基于PLC的泵站監(jiān)控系統(tǒng)改造
發(fā)布日期：2017-03-14 來源：《上海設(shè)備管理》
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泵站是水的唯一人工動(dòng)力源， 由于其能效高、節(jié)能環(huán)保，已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。泵站控制系統(tǒng)經(jīng)過多年使用，安裝控制柜的低配室中腐蝕性氣體濃度較高，夏天高溫對設(shè)備影響顯著，這些環(huán)境因素導(dǎo)致設(shè)備老化嚴(yán)重，近年來常發(fā)生控制系統(tǒng)元件故障，特別是PLC模塊和智能電力參數(shù)測量儀的故障率非常高，且維修難度很大�？紤]到系統(tǒng)已經(jīng)整體老化，維修成本支出越來越大，為了更好地發(fā)揮泵站監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)越性，減輕操作工人的工作強(qiáng)度，保證防汛泵站設(shè)備的正常運(yùn)行，亟需對控制系統(tǒng)進(jìn)行更新改造。以上海某泵站的改造設(shè)計(jì)為例，提出一種基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)，提高泵站運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)泵站設(shè)備可用率高、長期穩(wěn)定和自動(dòng)化運(yùn)行。
一、總體要求
改造PLC控制系統(tǒng)不再采用雙機(jī)熱備結(jié)構(gòu)，而是更新其中一套PLC控制柜，保留另一套PLC柜殼體。更新的一套控制柜主要放置PLC模塊、主要輸入輸出信號接線端子、輸出隔離繼電器等；保留的一套PLC柜殼體放置UPS 電源系統(tǒng)、信號上傳排水公司采集裝置、網(wǎng)絡(luò)交換器、部分輸入輸出信號接線端子。取消觸摸屏，在原觸摸屏安裝位置上安裝4 個(gè)液位數(shù)顯表，便于對液位的觀察。值班室更新工控機(jī)并重新開發(fā)新的遠(yuǎn)程操作界面， 工控機(jī)與PLC柜的通訊線纜重新布線，加快信息響應(yīng)速度。在6 臺水泵啟動(dòng)柜上增加18 套電流變送器，在2 臺低壓進(jìn)線柜上增加6 套電壓變送器，布置信號電纜與PLC連接，提高電流電壓信號采集的可靠性。擬采用的控制系統(tǒng)如圖1 所示。
圖1 泵站控制系統(tǒng)示意圖
計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，本著安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的原則進(jìn)行設(shè)備配置，制定以下結(jié)構(gòu)框架：所有進(jìn)入PLC控制柜的開關(guān)量輸入信號將采用光電隔離輸入，輸出信號采用繼電器隔離輸出，模擬量輸入信號也采用相應(yīng)的隔離模塊輸入；此外，考慮現(xiàn)場環(huán)境有腐蝕性氣體，控制柜采用高檔的施耐德品牌，密封性將達(dá)到較高防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。更新改造后的系統(tǒng)將能夠滿足未來5 年內(nèi)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的要求，并預(yù)留一定數(shù)量的輸入輸出點(diǎn)做備用，可方便地進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)容。
二、 PLC控制系統(tǒng)
泵站PLC控制分預(yù)留遠(yuǎn)程控制模式、就地控制模式和檢修模式三種模式實(shí)現(xiàn)。
預(yù)留遠(yuǎn)程控制模式指通過有線PSTN 或無線數(shù)傳電臺等方式遠(yuǎn)程控制泵站設(shè)備運(yùn)行/停止的模式。它由調(diào)度中心監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)施，為泵站控制系統(tǒng)的上級監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對泵站的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。
