泵站自動控制系統分析

張建干

（福州市城市排水有限公司，福建 福州 350007）

0 引言

建立泵站自動化監(jiān)控系統能有效提高泵站設備的可靠性、安全性、可維護性及控制操作的自動化水平，實現泵站管理人員在泵站監(jiān)控中心遠程監(jiān)測站內格柵機的工作狀態(tài)、污水池液位、提升泵組工作狀態(tài)、出站流量、池內有害氣體溶度，水質情況等[1]，為雨污泵站的日常管理提供依據，為水電站的重大工程決策提供數據支撐，減輕運行人員的勞動強度，基于動態(tài)數據的大數據研究與應用實踐，提高泵站系統運行的智慧化水平，在泵站管理工作中達到用數據說話、用數據決策、用數據管理、用數據創(chuàng)新和“無人值班、少人值守”的運行管理要求。

1 泵站自動化監(jiān)控系統

1.1 泵站自動化監(jiān)控系統網絡拓撲圖

泵站自動化監(jiān)控系統網絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 泵站自動化監(jiān)控系統網絡拓撲圖

1.2 泵站自動化監(jiān)控系統組成

泵站自動化監(jiān)控系統主要由以下幾個部分組成。

（1）遠程監(jiān)控中心。通過泵站監(jiān)控系統中的綜合信息管理平臺，泵站管理人員可以實時監(jiān)測各排水泵站的運轉情況和排水設備的運行參數，可以遠程控制排水設備的啟停、可以以圖像的形式對泵站中的重要工位進行遠程監(jiān)控。

報警功能、參數設置功能、報表制定功能、趨勢曲線繪制功能皆是監(jiān)控中心綜合監(jiān)測功能。控制系統劃分為系統工藝、監(jiān)測異常、監(jiān)測趨勢、歷史報表、參數設置5個部分，分別實現系統不同的功能。①系統工藝：展示泵站工藝和設備的監(jiān)測信息。②監(jiān)測異常：該功能可以對歷史報警記錄、歷史操作記錄以及設備啟停記錄進行檢索，并設置檢索條件，用戶可以查詢某一監(jiān)測時段內的異常信息，系統提供打印和導出功能。監(jiān)測趨勢：由于數據信息采集系統中的工藝參數與泵站設備運行的電流參數不同，使得其趨勢曲線及監(jiān)測參數也會不同，因此可以將設備的運行趨勢分化為“設備運行”“液位運行”。在每一個趨勢頁面都提供了曲線歷史查詢、曲線隱藏、坐標調整、曲線打印等功能。③歷史報表：根據系統采集參數用途的不同，系統定制了不同功能的報表，包括日報表、月報表、年報表。日報表包括設備運行日報、產量日報表；月報表統計了泵站每天的提升量和提升泵每日的運行時間。系統報表提供歷史查詢操作、報表導出和報表打印功能。④參數設置：系統提供的設置參數有設備、工藝相關參數的報警限值設置。

（2）通信平臺。通信平臺通常有兩種：一種是有線通信，每個泵站與管理處之間租用光纖實現通信，調度中心、泵站監(jiān)控中心及各職能部門之間通過局域網實現通信；二是無線通信：每個泵站與管理處之間通過GPRS無線網絡實現通信，調度中心、泵站遠程監(jiān)控中心、各職能部門之間通過局域網實現通信。

（3）泵站PLC控制和儀器儀表系統。PLC控制和儀器儀表系統安裝在泵站中，用于監(jiān)測水池液位，排水流量，泵的啟停狀態(tài)、控制模式、電壓、電流、保護狀態(tài)，監(jiān)測安防報警、巡檢，以及監(jiān)測有害氣體濃度。支持水泵啟動設備手動控制、自動控制，還能遠程控制排水泵的啟停，支持遠程切換控制模式。

泵站控制系統工作在“就地”和“遠程”兩種方式下。采用“就地”方式時，手動操作現場控制箱、控制柜上的啟停按鈕；采用“遠程”方式時，分為二種情況，當開關處于“遠程手動”時，現場控制站及中控室可遠程啟動提升泵，當開關處于“遠程自動”時，泵組根據泵站進水液位高低進行控制。遠程手動、遠程自動兩種控制模式應有控制選擇和互鎖功能。

