PLC在隧道排水泵站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

蒲寧鋒 趙志翔

摘 要：針對(duì)某城市隧道排水泵站的工藝控制需求，設(shè)計(jì)一套以PLC為核心的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。PLC通過(guò)與設(shè)備傳感器實(shí)時(shí)通訊，采集處理的各項(xiàng)設(shè)備參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)排水泵站自動(dòng)化控制與調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：PLC 自動(dòng)化;隧道排水泵站;通訊

1引言

隨著城市的快速發(fā)展，城市人口與機(jī)動(dòng)車(chē)的不斷增加，地面交通出現(xiàn)了嚴(yán)重的擁堵情況。為了解決交通擁堵，這些年城市建設(shè)了許多城市隧道，城市隧道在解決交通擁堵方面發(fā)揮著重要作用。而隧道的排水泵站就是保證城市隧道安全正常運(yùn)營(yíng)的一種輔助設(shè)施。排水泵站在隧道中的主要作用是把從不同途徑匯入隧道集水井的水集中輸送到地面的市政雨水管網(wǎng)中。隧道在日常運(yùn)營(yíng)中會(huì)有大量的生活污水匯入，如：雨水、滲漏水以及日常保潔用水等。如果這些積水沒(méi)有及時(shí)的從隧道排出，隧道的交通安全就會(huì)受到影響，如果積水過(guò)多會(huì)導(dǎo)致隧道交通能力癱瘓，甚至?xí)l(fā)生嚴(yán)重交通事故。綜上所述，為隧道排水泵站設(shè)計(jì)一套安全可靠的控制系統(tǒng)尤為重要。

2現(xiàn)狀分析

（1）隧道排水泵站設(shè)置3臺(tái)潛水泵，安裝在泵房集水井內(nèi)，1號(hào)排水泵和2號(hào)排水泵為工作水泵，3號(hào)排水泵為備用泵。通過(guò)安裝在集水井內(nèi)壁上的浮球液位開(kāi)關(guān)對(duì)排水泵進(jìn)行啟?？刂啤?dòng)順序?yàn)楣潭樞?，即在集水井水位上升?號(hào)排水泵啟動(dòng)浮球液位開(kāi)關(guān)時(shí)，1號(hào)排水泵啟動(dòng)排水。集水井水位下降至1號(hào)排水泵停止浮球液位開(kāi)關(guān)時(shí)，1號(hào)排水泵停止排水。如果在1號(hào)排水泵啟動(dòng)排水情況下，集水井水位繼續(xù)上升，到達(dá)2號(hào)排水泵啟動(dòng)浮球液位開(kāi)關(guān)時(shí)，2號(hào)排水泵啟動(dòng)排水。當(dāng)1號(hào)2號(hào)水泵發(fā)生故障或1號(hào)2號(hào)水泵啟動(dòng)排水時(shí)集水井水位仍不能下降時(shí)，3號(hào)備用排水泵由工作人員現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急啟動(dòng)排水。在正常工作中每次1號(hào)排水泵啟動(dòng)，工作頻率最高，其次2號(hào)排水泵，再次3號(hào)排水泵只有在試機(jī)啟動(dòng)。在這種控制方式下3臺(tái)排水泵工作時(shí)間的嚴(yán)重不平衡。導(dǎo)致1號(hào)排水泵在經(jīng)常使用，機(jī)械磨損加劇，使用壽命縮短。2號(hào)3號(hào)排水泵使用時(shí)間少，長(zhǎng)期浸泡在水里，內(nèi)部容易受潮，增加了故障率。

（2）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備功能不全，未設(shè)置必要的自動(dòng)化控制設(shè)備。對(duì)排水泵運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、電氣參數(shù)、集水井水位、溫濕度等無(wú)法實(shí)現(xiàn)采集和記錄。

