基于大中型PLC的排水泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計與平臺搭建

楊明仁

摘 要：本文主要以西門子S7-300系列大中型的PLC為中央控制器，以PLC程序及算法設(shè)計為核心，介紹了基于排水泵站控制系統(tǒng)的設(shè)計與平臺搭建的過程?；谖鏖T子大中型PLC的排水泵站控制系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。通過PLC硬件設(shè)計與制作、外部設(shè)備改造、PLC程序設(shè)計與運(yùn)行調(diào)試、上位系統(tǒng)平臺搭建、網(wǎng)絡(luò)通信等步驟，從而完成了對排水泵站自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計與平臺搭建，本文將詳細(xì)闡述這些內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：排水泵站;PLC;自動控制;水泵自動調(diào)度;液位采集

1 前言

工業(yè)發(fā)展進(jìn)入“萬物互聯(lián)”的工業(yè)4.0時代，隨著信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的高度融合，市政排水泵站的自動化與遠(yuǎn)程化智能運(yùn)維調(diào)度和集中管理是保障城市排水系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，城市健康發(fā)展，市民正常生活的重要手段。

現(xiàn)階段排水泵站常用的控制系統(tǒng)有現(xiàn)場級控制、中央級控制兩種控制模式，其中，現(xiàn)場級控制多采繼電接觸器控制系統(tǒng)，然而繼電接觸器控制系統(tǒng)線路復(fù)雜，故障率高，不支持遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)通信，運(yùn)維管理困難，須人工操作，現(xiàn)場值守;中央級控制大部分采用PLC控制系統(tǒng)，少部分采用DCS系統(tǒng)，通過中央級控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)對排水泵站的數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，通過遠(yuǎn)程運(yùn)維管理和智能調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)泵站的無人或少人值守。

因此，在排水泵站信息化、智能化過程中，PLC（可編程邏輯控制器 Program Logic Control）以其高可靠性、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用，從而使排水泵站由傳統(tǒng)的“單站點(diǎn)模式”發(fā)展為“全程聯(lián)網(wǎng)”的遠(yuǎn)程智慧排水方式，成為市政排水行業(yè)的新型管理模式和技術(shù)指標(biāo)。

2 排水泵站控制系統(tǒng)硬件搭建

2.1 系統(tǒng)的輸入與輸出分析

此次排水泵站控制系統(tǒng)設(shè)計與平臺搭建項(xiàng)目所選取的排水泵站內(nèi)共有4臺潛水泵、1臺格柵除污機(jī)、1臺輸送機(jī)、1道閘門，通過對信號類型進(jìn)行分析可知，排水泵站控制系統(tǒng)中共有38個輸入信號和11個輸出信號，具體分析過程如下所述：

因此，排水泵站控制系統(tǒng)中共有40個輸入信號、11個輸出信號、4個模擬量輸入信、1個RS485通訊接口、1個RJ45通訊接口。

2.2 可編程邏輯控制器PLC選型

根據(jù)輸入/輸出信號類型，可選擇西門子S7-200PLC搭建項(xiàng)目，但該項(xiàng)目為節(jié)約成本，使用拆舊的西門子S7-300PLC，該套PLC具備預(yù)留空間，可支持后續(xù)設(shè)備新增和擴(kuò)展，其硬件組態(tài)方法如圖1所示。

2.3 可編程控制器PLC I/O地址分配

根據(jù)排水泵站控制系統(tǒng)中的輸入與輸出信號的種類（見表1），對PLC的I/O端口地址進(jìn)行分配。

2.4 可編程控制器PLC接線和網(wǎng)絡(luò)通信

通過使用S7 TCP和MPI協(xié)議，對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行設(shè)計，以保障現(xiàn)場數(shù)據(jù)不丟包，穩(wěn)定上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，同時，該項(xiàng)目使用博途V14 作為開發(fā)環(huán)境，在博途V14項(xiàng)目中，對PLC系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行組態(tài)。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

