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基于PLC的泵站監(jiān)控系統(tǒng)改造
發(fā)布日期：2017-03-14 來源：《上海設備管理》
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泵站是水的唯一人工動力源， 由于其能效高、節(jié)能環(huán)保，已被廣泛應用于各行各業(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，夏天高溫對設備影響顯著，這些環(huán)境因素導致設備老化嚴重，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度，保證防汛泵站設備的正常運行，亟需對控制系統(tǒng)進行更新改造。以上海某泵站的改造設計為例，提出一種基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)，提高泵站運行效率，實現(xiàn)泵站設備可用率高、長期穩(wěn)定和自動化運行。
一、總體要求
改造PLC控制系統(tǒng)不再采用雙機熱備結構，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 個液位數(shù)顯表，便于對液位的觀察。值班室更新工控機并重新開發(fā)新的遠程操作界面， 工控機與PLC柜的通訊線纜重新布線，加快信息響應速度。在6 臺水泵啟動柜上增加18 套電流變送器，在2 臺低壓進線柜上增加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
計算機監(jiān)控系統(tǒng)按標準進行總體設計，本著安全可靠、技術先進、經(jīng)濟、實用的原則進行設備配置，制定以下結構框架：所有進入PLC控制柜的開關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，密封性將達到較高防護標準。更新改造后的系統(tǒng)將能夠滿足未來5 年內設備穩(wěn)定運行的要求，并預留一定數(shù)量的輸入輸出點做備用，可方便地進行系統(tǒng)擴容。
二、 PLC控制系統(tǒng)
泵站PLC控制分預留遠程控制模式、就地控制模式和檢修模式三種模式實現(xiàn)。
預留遠程控制模式指通過有線PSTN 或無線數(shù)傳電臺等方式遠程控制泵站設備運行/停止的模式。它由調度中心監(jiān)控系統(tǒng)來實施，為泵站控制系統(tǒng)的上級監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對泵站的遠程控制、遠程數(shù)據(jù)采集。
就地控制模式又分為手動和自動兩種控制模式。就地自動控制模式能按預先約定的規(guī)則和調節(jié)方法自動控制現(xiàn)場設備，利用PLC的邏輯控制功能，提供設備的自動控制及關聯(lián)設備的聯(lián)動、連鎖控制。在該模式下，就地控制系統(tǒng)在啟動泵前要先判斷各進水閘門、出水閘門是否處于相應合理位置，如果有閘門處于不合理位置，則要報警；然后根據(jù)預先設定好的控制參數(shù)（如液位、液位差、流量等），合理啟動相關設備（如泵組、格柵除污機等）以達到自動控制的目的。就地手動模式就是在人機操作界面上通過點擊屏幕上的啟動/停止按鈕對單臺設備進行手動操作。
1、水泵的控制
對泵站內雨污水泵執(zhí)行自動控制。啟停泵的輸出控制信號是脈沖信號，其幅值和寬度根據(jù)實際需要制定、調整。根據(jù)格柵后水位高度決定水泵的開機臺數(shù)，入口水位高于上限時增開一臺泵，延遲一定時間后，仍高于上限則再增開一臺水泵，保證合理的分布啟動。水位低于下限時自動停一臺，延遲一定時間后，仍低于下限則再停開一臺，如此類推。原則上使先啟動的泵先停，以實現(xiàn)泵的循環(huán)使用，力求泵的運轉時間均等，并避免一臺泵開、停次數(shù)過多的現(xiàn)象發(fā)生。以預定時間間隔連續(xù)三次啟動水泵失敗，說明設備有故障，應自動啟動下一臺泵，同時將故障的泵號以狀態(tài)字的格式建立標志。當格柵前后液位中任何一個數(shù)值低于泵站最低液位時，禁止啟動水泵，正在運行的水泵立即停機。水泵在一定時間間隔內的啟停次數(shù)將嚴格按照水泵特性要求執(zhí)行。每臺水泵的運行時間將累計并且記錄，以保證各臺水泵的運行時間均勻，同時根據(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、升降動作信號、報警信號送至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換開關來選擇，檢修控制模式的優(yōu)先級高于就地控制模式，模式轉換開關的狀態(tài)應反饋給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的操作界面上手動控制閘門的開啟和關閉。
