基于PLC的選礦廠供水泵站控制系統(tǒng)設計

黃松清，王庭有，楊安園

(1.昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500；2.開封大學 機械與汽車工程學院，河南 開封 475000)

水泵房自動控制系統(tǒng)作為工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分不僅為選礦廠生產(chǎn)用水提供了保障，而且為實現(xiàn)安全生產(chǎn)的目標提供了有利支撐，系統(tǒng)各種設備能否穩(wěn)定、可靠、高效地運行，對整個選礦廠的生產(chǎn)效率有著重要的影響。HMI技術的引入實現(xiàn)了系統(tǒng)的實時監(jiān)控，PLC技術和傳感器檢測技術的使用提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該控制系統(tǒng)不但可以作為一個獨立的系統(tǒng)單獨運行，而且還可作為一個子系統(tǒng)無縫接入礦山綜合自動化系統(tǒng)平臺。

1 供水泵站自動控制系統(tǒng)設計要求

利用排水系統(tǒng)從礦井中排放到地表水池中的水，經(jīng)過沉淀、去污等系列措施的處理后，將其作為工業(yè)用水使用，最終實現(xiàn)水資源的再利用。本設計應在該廠原以建成的兩個供水泵站(每個泵站均配備有4臺離心泵和2臺真空射流泵)的基礎設施上來進行自動化控制系統(tǒng)的設計。使該供水系統(tǒng)能夠具備遠程控制、自動控制、手動控制等功能，能實時監(jiān)測各水泵的工作狀態(tài)、進線電壓、運行電流、管路壓力、管路流量等參數(shù)，并可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及預設的控制邏輯，自動控制設備的運行與停止，最終實現(xiàn)工業(yè)恒壓供水。

2 控制系統(tǒng)總體方案設計

2.1 控制系統(tǒng)層級結構

系統(tǒng)采用三級控制系統(tǒng)來實現(xiàn)水泵房的“無人值守”和遠程監(jiān)控[1]。

設備層：各類傳感器的使用實現(xiàn)水泵軸溫、吸水管路真空度、水池水位、管路壓力、管路流量等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。三相交流電流電壓頻率表完成對水泵進線電壓、運行電流的監(jiān)測。同時對控制后的水泵開/停、電動閥開/閉等相關設備狀態(tài)進行采集，判斷控制執(zhí)行效果，最終實現(xiàn)整個自動控制過程的邏輯閉環(huán)。

傳輸層：為了減少干擾，采用工業(yè)級的千兆/百兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機，完成控制柜、視頻攝像機等設備與上位機的數(shù)據(jù)交互[2]。

管理層：利用控制柜中PLC的邏輯處理、運算存儲、數(shù)據(jù)上傳、控制執(zhí)行等功能，實現(xiàn)分散式設備的集中管控?？刂乒裆系挠|摸屏實時動態(tài)顯示水泵、閥門、壓力、溫度、流量等信息，并作為用戶現(xiàn)場控制的操作平臺。上位機更是提供了友好的人機界面，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、存儲，生成各種圖表和曲線，完成對現(xiàn)場設備狀態(tài)的實時、多維度展示，最終實現(xiàn)對水泵房設備的科學管理。系統(tǒng)層級結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)層級結構圖

2.2 系統(tǒng)控制設備功能單元

水泵房自動控制系統(tǒng)基礎部分主要包括以下設備的建設：液位計、壓力傳感器、溫度傳感器、流量計、電動閘閥、水泵、射流真空泵、電動球閥、控制柜等。

液位計：主要用于實現(xiàn)對水池液位的高低進行監(jiān)測，其監(jiān)測數(shù)據(jù)被控制柜采集，作為水泵開啟或停止的第一數(shù)據(jù)來源。

壓力傳感器：主要監(jiān)測泵的進口和出口的壓力情況。對于水泵進口壓力的監(jiān)測，用于判斷水泵入水口真空度的抽到程度，以決定是否可以打開水泵。而安裝在出水口的壓力傳感器，是判斷水泵是否正常出水的重要依據(jù)。

溫度傳感器：用于檢測水泵的軸溫，判斷水泵的工作狀態(tài)，當水泵軸溫過高，系統(tǒng)自動控制停泵，同時報故障，進行聲光報警。

流量計：主要監(jiān)測水泵出水管路上的水流量，為自動控制系統(tǒng)計算和分析提供數(shù)據(jù)，以決定是否要減少或增加水泵的工作數(shù)量、是否停泵等自動控制操作。

控制柜：完成所有傳感器數(shù)據(jù)的采集，并根據(jù)所設置的工作模式，完成水泵的自動控制，同時對采集的數(shù)據(jù)集中顯示在本地PLC控制柜的觸摸屏上。