現場控制站根據泵站液位計信號自動控制水泵運行。當進水泵房液位增加到某個設定值（啟動水位）時，PLC將自動啟動一臺水泵投入運行，如果液位繼續(xù)增加至另一個設定液位值（啟動水位2），PLC又會自動增加一臺水泵投入運行，直至2臺水泵同時開啟。如果進水泵房液位下降至某個液位值（停泵水位），PLC將自動停止一套水泵的運行，直至關閉所有水泵?，F場控制站將實時記錄每臺水泵的運行時間，遵循等利用率原則，累計運行時間最短的水泵優(yōu)先考慮啟泵，累計運行時間最長的水泵優(yōu)先考慮停止運行。當連續(xù)數次（可修改）啟動水泵失敗時，應自動啟動備用水泵，同時對故障水泵的狀態(tài)信息進行記錄及報警。此外，現場控制站還要記錄每臺水泵每小時啟動的次數，水泵在一定時間范圍內的啟停次數及時間間隔應符合水泵特效的要求，時間范圍及時間間隔以分鐘為單位，并可修改設定。由于停泵或啟泵時會出現水位的浪涌現象，此時的液位為非正常值，為避免水泵誤動作，設定每次的狀態(tài)變化后應延遲2 min（可設定）后才進入水位控制程序。

2 PLC技術綜述分析

2.1 PLC技術概念及原理分析

PLC技術是一種可以進行編程的邏輯控制器，也是一種可以借助數字運算操作對其進行編程的存儲系統，可以將PLC技術簡單地理解為是一臺用于工業(yè)生產領域的微型計算機。工業(yè)生產中肩負著邏輯運算、控制順序以及計算操作等指令[2]。電氣工程及自動化控制中充分應用PLC技術，可以有效地提升控制機電系統的運行和管理性能，將PLC技術的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，使得當前的信息采集工作更加可靠、采集的信息更加真實，技術人員采用掃描的形式開展工作，可以提升工作人員的工作效率，特別是信息采集及樣本數據的輸入，運用PLC技術后，技術人員完成信息采集工作，系統就可以對信息進行自動存儲，使工作人員的工作變得更加簡便。

PLC技術的通用模擬量換算公式如下：

上述公式中，Ov表示最終的換算結果，Iv為公式換算的主體，Osh為換算結果的最高上限，Osl為換算結果的最低下限，Ish為換算主體的最高上限，IsI為換算結果的最低下限。

模擬量信號是當前自動化過程控制中的基本過程信號，過程信號經由變送器，將其轉化成為統一的電壓及電流信號，同時將該信號傳輸至控制器，借助上述公式可以直接將模擬量信號轉換成為數值信號，以此來實現對泵站的自動監(jiān)控與控制。

2.2 PLC的特點

PLC控制系統將傳統的繼電器控制技術、計算機控制技術、通信技術融為一體，具有可靠性高、編程方便、對運行環(huán)境要求低、與其他裝置配置連接方便等優(yōu)點[3]。將PLC控制系統與繼電順序控制系統進行比較發(fā)現，PLC控制系統大部分為軟件控制，系統結構緊湊、體積小；內部全部為“軟接點”，速度更快，系統的控制功能改變一般需要修改程序；系統的設計、施工、調試周期短；系統具有較強的自檢、監(jiān)控功能，可靠性高、適用范圍廣。

2.3 PLC的基本組成

（1）中央處理器。主要用途為處理和運行用戶程序，針對外部輸入信號做正確的邏輯判斷，并根據結果輸出給各模塊，以控制生產機械按既定程序工作。此外，可以對其內部工作進行自動檢測，并協調各部分工作，如有差錯，則立即停止運行。

（2）存貯器。ROM指只讀存儲器，主要存貯系統管理和監(jiān)控程序，并能對用戶程序做編譯處理。RAM指隨機存取存儲器，用來存放由編程器輸入的用戶控制程序。

（3）電源部件。電源部件將交流電源轉換成供PLC的中央處理器、存貯器等電子電路工作所需要的直流電源，使PLC能正常工作。為提高系統可靠性，目前大部分PLC采用開關式穩(wěn)壓電源供電，用鋰電池作停電時的后備電源。

