基于PLC的無(wú)人泵站全自動(dòng)控制系統(tǒng)

胡錫春（無(wú)錫市排水有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

李小凱（總裝工程兵科研一所，江蘇 無(wú)錫 214035）

基于PLC的無(wú)人泵站全自動(dòng)控制系統(tǒng)

胡錫春（無(wú)錫市排水有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

李小凱（總裝工程兵科研一所，江蘇 無(wú)錫 214035）

泵站自動(dòng)控制在工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域中相對(duì)比較簡(jiǎn)單,但在工程實(shí)際應(yīng)用中無(wú)人值守泵站全自動(dòng)控制卻由于種種原因,在穩(wěn)定性、功能性上存在一定的問(wèn)題。本文結(jié)合實(shí)踐給出一種無(wú)人泵站全自動(dòng)控制方案,其控制模式多樣化,具有智能保護(hù)、短信通知等功能,不但降低了巡檢人員工作強(qiáng)度,而且能確保巡檢人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)泵站故障情況。

無(wú)人泵站；全自動(dòng)控制；短信通知；泵站智能保護(hù)

1 引言

無(wú)論是城市污水處理廠還是自來(lái)水廠，在其管網(wǎng)上都分布著許多的泵站。隨著社會(huì)的發(fā)展，人工成本逐年上升，現(xiàn)在越來(lái)越多的泵站改為無(wú)人值守方式運(yùn)行。目前無(wú)人值守泵站的自動(dòng)控制系統(tǒng)有的采用浮球控制泵的啟停，有的采用PLC根據(jù)液位或浮球控制泵組的啟停，但很少泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)能利用泵組臺(tái)時(shí)、泵組狀態(tài)等綜合分析出泵組的優(yōu)先級(jí)，然后再根據(jù)液位設(shè)定值、泵組優(yōu)先級(jí)選擇啟停泵組，進(jìn)而形成完整的設(shè)備動(dòng)作記錄和故障短信報(bào)警功能。

本文給出的這種無(wú)人值守泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)，以多年工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，在增加極少投資的情況下，不但可確保泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，還可及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，進(jìn)行事故追溯。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 方案架構(gòu)

本文以無(wú)錫市某泵站為例設(shè)計(jì)。該泵站共有三臺(tái)水泵，自動(dòng)控制系統(tǒng)采用羅克韋爾自動(dòng)化的PLC作為核心，PLC通過(guò)RS485總線與數(shù)據(jù)記錄模塊（Drec）、短信匯報(bào)模塊（Sms）連接。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)需采用UPS供電，并且短信匯報(bào)模塊本身自帶電池，與UPS形成雙回路冗余供電，確保巡檢人員及時(shí)收到故障信息。

泵組常規(guī)監(jiān)控信號(hào)（運(yùn)行、故障、啟動(dòng)、停止、電流）和液位信號(hào)等通過(guò)電纜連接至PLC的IO模塊，UPS的狀態(tài)和進(jìn)線電壓信號(hào)也連接至PLC。監(jiān)測(cè)進(jìn)線電壓主要用于泵站跳閘報(bào)警。同時(shí)PLC預(yù)留以太網(wǎng)接口，在需要的情況下可以通過(guò)專線或者GPRS連接至控制中心。

數(shù)據(jù)記錄模塊主要通過(guò)總線獲得泵站內(nèi)泵組啟停、泵組狀態(tài)、液位信號(hào)等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)按照事先約定編碼在SD上以文本形式記錄，在需要時(shí)可以直接導(dǎo)出為EXCEL表格。

短信匯報(bào)模塊可以設(shè)置為兩種觸發(fā)模式：常規(guī)匯報(bào)和異常匯報(bào)。常規(guī)匯報(bào)在每天8:00～18:00將每隔兩個(gè)小時(shí)以短信方式發(fā)送一次泵站的當(dāng)前運(yùn)行狀況；異常匯報(bào)在泵站出現(xiàn)故障時(shí)（進(jìn)線跳閘、泵組異常、液位異常等）發(fā)送短信給巡檢人員，便于巡檢人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，降低故障的影響。

這種設(shè)計(jì)方案與常規(guī)泵站自動(dòng)化控制系統(tǒng)相比，僅僅在硬件方面增加了數(shù)據(jù)記錄模塊和短信匯報(bào)模塊，對(duì)泵站自控系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用的影響可以基本忽略不計(jì)。

2.2 控制模式

無(wú)人泵站全自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制模式分為調(diào)試模式、液位聯(lián)動(dòng)模式、定時(shí)運(yùn)行模式、液位自動(dòng)模式四種。如圖2所示，除調(diào)試模式外另外三種控制模式使用時(shí)都自動(dòng)調(diào)用智能監(jiān)測(cè)子程序保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

圖2 控制模式

在使用中，用戶可以在四種控制模式任意選擇一種，當(dāng)系統(tǒng)掉電重啟后仍舊進(jìn)入掉電前選擇的控制模式。這四種控制模式都是通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)。