就地控制模式又分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式。就地自動(dòng)控制模式能按預(yù)先約定的規(guī)則和調(diào)節(jié)方法自動(dòng)控制現(xiàn)場設(shè)備，利用PLC的邏輯控制功能，提供設(shè)備的自動(dòng)控制及關(guān)聯(lián)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)、連鎖控制。在該模式下，就地控制系統(tǒng)在啟動(dòng)泵前要先判斷各進(jìn)水閘門、出水閘門是否處于相應(yīng)合理位置，如果有閘門處于不合理位置，則要報(bào)警；然后根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的控制參數(shù)（如液位、液位差、流量等），合理啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備（如泵組、格柵除污機(jī)等）以達(dá)到自動(dòng)控制的目的。就地手動(dòng)模式就是在人機(jī)操作界面上通過點(diǎn)擊屏幕上的啟動(dòng)/停止按鈕對單臺設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作。
1、水泵的控制
對泵站內(nèi)雨污水泵執(zhí)行自動(dòng)控制。啟停泵的輸出控制信號是脈沖信號，其幅值和寬度根據(jù)實(shí)際需要制定、調(diào)整。根據(jù)格柵后水位高度決定水泵的開機(jī)臺數(shù)，入口水位高于上限時(shí)增開一臺泵，延遲一定時(shí)間后，仍高于上限則再增開一臺水泵，保證合理的分布啟動(dòng)。水位低于下限時(shí)自動(dòng)停一臺，延遲一定時(shí)間后，仍低于下限則再停開一臺，如此類推。原則上使先啟動(dòng)的泵先停，以實(shí)現(xiàn)泵的循環(huán)使用，力求泵的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間均等，并避免一臺泵開、停次數(shù)過多的現(xiàn)象發(fā)生。以預(yù)定時(shí)間間隔連續(xù)三次啟動(dòng)水泵失敗，說明設(shè)備有故障，應(yīng)自動(dòng)啟動(dòng)下一臺泵，同時(shí)將故障的泵號以狀態(tài)字的格式建立標(biāo)志。當(dāng)格柵前后液位中任何一個(gè)數(shù)值低于泵站最低液位時(shí)，禁止啟動(dòng)水泵，正在運(yùn)行的水泵立即停機(jī)。水泵在一定時(shí)間間隔內(nèi)的啟停次數(shù)將嚴(yán)格按照水泵特性要求執(zhí)行。每臺水泵的運(yùn)行時(shí)間將累計(jì)并且記錄，以保證各臺水泵的運(yùn)行時(shí)間均勻，同時(shí)根據(jù)泵組保養(yǎng)要求，提出保養(yǎng)維修建議。
2、閘門的控制
閘門的位置信號、升降動(dòng)作信號、報(bào)警信號送至PLC。閘門的控制有檢修和就地控制兩種模式，由閘門控制箱面板上的轉(zhuǎn)換開關(guān)來選擇，檢修控制模式的優(yōu)先級高于就地控制模式，模式轉(zhuǎn)換開關(guān)的狀態(tài)應(yīng)反饋給PLC。
檢修模式：人工操作閘門或閘閥控制箱面板上的按鈕，控制閘門的開啟和關(guān)閉。
就地控制模式：閘門或閘閥執(zhí)行來自PLC的啟閉控制命令。操作人員可以在PLC的操作界面上手動(dòng)控制閘門的開啟和關(guān)閉。
系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換成自動(dòng)模式時(shí)，將自動(dòng)檢測各閘門所處狀態(tài)，當(dāng)有閘門處于不合理狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)在開泵時(shí)將自動(dòng)產(chǎn)生報(bào)警。
3、格柵除污機(jī)及壓榨機(jī)輸送機(jī)的控制
格柵除污機(jī)、壓榨機(jī)、輸送機(jī)的狀態(tài)信號（運(yùn)行、停止、報(bào)警）以及格柵前后液位信號均應(yīng)送至PLC。格柵除污機(jī)和壓榨機(jī)、輸送機(jī)的控制有檢修和就地控制兩種模式，控制箱面板上設(shè)置檢修和就地控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，由人工切換控制模式，檢修模式的優(yōu)先級高于就地控制模式，模式轉(zhuǎn)換開關(guān)的狀態(tài)要反饋給PLC。
檢修模式：人工操作設(shè)備控制箱面板上的按鈕，控制相對應(yīng)設(shè)備的啟動(dòng)、停止。
就地控制模式：PLC按格柵前后液位差及預(yù)先編制的程序控制格柵除污機(jī)的啟動(dòng)和停止，格柵前后液位差不能大于0.2m。
4、閾值監(jiān)視及報(bào)警
對設(shè)備運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)視，其中包括電量閾值與工藝閾值的監(jiān)視。電量閾值主要有進(jìn)線電壓，泵站低壓側(cè)總電流、總功率、總電量、水泵電機(jī)電流等；工藝閾值有上下限水位、總出水流量等。對閾值的越限值及越限時(shí)刻將作為報(bào)警記錄儲(chǔ)存，并由PLC輸出報(bào)警信號。報(bào)警信號類別如下：進(jìn)線斷路器跳閘；低壓進(jìn)線柜過電流；水泵電機(jī)過電流；水泵電機(jī)啟動(dòng)失敗和泵組故障；閘門故障和控制失��；超高液位、超低液位；格柵除污機(jī)故障和啟動(dòng)失敗；壓榨機(jī)、輸送機(jī)故障和啟動(dòng)失��；儀表、變送器故障。