系統(tǒng)在轉換成自動模式時，將自動檢測各閘門所處狀態(tài)，當有閘門處于不合理狀態(tài)時，系統(tǒng)在開泵時將自動產生報警。
3、格柵除污機及壓榨機輸送機的控制
格柵除污機、壓榨機、輸送機的狀態(tài)信號（運行、停止、報警）以及格柵前后液位信號均應送至PLC。格柵除污機和壓榨機、輸送機的控制有檢修和就地控制兩種模式，控制箱面板上設置檢修和就地控制轉換開關，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，模式轉換開關的狀態(tài)要反饋給PLC。
檢修模式：人工操作設備控制箱面板上的按鈕，控制相對應設備的啟動、停止。
就地控制模式：PLC按格柵前后液位差及預先編制的程序控制格柵除污機的啟動和停止，格柵前后液位差不能大于0.2m。
4、閾值監(jiān)視及報警
對設備運行工況進行監(jiān)視，其中包括電量閾值與工藝閾值的監(jiān)視。電量閾值主要有進線電壓，泵站低壓側總電流、總功率、總電量、水泵電機電流等；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刻將作為報警記錄儲存，并由PLC輸出報警信號。報警信號類別如下：進線斷路器跳閘；低壓進線柜過電流；水泵電機過電流；水泵電機啟動失敗和泵組故障；閘門故障和控制失��；超高液位、超低液位；格柵除污機故障和啟動失敗；壓榨機、輸送機故障和啟動失��；儀表、變送器故障。
三、工控機人機交互界面設計
工控機人機界面為中文界面，操作簡便、靈活、可靠，對話提示清楚準確，具有一致性。運行組態(tài)王的泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)采集現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)，生成整個泵站的生產工藝流程、電力系統(tǒng)實時動態(tài)圖，為泵站生產操作人員提供清晰、友善的人機監(jiān)測界面。界面主要功能的設計將按照目前排水泵站的管理需求進行，主要的功能包括泵站設備遠程操作、設備運行工況實時監(jiān)視、值班人員設備操作記錄、泵站各設備運行記錄、泵站運行工況三線圖記錄等，并能保存一年以內的運行歷史數(shù)據(jù)供查閱。
根據(jù)系統(tǒng)操作權限設計，操作員等級權限只能對系統(tǒng)設備進行監(jiān)視、控制調節(jié)和參數(shù)設置，而只有工程師權限才允許安裝、修改或測試各種應用軟件，保證了系統(tǒng)日常運行中的穩(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)整個監(jiān)控系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)功能模塊結構如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)功能模塊結構
1、工藝流程畫面
根據(jù)泵站設備的實際布置位置，建立泵站運行工藝總圖，準確顯示水位、各水泵運行狀態(tài)以及閘門位置狀態(tài)等設備信息。
2、事件順序記錄
根據(jù)開關信號及設備故障等信息的發(fā)生時間，監(jiān)控系統(tǒng)將及時記錄事件或事故的發(fā)生地點及時間，方便進行查詢。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，并對開關量信號輸入有相應的信號過濾程序，以防止抖動信號的多次輸入。
3、配電系統(tǒng)圖
系統(tǒng)配電圖負責實時顯示各項電力參數(shù)，例如泵站配電柜的狀態(tài)、電力測量參數(shù)等。
4、報警處理
監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)視生產過程、設備狀態(tài)及運行參數(shù)變化的能力， 并能對超時超限等報警進行相應的安全處理。能自動診斷出泵站運行過程中的異常狀態(tài)，以及現(xiàn)場控制設備或通信系統(tǒng)產生的故障并發(fā)生的報警信號， 當過程檢測或運轉設備出現(xiàn)越限或故障時，工藝流程圖上相應的圖例將閃爍紅燈并以報警聲響加以提示�？赏ㄟ^鍵盤或觸摸屏解除報警聲響，故障消除之后，狀態(tài)顏色恢復正常。對于已確認的報警應標記報警發(fā)生時標，并存入報警數(shù)據(jù)庫。
5、趨勢記錄
監(jiān)控系統(tǒng)具有實時趨勢和歷史趨勢圖查詢功能，記錄長時間內的雨量及水位變化曲線，方便泵站管理需求。
四、結語
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)，提高泵站運行效率，實現(xiàn)泵站設備可用率高，長期穩(wěn)定和自動化運行。最后設計了監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互平臺，實現(xiàn)了關鍵設備的實時監(jiān)控。
作者：王浩清 陶佳麗 王致杰 呂金都 黃麒元 單位：上海電氣自動化設計研究所有限公司
