基于PLC的防洪泵站監(jiān)控系統(tǒng)設計

胡能文，張立輝

(吉林建筑大學，吉林 長春 130119)

0 引言

中國大部分地區(qū)常年受到季風氣候的影響，導致了長時間的降水，有些城市處于低洼地區(qū)很容易發(fā)生洪澇災害，若不及時排除，容易造成斷電等危害。防洪泵站的水泵電機以前是半機械、半人工控制，排澇工作的開展受工作人員的影響較大，存在洪水阻擋工作人員操作、洪水期工作人員的工作強度過大、集中管理困難等問題，比較難滿足現(xiàn)代機械化的控制要求。泵站的安全運行直接關系到防洪工作的進行，因此建設防洪泵站監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)整體設計

1.1 防洪泵站系統(tǒng)設計原則

系統(tǒng)的設計不但要滿足具體需要，還要根據實際情況考慮設備故障、電路老化的影響，主要遵循可靠性、靈活性、先進性以及實時性原則。

可靠性：簡化系統(tǒng)結構，避免環(huán)節(jié)出錯，使中控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與真實性有所提升。

先進性：系統(tǒng)所使用的設備要隨著科學技術的發(fā)展采用性價比較高的設備。

靈活性：系統(tǒng)采用模塊化設計，應使得系統(tǒng)有冗余，能用于模塊擴展，從而保持一定的靈活性。

實時性：系統(tǒng)能在不同的環(huán)境、不同的干擾情況下實時對設施進行監(jiān)控和管理。

1.2 防洪泵站工作原理與需求設計

城市的內河或者下水道等低洼處通過水泵與管道相連，當防洪泵站進行排水工作時，液位傳感器所輸出的4～20 mA傳輸?shù)絇LC中的SM331模塊轉換成0～27648數(shù)值，在經過PLC中FC105模塊得出所測的液位，根據模糊控制程序使得對應水泵電機進行動作，洪水由水泵抽入管道通往外河，從而使得內澇消除。當管道內水壓過大時，開啟冗余管道進行泄壓。電機損壞時切換冗余的電機保證排澇工作能正常進行。系統(tǒng)需求如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設計需求

2 控制系統(tǒng)的硬件設計

根據防洪泵站現(xiàn)實需要，本系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC作為核心控制元件，由諸多傳感器、電機、按鈕、指示燈、PLC觸摸屏、模擬量采集模塊等組成。

2.1 PLC硬件選型

中央處理單元：本文所選用的系統(tǒng)中央處理器為CPU315-2DP，所用的處理器存儲容量相對其他處理器容量較大，適用于區(qū)域聯(lián)動防洪系統(tǒng)，能夠滿足量大的需求，接口包括以太網接口、PROFIBUS-DP主接口以及從接口。在處理速度方面高于其他型號PLC，且具有較強的擴展能力。其中，機架可以擴展為4個，功能模塊可以擴展為32個。

電源模塊：具體設計過程中，電源包括主要服務于系統(tǒng)運行的能源供給，包括PS307-6A和PS307-12A兩種電能來源必須安全可靠，經過轉化之后又才可使用，形成DC25 V電源，供給CPU運行所需，可以借鑒有關方面的研究成果，使用雙回路、雙電源供電，應對一些突發(fā)情況，保證系統(tǒng)正常運行。

I/O擴展模塊：這一模塊是由2個模塊組成，具體為模擬量I/O模塊和數(shù)字量I/O模塊，具體為數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出。功能發(fā)揮過程中，應將自身電路轉換為標準的PLC信號。

2.2 傳感器選型

根據防洪泵站現(xiàn)場采樣需求，必須對主要參數(shù)(水泵電機溫度、湖泊的液位)進行實時的監(jiān)測和傳輸，所以在設計中要選用合適的傳感器對上述的重要參數(shù)進行采樣。

液位傳感器：目前液位傳感器有很多，如投入式液位變送器、水位非接觸式電容傳感器、超聲波式液位傳感器等?？紤]到投入式液位傳感器比較簡單和使用普遍，本系統(tǒng)選用昆山川培儀表的投入式液位變送器。

溫度傳感器：考慮到測的是電機內部溫度，本系統(tǒng)選用的溫度傳感器是聯(lián)測儀表的引線式溫度傳感器，此傳感器安裝方便、尺寸小巧，引出線進行了鍍銀，具有防腐功能，可以廣泛應用于各種測溫的場合。