排水泵站的PLC控制程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，根據(jù)泵站所實(shí)現(xiàn)的功能，將整個控制系統(tǒng)劃分成以下幾個模塊。即主程序、液位采集程序、設(shè)備運(yùn)行時間計算程序、設(shè)備開停機(jī)時鐘計算程序、設(shè)備運(yùn)行次數(shù)計算程序、設(shè)備（水泵、格柵機(jī)、輸送機(jī)、閘門）控制程序、網(wǎng)絡(luò)心跳包監(jiān)測程序、實(shí)時流量與抽排量計算程序。根據(jù)排水泵站的運(yùn)行工藝流程，PLC程序設(shè)計如下文所述。

3.1 集水池液位采集程序

液位采集程序段的功能是實(shí)現(xiàn)對集水池當(dāng)前實(shí)際液位的采集，并于上位系統(tǒng)上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。本段程序使用FC塊，根據(jù)公式：測量值=量程×AI通道值/27648，進(jìn)行液位的計算和采集。

3.2 設(shè)備運(yùn)行時間計算程序

設(shè)備運(yùn)行時間計算程序段的功能是計算排水泵站內(nèi)的各類設(shè)備的運(yùn)行時間，并于上位系統(tǒng)上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，從而指導(dǎo)設(shè)備管理或維修工作。程序可通過利用S7-300PLC的系統(tǒng)資源，如定時器、計數(shù)器，M寄存器，DB塊等，當(dāng)PLC收到設(shè)備反饋的運(yùn)行信號時，利用時鐘60進(jìn)制計數(shù)的原理，計算設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行時間，累計運(yùn)行時間，存儲該數(shù)據(jù)，并為水泵自動調(diào)度過程做好準(zhǔn)備。

3.3 設(shè)備開停機(jī)時鐘計算程序

設(shè)備開停機(jī)時鐘計算程序通過讀取PLC系統(tǒng)時鐘來保存每一次設(shè)備開啟或停機(jī)時的日期、時間，該數(shù)據(jù)為泵站運(yùn)行管理者提供設(shè)備運(yùn)行的有力依據(jù)。

3.4 設(shè)備運(yùn)行次數(shù)計算程序

該程序計算設(shè)備的運(yùn)行次數(shù)，存儲于PLC系統(tǒng)中，并在上位軟件系統(tǒng)中進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。

3.5 流量與抽排量計算程序

該程序計算泵站運(yùn)行的實(shí)時流量、累計抽排量等數(shù)據(jù)，存儲于PLC系統(tǒng)中，并在上位軟件系統(tǒng)中進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，以便于運(yùn)行管理人員對泵站進(jìn)行調(diào)度或數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析。

3.6 網(wǎng)絡(luò)心跳包監(jiān)測程序

網(wǎng)絡(luò)心跳包監(jiān)測程序的功能是對PLC運(yùn)行過程中，PLC主站與PLC從站，PLC與上位系統(tǒng)或遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)通訊的監(jiān)測，當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)或通訊中斷時，及時以預(yù)警的方式上報給值班人員。

3.7 設(shè)備控制程序

設(shè)備控制程序?qū)崿F(xiàn)水泵、格柵除污機(jī)、輸送機(jī)、壓榨機(jī)的手動/自動運(yùn)行調(diào)度。

3.8 主程序

主程序的功能是調(diào)用以上各子程序模塊，在主程序模塊中按照“液位采集→設(shè)備開停機(jī)時鐘計算與獲取→設(shè)備運(yùn)行時間計算→設(shè)備控制→流量與抽排量計算→網(wǎng)絡(luò)通訊處理”的步驟開始主程序的執(zhí)行，使各個子程序模塊相互協(xié)調(diào)工作，從而構(gòu)建完整的排水泵站PLC控制系統(tǒng)。

該項(xiàng)目使用西門子Portal TIA（博途）V14 開發(fā)，項(xiàng)目已竣工驗(yàn)收，投入正常運(yùn)轉(zhuǎn)，由于篇幅限制，若讀者須博途V14項(xiàng)目工程，可發(fā)郵件至2467324667@qq.com獲取，此處不在詳細(xì)解疑程序設(shè)計的細(xì)節(jié)。