3控制流程分析

針對(duì)3臺(tái)排水泵的工作時(shí)間不平衡問(wèn)題，設(shè)置3臺(tái)排水泵以周為循環(huán)周期進(jìn)行輪詢(xún)運(yùn)行，即每年的第一周以1號(hào)2號(hào)3號(hào)排列順序運(yùn)行;第二周以2號(hào)3號(hào)1號(hào)排列順序運(yùn)行;第三周以3號(hào)1號(hào)2號(hào)排列順序運(yùn)行;第四周時(shí)則執(zhí)行第一周的排列順序運(yùn)行，以此類(lèi)推。運(yùn)行周期時(shí)間是通過(guò)獲取PLC的CPU時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)。

在集水井上方安裝雷達(dá)液位計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)集水井積水的變化情況，通過(guò)mudbus rtu協(xié)議與PLC進(jìn)行通訊，對(duì)液位計(jì)的數(shù)值進(jìn)行采集。液位計(jì)數(shù)值在PLC經(jīng)過(guò)處理后在觸摸屏上顯示儲(chǔ)存。根據(jù)液位計(jì)采集到數(shù)值，給每臺(tái)排水泵設(shè)置啟動(dòng)與停止對(duì)應(yīng)的數(shù)值。例如：1號(hào)排水泵啟動(dòng)液位1.6米，停止液位0.8;2號(hào)排水泵啟動(dòng)液位1.7米，停止液位0.9米;3號(hào)排水泵啟動(dòng)液位1.8米，停止液位1.0米;液位設(shè)置通過(guò)觸摸屏進(jìn)行設(shè)定，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求進(jìn)行修改。

同時(shí)在集水井內(nèi)壁安裝兩只浮球液位開(kāi)關(guān)并接入3號(hào)排水泵的硬件控制回路中，作為3號(hào)排水排的啟動(dòng)與停止動(dòng)作開(kāi)關(guān)。防止在液位計(jì)發(fā)生故障情況時(shí)，集水井的積水能及時(shí)排除。此回路為獨(dú)立回路，優(yōu)先等級(jí)最高。

說(shuō)明：觸摸屏設(shè)置的排水泵啟動(dòng)與停止液位值對(duì)應(yīng)每個(gè)運(yùn)行周期排水泵運(yùn)行順序編號(hào)，與實(shí)際排水泵編號(hào)無(wú)關(guān)。

4系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以PLC作為核心，采集、控制、統(tǒng)計(jì)、處理現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與數(shù)據(jù);觸摸屏顯示、設(shè)置、記錄設(shè)備的運(yùn)行參數(shù);各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)儀表儀器實(shí)時(shí)采集運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳到PLC。

結(jié)合系統(tǒng)現(xiàn)狀、功能需求、控制對(duì)象及工程預(yù)算等因素，選用施耐德公司的M241系列PLC。M241是一款緊湊型設(shè)計(jì)的小型PLC產(chǎn)品，本體提供24點(diǎn)數(shù)字量輸入，16點(diǎn)數(shù)字量輸入，2路串行鏈路接口，1路以太網(wǎng)接口，采用AC220V電源供電。支持模塊擴(kuò)展?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信號(hào)根據(jù)設(shè)計(jì)的控制原圖圖接入對(duì)應(yīng)的通道，如圖一所示。

4.2軟件設(shè)計(jì)

（1）PLC程序設(shè)計(jì)

M241系列PLC采用SoMachine軟件進(jìn)行編程，提供了強(qiáng)大的編程工具，支持IEC61131-3的全部編程語(yǔ)言，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的編程習(xí)慣和需求。內(nèi)嵌種類(lèi)眾的函數(shù)和功能塊庫(kù)，用戶(hù)僅需簡(jiǎn)單調(diào)用即可，無(wú)需編制大量復(fù)雜的程序。仿真，單步執(zhí)行，斷點(diǎn)執(zhí)行，跟蹤等調(diào)試工具可供調(diào)試使用。本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要使用LD和CFC編程語(yǔ)言。由于設(shè)計(jì)程序過(guò)大，截取部分程序段進(jìn)行展示。如圖二（1號(hào)2號(hào)排水泵故障，把1號(hào)排水泵啟動(dòng)水位賦給3號(hào)排水泵）所示。