2.3 主要控制過程設計

2.3.1 真空射流泵啟動

應用實驗方法對PVC材質(zhì)的桌布、文具袋、服裝袋、化妝品袋、餐具袋8個批次的樣品中6種重金屬元素含量進行檢測，結果見表4。

1號電動閘閥的關閉和電動球閥轉(zhuǎn)動+90°作為設備層的初始化信號。當PLC接收到反饋的電信號后(電流或電壓模擬量)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成多位二進制數(shù)字量，再與設定值通過比較指令進行比較，以此判斷電動閘閥是否關到位，電動球閥是否轉(zhuǎn)動到相應位置。當電動閘閥和電動球閥按照設定初始化成功時，啟動真空射流泵。但當其初始化失敗時，電動球閥自動復位，再反向轉(zhuǎn)動90°，同時關閉2號電動閘閥，PLC再基于其接收到的反饋電信號進行判定。當2號電動閘閥和電動球閥反饋的信號顯示其轉(zhuǎn)動到了相應位置，啟動真空射流泵，同時1號電動閘閥報故障。當2號電動閘閥和電動球閥反饋的信號顯示無法轉(zhuǎn)動到設定位置時，上位機顯示電動閥故障。操作員可以進入設備運行界面查看故障設備，確定故障點對其進行維修。系統(tǒng)真空射流泵啟動流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)真空射流泵啟動流程圖

2.3.2 真空度檢測與離心泵啟動

真空射流泵運行5 min后，壓力傳感器對其進行負壓檢測(離心泵入水口)，當吸水管的真空度沒有達到動態(tài)計算值或偶爾達到動態(tài)計算值，但不能持續(xù)1 min時，系統(tǒng)報負壓故障，離心泵電機不會啟動。若吸水管的真空度達到動態(tài)計算值，且持續(xù)1 min后，啟動離心泵電機。當電機運行15 s后，利用三相交流電流電壓頻率表反饋的電壓、電流信號確定離心泵的運行情況，當反饋的參數(shù)值與設定好的計算值進行比較顯示異常時，立即執(zhí)行停機操作，同時報顯電機故障。當電機運行15 s后顯示運行正常，開啟電動閘閥，再過30 s后PLC根據(jù)反饋的電信號檢測電動閘閥是否開到位。在此臺水泵運行過程中，系統(tǒng)持續(xù)檢測其負壓，當離心泵運行1 min后，實際負壓值符合動態(tài)計算值的要求時，先關閉電動球閥，再停止真空泵工作，以防止水倒流。當負壓值小于動態(tài)計算值時，提高離心泵電機轉(zhuǎn)速，使負壓值達到動態(tài)計算值，再執(zhí)行后續(xù)指令操作。如果實際負壓值持續(xù)小于動態(tài)計算值時，此水泵立即執(zhí)行關機程序，同時啟動另一臺水泵供水且此臺水泵報故障。系統(tǒng)真空度檢測與離心泵啟動流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)真空度檢測與離心泵啟動流程圖

2.3.3 恒壓閉環(huán)邏輯控制

系統(tǒng)的恒壓供水設計，采用經(jīng)典的PID控制算法，該算法在城市恒壓供水系統(tǒng)中已得到了實際的應用。系統(tǒng)以離心泵出水口檢測的壓力(稱正壓力)作為反饋信號，通過壓力傳感器和變送器將壓力信號轉(zhuǎn)化為4～20 mA的標準模擬量信號PA(n)送入到PLC的模擬量輸入模塊，經(jīng)PID運算與給定壓力參數(shù)P(n)進行比較，得出調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使系統(tǒng)的供水管網(wǎng)壓力保持在給定壓力上[3-7]。恒壓控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 恒壓控制系統(tǒng)原理框圖

2.3.4 升/降泵組控制

當水泵房接收到水泵啟動信號時，先基于1、2、3號水泵的故障報警信息、檢修狀態(tài)、以及運行時間進行變頻泵的啟動選擇，當選礦廠車間用水量上升時，其管網(wǎng)中的水壓也會相應的改變，當壓力下降時，變頻泵需加快轉(zhuǎn)速提高供水流量，即提高電機運行頻率，當水泵運行頻率達到工頻50 Hz時，切換水泵電機到工頻電網(wǎng)直接運行，同時斷開變頻器進行清零處理，清零后的變頻器再次基于剩余兩臺水泵的故障報警信息、檢修狀態(tài)、以及運行時間進行變頻泵的啟動選擇。當檢測到管網(wǎng)壓力值依舊小于設定值時，切換水泵電機到工頻電網(wǎng)直接運行，同時斷開變頻器進行清零處理，清零后的變頻器變頻啟動最后一臺水泵，直到管網(wǎng)壓力恢復到動態(tài)設定值為止，最終實現(xiàn)供水系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定運行。4號備用泵作為1、2、3號水泵檢修狀態(tài)時的替換泵，備用泵將接收被替換泵的全部運行信息包括序列號[8]。