（4）輸入、輸出模塊部分。這是PLC控制設備和被控設備相連接的接口電路，包含開關量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊。開關量輸入模塊接收各種控制信號，如按鈕、選擇開關、行程開關以及一些傳感器輸出的開關量等，通過輸入接口電路將這些信號轉換成中央處理器能夠接收和處理的信號。開關量輸出模塊將中央處理器送出的弱電控制信號轉換成現場需要的以驅動閥門、接觸器、電機等被控設備的執(zhí)行元件。模擬量輸入輸出模塊采集和輸出模擬量信號，比如水泵的電流和頻率。

（5）通信模塊及變頻模組。技術人員可以借助軟件編程的形式將通信模組以及變頻模組寫入，便于使用人員對PLC設備進行數據檢查、信息修改以及用戶調試等一系列操作，也可以實現對PLC設備的實時監(jiān)管。

2.4 PLC運行機理

PLC技術的實際運行機理主要可以分為三個部分，分別為輸入采樣、用戶執(zhí)行以及輸出刷新[4]。

（1）輸入采樣階段也是PLC技術運行的第一階段，技術人員借助PLC技術對數據主體進行分析掃描，并通過單元的形式對其進行存儲，將其放置在I/O的映像區(qū)域內，之后便可以進入下一個處理階段，在后續(xù)的兩個處理階段中，即便是所輸入的數據發(fā)生了變化，在第一階段輸入I/O映像區(qū)的數據也不會隨之改變，只有在脈沖信號被輸入后，其后面的輸入數據才能被再次掃描讀取。

（2）用戶執(zhí)行階段是PLC技術運行的第二階段，技術人員會借助PLC技術對用戶的使用程序進行由上至下的掃描，并對其進行運算[5]。在得到運算結果后，就可以在邏輯線圈的運行存儲區(qū)域中的對應位置進行系統刷新，在這個刷新的過程中，技術人員如果使用I/O編程指令，是可以直接對I/O點記性讀取，但是映像區(qū)中的數據不會發(fā)生改變，系統程序可以在I/O模塊中對數據進行截取，同時寄存器的刷新會對輸出過程產生一定的影響，這一階段的處理與執(zhí)行過程與輸入數據是存在不同的。

（3）當PLC技術的第二階段運行完成后，就可以直接來到運行的第三階段。PLC技術的刷新階段，在刷新階段中系統CPU會依照I/O映像區(qū)內與之對應的數據，對輸出電路進行刷新，對輸出電路的實際驅動的運行進行有效的控制，進而達到對電氣自動化控制的真實目的。

2.5 順序控制技術

順序控制技術是當前PLC技術在電氣工程及自動化控制中應用的重要代表，也最早應用于電氣工程及自動化控制中的PLC技術。順序控制是指對正在運行的電氣設備進行順序控制，使其可以按照技術人員預設的流程與順序運行，順序控制技術對于當前的企業(yè)生產流程有著極大的推動作用，不但可以為企業(yè)節(jié)約一定的成本，也便于管理人員對實際的生產流程進行有效的控制[6]。PLC技術中的順序控制技術能夠有效地實現電氣工程自動化控制，進而充分促進我國工業(yè)領域的發(fā)展與進步。分組電機順序控制圖如圖2所示。

圖2 分組電機順序控制圖

3 結論

通過多年的實踐應用，泵站自動控制系統多優(yōu)勢已經顯現，可以減少人員投入，提高維護質量，減少事故發(fā)生，提高設備的使用率，保證安全生產，它具有完善的監(jiān)控功能，能滿足泵站安全運行及運行參數實時監(jiān)控的需要，操作方便，可靠性強，實現了泵站設備遠程監(jiān)控，全面感知現場狀態(tài)，數據可測、設備可控，過程可回溯，為泵站運行實現“無人值班，少人值守”創(chuàng)造了有利條件。