（2）觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸屏是工作人員與PLC之間傳遞和信息交換的窗口。工作人員可以通過(guò)觸摸屏對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行瀏覽，歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，設(shè)備參數(shù)設(shè)置等操作，方便了工作人員的運(yùn)行和維護(hù)。觸摸屏主要包括：登陸畫(huà)面、主監(jiān)控畫(huà)面、設(shè)備控制畫(huà)面、參數(shù)設(shè)置畫(huà)面、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)畫(huà)面、歷史查詢(xún)畫(huà)面等。主監(jiān)控畫(huà)面如圖三所示。

4.3安全保護(hù)設(shè)計(jì)

（1）設(shè)備本體保護(hù)

除了常規(guī)的電機(jī)過(guò)載、超溫、滲漏保護(hù)外，此次為排水泵安裝馬達(dá)保護(hù)器，豐富了保護(hù)功能。增加的保護(hù)有：堵轉(zhuǎn)保護(hù)、三相電流不平衡保護(hù)、斷相保護(hù)、阻塞保護(hù)、欠壓保護(hù)、起動(dòng)超時(shí)保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、相序保護(hù)等。同時(shí)在泵房?jī)?nèi)安裝紅外高清攝像機(jī)，管理工作人員通過(guò)安裝在手機(jī)上的APP可以對(duì)泵房進(jìn)行監(jiān)控。實(shí)時(shí)掌握泵房的情況，為設(shè)備正常運(yùn)行又提供了一項(xiàng)安全保障。

（2）工藝連鎖保護(hù)

排水泵在預(yù)定的流程工作時(shí)，如果某臺(tái)排水泵發(fā)生故障，要保證其他排水泵能正常工作排水。從系統(tǒng)安全性、可靠性角度出發(fā)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了運(yùn)行工藝連鎖保護(hù)。

以第一周排水泵運(yùn)行順序?yàn)槔寒?dāng)1號(hào)排水泵發(fā)生故障時(shí)，故障信號(hào)輸入到PLC，根據(jù)程序的設(shè)定，將1號(hào)排水泵的啟動(dòng)與停止液位值傳送給2號(hào)排水泵作為2號(hào)排水泵的啟動(dòng)與停止液位值，同時(shí)將2號(hào)排水泵的啟動(dòng)與停止液位值傳送給3號(hào)排水泵作為3號(hào)排水泵的啟動(dòng)與停止液位值。當(dāng)2號(hào)排水泵發(fā)生故障時(shí)，故障信號(hào)輸入到PLC，根據(jù)程序的設(shè)定，將2號(hào)排水泵的啟動(dòng)與停止液位值傳送給3號(hào)排水泵作為3號(hào)排水泵的啟動(dòng)與停止液位值。當(dāng)1號(hào)2號(hào)排水泵同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，故障信號(hào)輸入到PLC，根據(jù)程序的設(shè)定，將1號(hào)排水泵的啟動(dòng)與停止液位值傳送給3號(hào)排水泵作為3號(hào)排水泵的啟動(dòng)與停止液位值。

同時(shí)設(shè)備出現(xiàn)的故障信號(hào)通過(guò)PLC經(jīng)通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行牟⑦M(jìn)行報(bào)警，提醒管理人員及時(shí)處理。

5結(jié)束語(yǔ)

隧道排水泵站自動(dòng)化系統(tǒng)自投入運(yùn)行至今已有3年，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。減少了泵站的故障率，挺高了泵站的工作效率。從而為隧道交通安全通行提供了強(qiáng)有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張澤慧.PLC（可編程控制器）實(shí)現(xiàn)水泵交替輪換運(yùn)行中的應(yīng)用[J].市政設(shè)施管理.2009（1）：23-24

[2] 趙丹.城市排水泵站發(fā)展趨勢(shì)與設(shè)備管理維護(hù)[J].給水排水動(dòng)態(tài).2008

[3] 吳躍爭(zhēng).PLC在排水泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].南北橋.2009

[4] 王兆宇.施耐德 PLC 電氣設(shè)計(jì)與編程自學(xué)寶典[M].中國(guó)電力出版社.2015