3 水位模糊控制程序設計

防洪泵站水泵電機的優(yōu)化運行是在保障排水工作正常進行的情況下，利用編程優(yōu)化水泵電機的開啟數(shù)量，從而達到防洪泵站經濟運行的目的。模糊控制是采用編程控制規(guī)則，再根據操作人員的經驗，對被控對象模型進行模糊化，使得干擾和參數(shù)的變化影響縮小。洪水的水位變化是一個非線性的變化，模糊控制對此作為動態(tài)特性模糊的對象非常適用，所以本文采用模糊控制的方式，根據不同的洪水水位和水位變化率使用不同的規(guī)則對防洪泵站電機的開啟數(shù)量進行優(yōu)化。

本文使用MATLAB進行模糊控制器程序設計，再結合S7-300PLC進行水泵電機優(yōu)化控制。在MATLAB的命令窗口輸入fuzzy指令打開模糊控制器。 根據所需添加2個input窗口和1個output窗口，并分別將輸入量名稱改為洪水水位和洪水水位變化率，輸出改為電機開啟臺數(shù)。依次完成洪水水位和洪水水位變化率的模糊化，并設定好規(guī)則。模糊控制規(guī)則如圖2所示。

圖2 模糊控制規(guī)則

在解模糊時使用的是最大隸屬度函數(shù)法進行計算，例如在洪水水位到達2.82 m、湖泊液位上漲速率為0.035時根據計算得出輸出數(shù)字為4.24，此時對應規(guī)則開啟4臺水泵電機。模糊控制輸出界面如圖3所示。

圖3 模糊控制輸出界面

對水泵電機控制的過程為：液位傳感器將采集到的水位數(shù)據傳送至S7-300PLC中，在模糊控制程序中對所傳送上來的水位和水位變化率數(shù)據進行模糊決策，水泵電機控制程序在收到模糊控制程序決策時，對應開啟不同水泵電機臺數(shù)。水泵電機控制流程圖如圖4所示。

圖4 水泵電機控制流程圖

4 監(jiān)控界面設計

在防洪泵站監(jiān)控系統(tǒng)中需要對不同的數(shù)據進行監(jiān)控并且進行管理，對于防洪泵站的信息要全面地展示出，在監(jiān)控界面上要顯示出各組電機的運行狀況、湖泊的液位等信息。電機的運行狀況以不同的顏色指示燈表示，綠色代表正常運行，紅色代表斷線或者出現(xiàn)故障。當水位超過一定限額，同時水位變化率超過一定數(shù)值，洪水預警燈將閃爍報警。防洪泵站監(jiān)控界面如圖5所示。

在防洪泵站的監(jiān)控系統(tǒng)中，建立一個良好的數(shù)據庫是很重要的，數(shù)據庫所包含的功能應有數(shù)據的查詢、數(shù)據的儲存、數(shù)據的處理。數(shù)據的查詢能提供各個電機以往的運行狀態(tài)、故障發(fā)生的時間、湖泊液位等常用信息。數(shù)據的儲存就是要將所收集到的數(shù)據進行儲存方便讓人查詢。數(shù)據的處理是將收集到的信息進行管理，將以往的信息通過表格或者柱狀圖清晰地展示給用戶。防洪泵站數(shù)據庫程序如圖6所示。

圖5 防洪泵站監(jiān)控界面

圖6 防洪泵站數(shù)據庫程序

5 結語

防洪泵站是城市基礎建設的重要組成成分，基于PLC防洪泵站監(jiān)控系統(tǒng)的設計在一定程度上保證了防洪泵站運行的可靠性。防洪泵站監(jiān)控系統(tǒng)選用西門子PLC-300作為核心，利用模糊控制在不同洪水水位情況下對水泵電機工作臺數(shù)進行優(yōu)化，并利用LabVIEW作為上位機實現(xiàn)了防洪泵站遠程監(jiān)控、數(shù)據庫歷史數(shù)據查詢等功能。通過對本文防洪泵站監(jiān)控系統(tǒng)實驗驗證，該監(jiān)控系統(tǒng)經濟性好、可靠程度高，具有較高的實用價值。