三、工控機(jī)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)
工控機(jī)人機(jī)界面為中文界面，操作簡便、靈活、可靠，對話提示清楚準(zhǔn)確，具有一致性。運(yùn)行組態(tài)王的泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)，生成整個(gè)泵站的生產(chǎn)工藝流程、電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖，為泵站生產(chǎn)操作人員提供清晰、友善的人機(jī)監(jiān)測界面。界面主要功能的設(shè)計(jì)將按照目前排水泵站的管理需求進(jìn)行，主要的功能包括泵站設(shè)備遠(yuǎn)程操作、設(shè)備運(yùn)行工況實(shí)時(shí)監(jiān)視、值班人員設(shè)備操作記錄、泵站各設(shè)備運(yùn)行記錄、泵站運(yùn)行工況三線圖記錄等，并能保存一年以內(nèi)的運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)供查閱。
根據(jù)系統(tǒng)操作權(quán)限設(shè)計(jì)，操作員等級權(quán)限只能對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)置，而只有工程師權(quán)限才允許安裝、修改或測試各種應(yīng)用軟件，保證了系統(tǒng)日常運(yùn)行中的穩(wěn)定性。以組態(tài)王為系統(tǒng)平臺，編寫上位監(jiān)控系統(tǒng)。
根據(jù)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)
1、工藝流程畫面
根據(jù)泵站設(shè)備的實(shí)際布置位置，建立泵站運(yùn)行工藝總圖，準(zhǔn)確顯示水位、各水泵運(yùn)行狀態(tài)以及閘門位置狀態(tài)等設(shè)備信息。
2、事件順序記錄
根據(jù)開關(guān)信號及設(shè)備故障等信息的發(fā)生時(shí)間，監(jiān)控系統(tǒng)將及時(shí)記錄事件或事故的發(fā)生地點(diǎn)及時(shí)間，方便進(jìn)行查詢。工程開發(fā)人員可根據(jù)事件或事故記錄的事件順序，分析事故原因，并對開關(guān)量信號輸入有相應(yīng)的信號過濾程序，以防止抖動(dòng)信號的多次輸入。
3、配電系統(tǒng)圖
系統(tǒng)配電圖負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)電力參數(shù)，例如泵站配電柜的狀態(tài)、電力測量參數(shù)等。
4、報(bào)警處理
監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)視生產(chǎn)過程、設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行參數(shù)變化的能力， 并能對超時(shí)超限等報(bào)警進(jìn)行相應(yīng)的安全處理。能自動(dòng)診斷出泵站運(yùn)行過程中的異常狀態(tài)，以及現(xiàn)場控制設(shè)備或通信系統(tǒng)產(chǎn)生的故障并發(fā)生的報(bào)警信號， 當(dāng)過程檢測或運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備出現(xiàn)越限或故障時(shí)，工藝流程圖上相應(yīng)的圖例將閃爍紅燈并以報(bào)警聲響加以提示�？赏ㄟ^鍵盤或觸摸屏解除報(bào)警聲響，故障消除之后，狀態(tài)顏色恢復(fù)正常。對于已確認(rèn)的報(bào)警應(yīng)標(biāo)記報(bào)警發(fā)生時(shí)標(biāo)，并存入報(bào)警數(shù)據(jù)庫。
5、趨勢記錄
監(jiān)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)趨勢和歷史趨勢圖查詢功能，記錄長時(shí)間內(nèi)的雨量及水位變化曲線，方便泵站管理需求。
四、結(jié)語
以上海某泵站為例，針對自控系統(tǒng)隨著使用年限增加、軟硬件老化嚴(yán)重、故障率不斷增加對泵站的影響問題，提出一種基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)，提高泵站運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)泵站設(shè)備可用率高，長期穩(wěn)定和自動(dòng)化運(yùn)行。最后設(shè)計(jì)了監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互平臺，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
作者：王浩清 陶佳麗 王致杰 呂金都 黃麒元 單位：上海電氣自動(dòng)化設(shè)計(jì)研究所有限公司