調(diào)試模式又稱手動(dòng)模式，以點(diǎn)動(dòng)方式控制各泵組啟停，主要用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備診斷、故障修復(fù)時(shí)的調(diào)試等。

液位聯(lián)動(dòng)模式下分別為三臺(tái)泵組設(shè)置不同的啟停液位。在本方案液位分別設(shè)置為（3.40，1.20）、（3.00，1.00）、（2.50，0.80），即1#泵組在液位高于3.40米時(shí)啟動(dòng)，液位低于1.20米時(shí)停止。這種模式主要適用于三臺(tái)泵組功率不一樣的情況，本次施工泵站的三臺(tái)泵組功率都相同，因此這種控制模式保留方便日后將控制程序整體移植到其他泵站。

定時(shí)運(yùn)行模式主要適用于泵站間歇進(jìn)水或供水的情況下。在這種模式下設(shè)置最高警戒液位3.60米和最低警戒液位0.60米。當(dāng)液位在這個(gè)區(qū)間之內(nèi)，泵組將根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間啟停，比如泵組在6:00～9:00、11:00～15:00、18:00～22:00運(yùn)行，其余時(shí)間停止。在啟動(dòng)之前PLC將根據(jù)泵組運(yùn)行臺(tái)時(shí)、泵組狀態(tài)等綜合分析出泵組的優(yōu)先級(jí)，然后啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)最高的泵組。運(yùn)行到指定時(shí)間后停止該泵組。當(dāng)下一次需要啟動(dòng)之前再次計(jì)算優(yōu)先級(jí)并選擇優(yōu)先級(jí)最高的泵組啟動(dòng)。當(dāng)液位超過(guò)警戒液位時(shí)，泵組按事先設(shè)定的保護(hù)動(dòng)作進(jìn)行啟停，確保泵站設(shè)備安全。

液位自動(dòng)模式需要事先設(shè)定三個(gè)啟動(dòng)液位，如本方案中分別設(shè)置啟動(dòng)液位為2.50米、3.00米、3.40米，停止液位0.8米。當(dāng)液位超過(guò)2.50米時(shí)啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)最高的泵組，啟動(dòng)失敗后將該泵組優(yōu)先級(jí)調(diào)至最低然后重新分析各泵組優(yōu)先級(jí)，再啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)最高的泵組，直到啟動(dòng)成功。超過(guò)3.0米至啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)次高的泵組，啟動(dòng)失敗后將該泵組優(yōu)先級(jí)調(diào)至最低然后重新分析各泵組優(yōu)先級(jí)，再啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)次高的泵組（此時(shí)優(yōu)先級(jí)最高的泵組在運(yùn)行）。液位自動(dòng)模式是本泵站最常使用的控制模式。

2.3 智能監(jiān)測(cè)保護(hù)

該系統(tǒng)的智能監(jiān)測(cè)保護(hù)子程序伴隨著除調(diào)試模式以外的其他幾種控制模式運(yùn)行，和控制模式一樣也是通過(guò)PLC編程實(shí)現(xiàn)。

智能監(jiān)測(cè)保護(hù)主要監(jiān)測(cè)以下幾個(gè)方面，首先是對(duì)進(jìn)線電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)進(jìn)線缺相或者跳閘時(shí)形成報(bào)文供數(shù)據(jù)記錄模塊和短信匯報(bào)模塊使用；其次監(jiān)測(cè)泵組運(yùn)行狀態(tài)（電流、故障等），當(dāng)泵組出現(xiàn)異常時(shí)（如三相電流不平衡、電流過(guò)大或過(guò)小等等）自動(dòng)保護(hù)停止該泵組，并重新啟動(dòng)另外一臺(tái)符合條件的泵組，同時(shí)形成報(bào)文供數(shù)據(jù)記錄模塊和短信匯報(bào)模塊使用；另外液位監(jiān)測(cè)保護(hù)主要是根據(jù)泵組運(yùn)行情況、浮球狀態(tài)、液位測(cè)量信號(hào)對(duì)泵井液位進(jìn)行復(fù)核，當(dāng)復(fù)核結(jié)果異常時(shí)（如正常浮球高信號(hào)時(shí)液位在3.00米，但液位計(jì)測(cè)量讀數(shù)已經(jīng)到3.20米浮球高信號(hào)仍舊沒(méi)有監(jiān)測(cè)到或者浮球高信號(hào)監(jiān)測(cè)到但液位計(jì)測(cè)量液位才2.8米等等），形成報(bào)文供數(shù)據(jù)記錄模塊和短信匯報(bào)模塊使用，同時(shí)根據(jù)預(yù)先設(shè)定進(jìn)行異常保護(hù)處理。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 PLC系統(tǒng)編程

PLC系統(tǒng)使用羅克韋爾自動(dòng)化的RSLogix500軟件編程。RSLogix500是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，條理清晰，功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。本泵站使用梯形圖進(jìn)行編程，圖3給出了部分智能監(jiān)測(cè)程序。

