn)行同步控制。同步控制方式為根據(jù)兩油缸行程差控制比例調(diào)速電磁閥進(jìn)行糾偏。

3.2.4 節(jié)制閘現(xiàn)地控制單元。節(jié)制閘室現(xiàn)地設(shè)置兩套節(jié)制閘PLC柜，分別控制4臺(tái)螺桿式啟閉機(jī)，共控制8臺(tái)螺桿式啟閉機(jī)。PLC對開啟程度、啟停等進(jìn)行控制。

4 主要功能及特點(diǎn)

4.1 主要功能

4.1.1 主控級功能。主控級設(shè)備在中控室內(nèi)，主控級負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和管理各現(xiàn)地控制單元的工作；收集有關(guān)信息并作相應(yīng)處理和存儲(chǔ)；對被控對象進(jìn)行安全監(jiān)視和控制；完成系統(tǒng)自診斷及對外的通信聯(lián)絡(luò)、軟件開發(fā)等等。監(jiān)控主機(jī)是全站集中監(jiān)視和控制的人機(jī)接口，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖形顯示、報(bào)警和事件的發(fā)布、各種報(bào)表顯示和打印、系統(tǒng)自診斷信息顯示等。

4.1.2 現(xiàn)地控制單元功能。各現(xiàn)地控制單元分別采集、處理和顯示各機(jī)組、公用設(shè)備及閘門液壓系統(tǒng)的電氣量和非電氣量，并根據(jù)需要實(shí)時(shí)上送主控級；可對狀變、越限、運(yùn)行過程、PLC的異常等進(jìn)行監(jiān)視；對機(jī)組的開/停、開關(guān)的分/合、各公用輔助設(shè)備的投/退、電磁閥的啟/停等進(jìn)行控制；具有自診斷功能并可完成與主控級和現(xiàn)場設(shè)備的通訊等。

4.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）大量采用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，盡量采用同一廠家、同一系列的數(shù)字化主、輔機(jī)控制保護(hù)裝置為網(wǎng)絡(luò)通訊的順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，避免了各種不同型號(hào)、不同系列的PLC和測保單元使用各種不同的規(guī)約，不需增加規(guī)約轉(zhuǎn)換的硬件和軟件接口，從而提高了通訊的可靠性和實(shí)時(shí)性，為網(wǎng)絡(luò)通訊的順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（2）每個(gè)設(shè)備之間均互相獨(dú)立，局部故障不至于影響整體網(wǎng)絡(luò)工作。并且，每個(gè)接入設(shè)備都具有特定的功能，以實(shí)現(xiàn)功能獨(dú)立分布和就地分布。（3）采用工業(yè)級交換機(jī)，采取了較商業(yè)交換機(jī)更為嚴(yán)格的防靜電、防電磁干擾、防震動(dòng)等措施，更適應(yīng)工控場合惡劣工作環(huán)境和條件，平均無故障時(shí)間不小于17萬小時(shí)。（4）由于泵站地處多雷地區(qū)，系統(tǒng)采取多項(xiàng)措施以提高系統(tǒng)防雷擊、抗干擾的能力，例如：電源防雷，UPS的AC380V電源進(jìn)線、PLC的AC220V電源兩側(cè)均設(shè)置電源電涌保護(hù)器；網(wǎng)絡(luò)防雷，現(xiàn)地控制單元與下層設(shè)備之間的通訊網(wǎng)絡(luò)配置網(wǎng)絡(luò)信號(hào)電涌保護(hù)器；模擬量信號(hào)防雷，如進(jìn)、出水池水位信號(hào)和欄污柵前、后水位信號(hào)（4～20mA），視頻信號(hào)等設(shè)置模擬量信號(hào)防雷器；光電隔離和電氣隔離，PLC的輸入模塊采用光電隔離技術(shù)，輸出信號(hào)通過光電隔離輸出模塊經(jīng)中間繼電器電氣隔離后再到現(xiàn)場設(shè)備。

5 結(jié)束語

本工程中，通過監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，泵站泵組的自動(dòng)運(yùn)行嚴(yán)格按照計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序執(zhí)行，在泵組及輔助系統(tǒng)的控制柜PLC中均有設(shè)備故障的顯示，在控制室的計(jì)算機(jī)內(nèi)也可以了解到各設(shè)備的運(yùn)行情況。監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，使得能夠確保泵站安全可靠地運(yùn)行，同時(shí)提高了運(yùn)行維護(hù)的效率，降低了運(yùn)行維護(hù)的成本。

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