泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)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(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)能有效提高泵站設(shè)備的可靠性、安全性、可維護(hù)性及控制操作的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)泵站管理人員在泵站監(jiān)控中心遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)站內(nèi)格柵機(jī)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(nèi)有害氣體溶度，水質(zhì)情況等[1]，為雨污泵站的日常管理提供依據(jù)，為水電站的重大工程決策提供數(shù)據(jù)支撐，減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，基于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用實(shí)踐，提高泵站系統(tǒng)運(yùn)行的智慧化水平，在泵站管理工作中達(dá)到用數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)創(chuàng)新和“無人值班、少人值守”的運(yùn)行管理要求。

1 泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.2 泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)組成

泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成。

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。通過泵站監(jiān)控系統(tǒng)中的綜合信息管理平臺(tái)，泵站管理人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各排水泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)情況和排水設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，可以遠(yuǎn)程控制排水設(shè)備的啟停、可以以圖像的形式對(duì)泵站中的重要工位進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

報(bào)警功能、參數(shù)設(shè)置功能、報(bào)表制定功能、趨勢(shì)曲線繪制功能皆是監(jiān)控中心綜合監(jiān)測(cè)功能。控制系統(tǒng)劃分為系統(tǒng)工藝、監(jiān)測(cè)異常、監(jiān)測(cè)趨勢(shì)、歷史報(bào)表、參數(shù)設(shè)置5個(gè)部分，分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同的功能。①系統(tǒng)工藝：展示泵站工藝和設(shè)備的監(jiān)測(cè)信息。②監(jiān)測(cè)異常：該功能可以對(duì)歷史報(bào)警記錄、歷史操作記錄以及設(shè)備啟停記錄進(jìn)行檢索，并設(shè)置檢索條件，用戶可以查詢某一監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的異常信息，系統(tǒng)提供打印和導(dǎo)出功能。監(jiān)測(cè)趨勢(shì)：由于數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)中的工藝參數(shù)與泵站設(shè)備運(yùn)行的電流參數(shù)不同，使得其趨勢(shì)曲線及監(jiān)測(cè)參數(shù)也會(huì)不同，因此可以將設(shè)備的運(yùn)行趨勢(shì)分化為“設(shè)備運(yùn)行”“液位運(yùn)行”。在每一個(gè)趨勢(shì)頁面都提供了曲線歷史查詢、曲線隱藏、坐標(biāo)調(diào)整、曲線打印等功能。③歷史報(bào)表：根據(jù)系統(tǒng)采集參數(shù)用途的不同，系統(tǒng)定制了不同功能的報(bào)表，包括日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表。日?qǐng)?bào)表包括設(shè)備運(yùn)行日?qǐng)?bào)、產(chǎn)量日?qǐng)?bào)表；月報(bào)表統(tǒng)計(jì)了泵站每天的提升量和提升泵每日的運(yùn)行時(shí)間。系統(tǒng)報(bào)表提供歷史查詢操作、報(bào)表導(dǎo)出和報(bào)表打印功能。④參數(shù)設(shè)置：系統(tǒng)提供的設(shè)置參數(shù)有設(shè)備、工藝相關(guān)參數(shù)的報(bào)警限值設(shè)置。

（2）通信平臺(tái)。通信平臺(tái)通常有兩種：一種是有線通信，每個(gè)泵站與管理處之間租用光纖實(shí)現(xiàn)通信，調(diào)度中心、泵站監(jiān)控中心及各職能部門之間通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信；二是無線通信：每個(gè)泵站與管理處之間通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，調(diào)度中心、泵站遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、各職能部門之間通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信。

（3）泵站PLC控制和儀器儀表系統(tǒng)。PLC控制和儀器儀表系統(tǒng)安裝在泵站中，用于監(jiān)測(cè)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(hù)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)安防報(bào)警、巡檢，以及監(jiān)測(cè)有害氣體濃度。支持水泵啟動(dòng)設(shè)備手動(dòng)控制、自動(dòng)控制，還能遠(yuǎn)程控制排水泵的啟停，支持遠(yuǎn)程切換控制模式。

泵站控制系統(tǒng)工作在“就地”和“遠(yuǎn)程”兩種方式下。采用“就地”方式時(shí)，手動(dòng)操作現(xiàn)場(chǎng)控制箱、控制柜上的啟停按鈕；采用“遠(yuǎn)程”方式時(shí)，分為二種情況，當(dāng)開關(guān)處于“遠(yuǎn)程手動(dòng)”時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制站及中控室可遠(yuǎn)程啟動(dòng)提升泵，當(dāng)開關(guān)處于“遠(yuǎn)程自動(dòng)”時(shí)，泵組根據(jù)泵站進(jìn)水液位高低進(jìn)行控制。遠(yuǎn)程手動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)兩種控制模式應(yīng)有控制選擇和互鎖功能。

