泵站自動控制系統(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、可維護性及控制操作的自動化水平，實現(xiàn)泵站管理人員在泵站監(jiān)控中心遠程監(jiān)測站內(nèi)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(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，減輕運行人員的勞動強度，基于動態(tài)數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用實踐，提高泵站系統(tǒng)運行的智慧化水平，在泵站管理工作中達到用數(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”的運行管理要求。

1 泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖1所示。

圖1 泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

1.2 泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)組成

泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)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(zhuǎn)情況和排水設(shè)備的運行參數(shù)，可以遠程控制排水設(shè)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(shù)設(shè)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(tǒng)劃分為系統(tǒng)工藝、監(jiān)測異常、監(jiān)測趨勢、歷史報表、參數(shù)設(shè)置5個部分，分別實現(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(shè)備啟停記錄進行檢索，并設(shè)置檢索條件，用戶可以查詢某一監(jiān)測時段內(nèi)的異常信息，系統(tǒng)提供打印和導(dǎo)出功能。監(jiān)測趨勢：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)備運行的電流參數(shù)不同，使得其趨勢曲線及監(jiān)測參數(shù)也會不同，因此可以將設(shè)備的運行趨勢分化為“設(shè)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(diào)整、曲線打印等功能。③歷史報表：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表，包括日報表、月報表、年報表。日報表包括設(shè)備運行日報、產(chǎn)量日報表；月報表統(tǒng)計了泵站每天的提升量和提升泵每日的運行時間。系統(tǒng)報表提供歷史查詢操作、報表導(dǎo)出和報表打印功能。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)的報警限值設(shè)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(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)實現(xiàn)通信；二是無線通信：每個泵站與管理處之間通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信，調(diào)度中心、泵站遠程監(jiān)控中心、各職能部門之間通過局域網(wǎng)實現(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(shè)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(tǒng)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(xiàn)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(dāng)開關(guān)處于“遠程手動”時，現(xiàn)場控制站及中控室可遠程啟動提升泵，當(dāng)開關(guān)處于“遠程自動”時，泵組根據(jù)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(yīng)有控制選擇和互鎖功能。

現(xiàn)場控制站根據(jù)泵站液位計信號自動控制水泵運行。當(dāng)進水泵房液位增加到某個設(shè)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(shè)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(guān)閉所有水泵?，F(xiàn)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(dāng)連續(xù)數(shù)次（可修改）啟動水泵失敗時，應(yīng)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(xiàn)場控制站還要記錄每臺水泵每小時啟動的次數(shù)，水泵在一定時間范圍內(nèi)的啟停次數(shù)及時間間隔應(yīng)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(shè)定。由于停泵或啟泵時會出現(xiàn)水位的浪涌現(xiàn)象，此時的液位為非正常值，為避免水泵誤動作，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)是一種可以進行編程的邏輯控制器，也是一種可以借助數(shù)字運算操作對其進行編程的存儲系統(tǒng)，可以將PLC技術(shù)簡單地理解為是一臺用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的微型計算機。工業(yè)生產(chǎn)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(yīng)用PLC技術(shù)，可以有效地提升控制機電系統(tǒng)的運行和管理性能，將PLC技術(shù)的優(yōu)勢充分發(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，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(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。

模擬量信號是當(dāng)前自動化過程控制中的基本過程信號，過程信號經(jīng)由變送器，將其轉(zhuǎn)化成為統(tǒng)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(zhuǎn)換成為數(shù)值信號，以此來實現(xiàn)對泵站的自動監(jiān)控與控制。

2.2 PLC的特點

PLC控制系統(tǒng)將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)、計算機控制技術(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(tǒng)與繼電順序控制系統(tǒng)進行比較發(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?。粌?nèi)部全部為“軟接點”，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、施工、調(diào)試周期短；系統(tǒng)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(jù)結(jié)果輸出給各模塊，以控制生產(chǎn)機械按既定程序工作。此外，可以對其內(nèi)部工作進行自動檢測，并協(xié)調(diào)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(tǒng)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(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，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轉(zhuǎn)換成中央處理器能夠接收和處理的信號。開關(guān)量輸出模塊將中央處理器送出的弱電控制信號轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的以驅(qū)動閥門、接觸器、電機等被控設(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，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PLC設(shè)備進行數(shù)據(jù)檢查、信息修改以及用戶調(diào)試等一系列操作，也可以實現(xiàn)對PLC設(shè)備的實時監(jiān)管。

2.4 PLC運行機理

PLC技術(shù)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(shù)運行的第一階段，技術(shù)人員借助PLC技術(shù)對數(shù)據(jù)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(nèi)，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(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)也不會隨之改變，只有在脈沖信號被輸入后，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)運行的第二階段，技術(shù)人員會借助PLC技術(shù)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(jié)果后，就可以在邏輯線圈的運行存儲區(qū)域中的對應(yīng)位置進行系統(tǒng)刷新，在這個刷新的過程中，技術(shù)人員如果使用I/O編程指令，是可以直接對I/O點記性讀取，但是映像區(qū)中的數(shù)據(jù)不會發(fā)生改變，系統(tǒng)程序可以在I/O模塊中對數(shù)據(jù)進行截取，同時寄存器的刷新會對輸出過程產(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)的第二階段運行完成后，就可以直接來到運行的第三階段。PLC技術(shù)的刷新階段，在刷新階段中系統(tǒng)CPU會依照I/O映像區(qū)內(nèi)與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)，對輸出電路進行刷新，對輸出電路的實際驅(qū)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(shù)

順序控制技術(shù)是當(dāng)前PLC技術(shù)在電氣工程及自動化控制中應(yīng)用的重要代表，也最早應(yīng)用于電氣工程及自動化控制中的PLC技術(shù)。順序控制是指對正在運行的電氣設(shè)備進行順序控制，使其可以按照技術(shù)人員預(yù)設(shè)的流程與順序運行，順序控制技術(shù)對于當(dāng)前的企業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)流程進行有效的控制[6]。PLC技術(shù)中的順序控制技術(shù)能夠有效地實現(xiàn)電氣工程自動化控制，進而充分促進我國工業(yè)領(lǐng)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(jié)論

通過多年的實踐應(yīng)用，泵站自動控制系統(tǒng)多優(yōu)勢已經(jīng)顯現(xiàn)，可以減少人員投入，提高維護質(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，能滿足泵站安全運行及運行參數(shù)實時監(jiān)控的需要，操作方便，可靠性強，實現(xiàn)了泵站設(shè)備遠程監(jiān)控，全面感知現(xiàn)場狀態(tài)，數(shù)據(jù)可測、設(shè)備可控，過程可回溯，為泵站運行實現(xiàn)“無人值班，少人值守”創(chuàng)造了有利條件。