圖3 PLC程序

在PLC編程時(shí)盡量考慮可移植性，同時(shí)將系統(tǒng)中控制邏輯等編寫(xiě)在PLC程序中。如圖3所示當(dāng)系統(tǒng)觸發(fā)數(shù)據(jù)記錄模塊（B3:200/5置位）時(shí)，將需要記錄的數(shù)據(jù)如泵組狀態(tài)等放到一個(gè)連續(xù)的存儲(chǔ)空間內(nèi)，并將該連續(xù)存儲(chǔ)空間內(nèi)數(shù)據(jù)一次性寫(xiě)入給記錄模塊。

3.2 數(shù)據(jù)記錄及短信匯報(bào)功能

數(shù)據(jù)記錄和短信匯報(bào)功能主要通過(guò)使用自主研發(fā)的模塊實(shí)現(xiàn)，這兩種模塊使用AVR單片機(jī)開(kāi)發(fā)，具有RS485接口并采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議通信。模塊的硬件設(shè)計(jì)本文不再講述，這里主要給出其原理及最終導(dǎo)出數(shù)據(jù)報(bào)表格式。

數(shù)據(jù)記錄主要根據(jù)PLC內(nèi)的觸發(fā)條件進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，存儲(chǔ)介質(zhì)采用SD卡，文件類型為T(mén)XT文本。數(shù)據(jù)記錄為每天一個(gè)文檔并采用編碼方式記錄。編碼方法根據(jù)所需記錄類型不同而變化，其中前兩個(gè)數(shù)字表示記錄類型，如設(shè)備啟停記錄編碼格式為#【12】#【狀態(tài)】#【液位】#【電流A】#【電流C】#【電流C】#【進(jìn)線電壓】#【日期】#【控制模式】#【泵組】，狀態(tài)數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制編碼，目前使用其低6位，剩余10為保留。設(shè)備啟停記錄的TXT文件內(nèi)容可讀性不強(qiáng)，這主要是因?yàn)閱纹瑱C(jī)如果寫(xiě)入SD卡字符串比較復(fù)雜會(huì)增加很大的工作量，因而通過(guò)編碼方式記錄。用戶可以使用數(shù)據(jù)記錄模塊配套的軟件將記錄的編碼表示成可讀報(bào)表，如某條記錄編碼為#12#3#255#36#35#36#392#141229143426#3#1#，通過(guò)軟件讀出后為圖4所示紅色圓圈標(biāo)注部分。

圖4 數(shù)據(jù)記錄導(dǎo)出報(bào)表

短信匯報(bào)功能主要利用sms短信發(fā)送泵站的情況，可以設(shè)置為常規(guī)匯報(bào)和異常匯報(bào)。常規(guī)匯報(bào)主要定時(shí)發(fā)送泵站的運(yùn)行情況，異常匯報(bào)為泵站出現(xiàn)異常時(shí)發(fā)送短信。短信匯報(bào)模塊采用AVR單片機(jī)開(kāi)發(fā)，支持中文短信發(fā)送。

4 小結(jié)

雖然泵站自動(dòng)控制相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但目前很多泵站的自動(dòng)控制系統(tǒng)并不完善，究其原因主要有以下幾個(gè)方面：首先自動(dòng)化控制技術(shù)人員不但需要掌握編程技術(shù)還需要具有工作經(jīng)驗(yàn)；其次目前許多自動(dòng)化工程公司追求工程的快速而不注重人員的培養(yǎng)。本文給出的方案控制模式比較全，且具有很好的移植型（PLC編寫(xiě)程序時(shí)按照五臺(tái)泵組編寫(xiě)）。而且一旦泵站出現(xiàn)故障將及時(shí)短信通知巡檢人員，巡檢人員到現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)讀取記錄的數(shù)據(jù)能快速分析最近泵站運(yùn)行情況，追溯故障發(fā)生前的狀態(tài)。

[1] 羅克韋爾自動(dòng)化. RSLogix 500快速入門(mén)手冊(cè)[Z]. 2006.

[2] 羅克韋爾自動(dòng)化. MicroLogix 1400可編程控制器指令集參考手冊(cè)[Z]. 2010.

[3] 張勵(lì). 泵站自動(dòng)化系統(tǒng)中常見(jiàn)故障現(xiàn)象及處理方法[J]. 電氣技術(shù). 2013, 11.

[4] 王文達(dá). 淺談我國(guó)泵站的自動(dòng)化發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用. 2013. 7.

Automatic Control System for Unattended Pumping Station Based on PLC

Although pumping station automatic control in the field of industrial automation is relatively simple, in the practical applications, the guard -free pumping station control exist some problems in functionality and stability because of various reasons. This paper proposed an unmanned station full automatic control scheme by considering the practical applications. The control mode is diversified with intelligent protections, SMS notification and other functions. It not only reduces the work strength of inspection personnel, but also enables the inspection staff to find the fault situation of pumping station.

No pumping station; Automatic control; SMS notification; Pump intelligent protection

B

1003-0492(2015)06-0086-03

TP273

胡錫春（1981-）,男，江西泰和人，工程師，本科，主要研究方向?yàn)槲鬯幚韽S設(shè)備、自控管理。