現(xiàn)場(chǎng)控制站根據(jù)泵站液位計(jì)信號(hào)自動(dòng)控制水泵運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)水泵房液位增加到某個(gè)設(shè)定值（啟動(dòng)水位）時(shí)，PLC將自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)水泵投入運(yùn)行，如果液位繼續(xù)增加至另一個(gè)設(shè)定液位值（啟動(dòng)水位2），PLC又會(huì)自動(dòng)增加一臺(tái)水泵投入運(yùn)行，直至2臺(tái)水泵同時(shí)開啟。如果進(jìn)水泵房液位下降至某個(gè)液位值（停泵水位），PLC將自動(dòng)停止一套水泵的運(yùn)行，直至關(guān)閉所有水泵?，F(xiàn)場(chǎng)控制站將實(shí)時(shí)記錄每臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間，遵循等利用率原則，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的水泵優(yōu)先考慮啟泵，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的水泵優(yōu)先考慮停止運(yùn)行。當(dāng)連續(xù)數(shù)次（可修改）啟動(dòng)水泵失敗時(shí)，應(yīng)自動(dòng)啟動(dòng)備用水泵，同時(shí)對(duì)故障水泵的狀態(tài)信息進(jìn)行記錄及報(bào)警。此外，現(xiàn)場(chǎng)控制站還要記錄每臺(tái)水泵每小時(shí)啟動(dòng)的次數(shù)，水泵在一定時(shí)間范圍內(nèi)的啟停次數(shù)及時(shí)間間隔應(yīng)符合水泵特效的要求，時(shí)間范圍及時(shí)間間隔以分鐘為單位，并可修改設(shè)定。由于停泵或啟泵時(shí)會(huì)出現(xiàn)水位的浪涌現(xiàn)象，此時(shí)的液位為非正常值，為避免水泵誤動(dòng)作，設(shè)定每次的狀態(tài)變化后應(yīng)延遲2 min（可設(shè)定）后才進(jìn)入水位控制程序。

2 PLC技術(shù)綜述分析

2.1 PLC技術(shù)概念及原理分析

PLC技術(shù)是一種可以進(jìn)行編程的邏輯控制器，也是一種可以借助數(shù)字運(yùn)算操作對(duì)其進(jìn)行編程的存儲(chǔ)系統(tǒng)，可以將PLC技術(shù)簡(jiǎn)單地理解為是一臺(tái)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的微型計(jì)算機(jī)。工業(yè)生產(chǎn)中肩負(fù)著邏輯運(yùn)算、控制順序以及計(jì)算操作等指令[2]。電氣工程及自動(dòng)化控制中充分應(yīng)用PLC技術(shù)，可以有效地提升控制機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行和管理性能，將PLC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來，使得當(dāng)前的信息采集工作更加可靠、采集的信息更加真實(shí)，技術(shù)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(shù)據(jù)的輸入，運(yùn)用PLC技術(shù)后，技術(shù)人員完成信息采集工作，系統(tǒng)就可以對(duì)信息進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，使工作人員的工作變得更加簡(jiǎn)便。

PLC技術(shù)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(jié)果，Iv為公式換算的主體，Osh為換算結(jié)果的最高上限，Osl為換算結(jié)果的最低下限，Ish為換算主體的最高上限，IsI為換算結(jié)果的最低下限。

模擬量信號(hào)是當(dāng)前自動(dòng)化過程控制中的基本過程信號(hào)，過程信號(hào)經(jīng)由變送器，將其轉(zhuǎn)化成為統(tǒng)一的電壓及電流信號(hào)，同時(shí)將該信號(hào)傳輸至控制器，借助上述公式可以直接將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)值信號(hào)，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站的自動(dòng)監(jiān)控與控制。

2.2 PLC的特點(diǎn)

PLC控制系統(tǒng)將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)融為一體，具有可靠性高、編程方便、對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求低、與其他裝置配置連接方便等優(yōu)點(diǎn)[3]。將PLC控制系統(tǒng)與繼電順序控制系統(tǒng)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，PLC控制系統(tǒng)大部分為軟件控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積??；內(nèi)部全部為“軟接點(diǎn)”，速度更快，系統(tǒng)的控制功能改變一般需要修改程序；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試周期短；系統(tǒng)具有較強(qiáng)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(yùn)行用戶程序，針對(duì)外部輸入信號(hào)做正確的邏輯判斷，并根據(jù)結(jié)果輸出給各模塊，以控制生產(chǎn)機(jī)械按既定程序工作。此外，可以對(duì)其內(nèi)部工作進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，并協(xié)調(diào)各部分工作，如有差錯(cuò)，則立即停止運(yùn)行。