當選礦廠用水量減少時，壓力傳感器檢測到管網(wǎng)中的壓力值正在逐步上升，此時需進行降泵控制。通過先啟動先停機原則(限工泵)，關閉最先變頻啟動的工泵，變頻泵進行減頻調(diào)節(jié)(下限頻率為10 Hz)，持續(xù)檢測管網(wǎng)中水壓是否達到設定的動態(tài)值，穩(wěn)定運行20 s后再次檢測管網(wǎng)壓力值。當壓力值依舊大于設定值時，此時需對剩余工泵進行停機操作，同時對變頻泵進行升頻調(diào)節(jié)，直至管網(wǎng)壓力達到設定的動態(tài)值[9-10]。

2.3.5 控制權限設定

水泵站的控制系統(tǒng)可進行控制方式、權限的自由選擇和切換?？刂茩嘞薜膬?yōu)先級由高到低為：“手動控制”、“本地控制”、“遠程控制”3種控制模式，其中本地控制、遠程控制這兩種模式又包含“手動”和“自動”兩種控制方式，其控制權限和方式的選擇與切換可以在泵房控制柜上的觸摸屏設定或由控制中心設定。手動控制模式，主要是指操作人員根據(jù)水池顯示水位，本地人工手動開/停水泵及確定開泵臺數(shù)。優(yōu)先級控制權選定后應閉鎖比其低的優(yōu)先級控制權限。

3 觸摸屏畫面組態(tài)

HMI作為技術人員與可編程控制器進行數(shù)據(jù)交互的對話窗口。它承擔著動態(tài)顯示過程數(shù)據(jù)、接收操作人員控制指令、顯示報警、記錄歸檔、存儲參數(shù)值等任務。其顯示的內(nèi)容豐富、形象直觀，操作簡單易懂[11]。

TP-700精智面板作為一個小型的人機界面，可以實現(xiàn)PLC與客戶之間的無縫連接，相應的配套軟件為WINCC-Comfort，本文設計配置畫面主要分為3部分，監(jiān)控主畫面，工作方式， 報警記錄，并設置系統(tǒng)登錄和退出，針對具有不同權限的操作員使用的具體設計。監(jiān)控主畫面作為控制系統(tǒng)外圍設備運行狀態(tài)的主要監(jiān)測畫面，其設備指示燈“綠色”代表設備正常運行、“紅色”代表設備停止、“棕色”代表設備運行故障，其系統(tǒng)監(jiān)測畫面如圖5所示。工作方式畫面顯示了“遠程控制”、“手動控制”、“本地控制”選擇控制按鈕，點擊按鈕進入相應的控制模式界面。報警記錄主要用于采集、顯示和記錄來自過程控制中PLC數(shù)據(jù)異常和系統(tǒng)本身狀態(tài)導致的報警信息[12]。

圖5 系統(tǒng)監(jiān)測畫面

4 上位機通信組態(tài)

遠程控制中心，上位機(PC端)在安裝SIMATIC NET后作為OPC服務器,其通過模塊化SCALANCE X-400交換機，采用環(huán)形網(wǎng)絡拓撲結構，利用光纖作為通信介質(zhì)，PROFINET作為通信服務來實現(xiàn)上下位機的通信連接，最終可以對設備層PLC的數(shù)據(jù)進行讀寫操作[13-14]。

設備層PLC與HMI(觸摸屏)的通信設置，需保證HMI(觸摸屏)和PLC的IP地址同段。在TIA博途軟件的網(wǎng)絡視圖中，首先進入網(wǎng)絡視圖，選擇“HMI”連接，單擊HMI的以太網(wǎng)接口，然后按住鼠標將箭頭拖拽到PLC的接口上，這樣通信連接便得到了建立。利用HMI(觸摸屏)的RJ45通信接口下載HMI組態(tài)程序，最后通過以太網(wǎng)電纜連接PLC和HMI(觸摸屏)，驗證控制系統(tǒng)功能[15-16]。

5 系統(tǒng)測試

該選礦廠氧化礦車間生產(chǎn)每噸錫用水19.5 m3，硫化礦車間生產(chǎn)每噸錫用水20.4 m3?；谄鋵嶋H用水情況進行“手動控制”模式和“本地控制”自動運行模式下的用水量和用電量的測試。實際監(jiān)測用水量與耗電量數(shù)據(jù)表如表1所示。經(jīng)實際檢測數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)“本地運行”自動控制模式下可有效降低用電量，節(jié)約運行成本。

表1 用水量與耗電量數(shù)據(jù)表

6 結束語

基于S7-1200可編程控制器和TIA 博途全集成自動化軟件設計的選礦廠供水泵站自動控制系統(tǒng)實時性強，運行穩(wěn)定可靠，真正的實現(xiàn)了水泵房的“無人值守”和遠程監(jiān)控。同時，該系統(tǒng)的硬件留有備用容量和網(wǎng)絡接口，可以方便地實現(xiàn)系統(tǒng)擴展和接入綜合自動化平臺。HMI技術的使用實現(xiàn)了操作人員與控制系統(tǒng)之間的信息交流，操作界面的設計基于設備的實際分布進行設計，便于設備維護人員快速查看。