（2）存貯器。ROM指只讀存儲(chǔ)器，主要存貯系統(tǒng)管理和監(jiān)控程序，并能對(duì)用戶程序做編譯處理。RAM指隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(zhuǎn)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(tǒng)可靠性，目前大部分PLC采用開關(guān)式穩(wěn)壓電源供電，用鋰電池作停電時(shí)的后備電源。

（4）輸入、輸出模塊部分。這是PLC控制設(shè)備和被控設(shè)備相連接的接口電路，包含開關(guān)量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊。開關(guān)量輸入模塊接收各種控制信號(hào)，如按鈕、選擇開關(guān)、行程開關(guān)以及一些傳感器輸出的開關(guān)量等，通過輸入接口電路將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠接收和處理的信號(hào)。開關(guān)量輸出模塊將中央處理器送出的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場(chǎng)需要的以驅(qū)動(dòng)閥門、接觸器、電機(jī)等被控設(shè)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(hào)，比如水泵的電流和頻率。

（5）通信模塊及變頻模組。技術(shù)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(duì)PLC設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查、信息修改以及用戶調(diào)試等一系列操作，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)管。

2.4 PLC運(yùn)行機(jī)理

PLC技術(shù)的實(shí)際運(yùn)行機(jī)理主要可以分為三個(gè)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(shù)運(yùn)行的第一階段，技術(shù)人員借助PLC技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)主體進(jìn)行分析掃描，并通過單元的形式對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)，將其放置在I/O的映像區(qū)域內(nèi)，之后便可以進(jìn)入下一個(gè)處理階段，在后續(xù)的兩個(gè)處理階段中，即便是所輸入的數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，在第一階段輸入I/O映像區(qū)的數(shù)據(jù)也不會(huì)隨之改變，只有在脈沖信號(hào)被輸入后，其后面的輸入數(shù)據(jù)才能被再次掃描讀取。

（2）用戶執(zhí)行階段是PLC技術(shù)運(yùn)行的第二階段，技術(shù)人員會(huì)借助PLC技術(shù)對(duì)用戶的使用程序進(jìn)行由上至下的掃描，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算[5]。在得到運(yùn)算結(jié)果后，就可以在邏輯線圈的運(yùn)行存儲(chǔ)區(qū)域中的對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行系統(tǒng)刷新，在這個(gè)刷新的過程中，技術(shù)人員如果使用I/O編程指令，是可以直接對(duì)I/O點(diǎn)記性讀取，但是映像區(qū)中的數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生改變，系統(tǒng)程序可以在I/O模塊中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截取，同時(shí)寄存器的刷新會(huì)對(duì)輸出過程產(chǎn)生一定的影響，這一階段的處理與執(zhí)行過程與輸入數(shù)據(jù)是存在不同的。

（3）當(dāng)PLC技術(shù)的第二階段運(yùn)行完成后，就可以直接來到運(yùn)行的第三階段。PLC技術(shù)的刷新階段，在刷新階段中系統(tǒng)CPU會(huì)依照I/O映像區(qū)內(nèi)與之對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，對(duì)輸出電路進(jìn)行刷新，對(duì)輸出電路的實(shí)際驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行進(jìn)行有效的控制，進(jìn)而達(dá)到對(duì)電氣自動(dòng)化控制的真實(shí)目的。

2.5 順序控制技術(shù)

順序控制技術(shù)是當(dāng)前PLC技術(shù)在電氣工程及自動(dòng)化控制中應(yīng)用的重要代表，也最早應(yīng)用于電氣工程及自動(dòng)化控制中的PLC技術(shù)。順序控制是指對(duì)正在運(yùn)行的電氣設(shè)備進(jìn)行順序控制，使其可以按照技術(shù)人員預(yù)設(shè)的流程與順序運(yùn)行，順序控制技術(shù)對(duì)于當(dāng)前的企業(yè)生產(chǎn)流程有著極大的推動(dòng)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(duì)實(shí)際的生產(chǎn)流程進(jìn)行有效的控制[6]。PLC技術(shù)中的順序控制技術(shù)能夠有效地實(shí)現(xiàn)電氣工程自動(dòng)化控制，進(jìn)而充分促進(jìn)我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步。分組電機(jī)順序控制圖如圖2所示。

圖2 分組電機(jī)順序控制圖

3 結(jié)論

通過多年的實(shí)踐應(yīng)用，泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)多優(yōu)勢(shì)已經(jīng)顯現(xiàn)，可以減少人員投入，提高維護(hù)質(zhì)量，減少事故發(fā)生，提高設(shè)備的使用率，保證安全生產(chǎn)，它具有完善的監(jiān)控功能，能滿足泵站安全運(yùn)行及運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要，操作方便，可靠性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了泵站設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控，全面感知現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，數(shù)據(jù)可測(cè)、設(shè)備可控，過程可回溯，為泵站運(yùn)行實(shí)現(xiàn)“無人值班，少人值守”創(chuàng)造了有利條件。