施工降排水自動控制的技術改進

【摘要】傳統的降排水設備多采用繼電器實現集水井水位控制，方法簡單，但控制能力有限。本文介紹對傳統降排水設備輔助系統進行改造，通過輔以可編程控制器PLC和計算機組成的控制系統實現自動化水位控制的方法。本方法構造簡單、成本較低，可以靈活設置控制條件及實現遠程控制，適用于不同的工程環境。

【關鍵詞】自動化；繼電器；可編程控制器；串行通信

1.引言

降排水是常見的工程措施，其目的是通過降低地下水位或排除基坑積水，滿足工程施工需要或保證工程安全運用。根據工程所在地的地下水源、土壤滲透能力、降水深度、周邊環境等的不同，可以采用不同形式的降水方案，如輕型井點降水、深井井點降水等。對于一些需要長期排水且排水量較大的工程，如水電站、泵站、電梯井等，采用人工管理或半自動化操作的排水方法，不僅耗費大量人力和財力，其管理難度也較大。實現降排水操作自動化是工程管理現代化水平的重要標志之一，通過采用集水井集水、利用自動控制排水設備精確控制水位，既能按預定方案方便準確控制排水，也能節省大量的人力，對工程的安全施工和安全經濟運行起著非常重要的作用。

降排水設備自動化目標包括以下內容：

（1）按照設定方案實現水泵的自動開啟和停機；

（2）根據來水量的大小，自動增減開泵數量；

（3）顯示水泵當前工作狀態，當當前工作水泵出現故障時，自動啟動另一臺工作；

（4）實現遠程操作。

2.用繼電器實現集水井水位的自動控制

2.1 水位監測方式

水位監測就是使用監測設備反映水位的變化，即反映來水量，是實現自動化控制的關鍵部件。監測的準確性、安全性直接決定整個系統的功能實現程度。傳統的水位監測設備有兩種：

（1）浮子式水位計

采用“浮筒——重錘式”機械位移帶動水銀接點的裝置觸發水泵的啟動或停止。

（2）電極式水位計

主要由水位電極、水位繼電器、交流接觸器、中間繼電器、盤面指示燈、沖擊繼電器、電鈴等組成。工作原理是：水位繼電器將交流220V降壓整流成直流50V電源接到水位電極的兩極，當水將電極浸沒時，電極導通，水位繼電器動作，接通水泵交流接觸器控制回路，水泵運轉抽水；當水位降落到返回電極以下時，返回水位繼電器失電復歸，切斷水泵交流接觸器控制回路，停止水泵。

2.2 基本控制電路

傳統的集水井排水裝置控制系統一般都是采用大量的中間繼電器和部分時間繼電器來實現其基本要求的。

采用繼電器實現自動排水的排水裝置[1]之一如圖1所示。

本自動控制裝置由M1、M2兩臺水泵及切換開關（SH1、SH2）以及磁力啟動器（QC1、QC2）、電極式水位信號器、繼電器（KM1、KM2）等組成。M1為工作泵，M2為備用泵。控制方式有自動、備用、和手動三種。其工作原理是：

當切換開關轉到“自動”位置時，“自動”觸點均合上。當集水井水位上升到工作泵啟動水位時，中間繼電器KM1啟動，其觸點KM11閉合并自保持，KM12閉合，QC1勵磁，1號水泵電動機M1啟動；

當來水量較大，水位繼續上升到超高水位后，當切換開關轉到“備用”位置，中間繼電器KM2啟動，其觸點KM21閉合并自保持，KM22閉合，QC2勵磁，2號水泵電動機M2啟動；

當集水井水位下降至水泵停止水位時，KM1、KM2失磁，電動機M1、M2停止運轉。

當水位再次上升時，又重復上述操作過程，從而使集水井的水位自動維持在規定的范圍內。

2.3 存在的主要問題

該控制系統能實現水電站排水泵控制的基本要求，但存在著幾個比較典型的問題：

（1）水位監測設備問題：

浮子式水位監測方式設備簡單，但容易受井內漂浮物或其他異物的影響，導致浮子不能自由運動，從而影響整個系統的正常運行。另外，水位繼電器控制回路由于是放在集水井中的小鋼管中，所以對其維護和檢修都極其不方便。

電極式水位計克服了浮子式的缺點，但仍有以下問題：

①水位電極一直帶電，所以集水井也是帶電的，安全性不高；

②水位電極在水中會發生電解化學反應，腐蝕電極和導線，造成誤動或不動；

③水位繼電器內部接點容量不足，接點粘連時有發生，造成泵機不停，或頻繁啟動水泵。

（2）控制系統方面的問題：

控制系統存在以下四方面的問題：

①采用這種控制方式要用大量的各種繼電器。在頻繁動作情況下系統壽命較短，造成系統故障，系統的可靠性差；

②報警系統由信號燈和沖擊繼電器組成，因為離中控室較遠，信號不容易被發現；

③中間繼電器使用380V電源，與現在采用弱電控制的發展趨勢不符，也不安全；

④系統結構復雜，維護工作量較大。

3.基于繼電器集水井排水控制系統的自動化改造

3.1 水位監測系統的改造

鑒于浮子式及電極式水位監測設備的缺點，可采用集成式傳感器，例如進口的森納士（SENEX）壓力工具有限公司生產的型號為DS1300-QS潛水性壓力傳感器。該傳感器防潮、防滲漏，堅固不腐蝕；高穩定性、高靈敏度，抗干擾能力強，且電源與周圍環境絕緣，絕緣大于1000MΩ；體積小、接線簡單，只需要接兩根線（兩線制傳感器），導線采用耐腐蝕電纜，非常適合集水井這個惡劣環境。

3.2 控制系統的改造

控制系統的改造是針對繼電器控制電路而進行的，通過引入PLC及計算機，實現排水系統的自動化及遠程操作。

4.基于PLC和計算機的集水井水位自動控制

4.1 PLC的基本結構、工作原理和特點

可編程序控制器PLC（Programmable Logical Controller）是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計，（下轉第86頁）（上接第84頁）它采用可編程序存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作命令，并通過數字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。

PLC采用了典型的計算機結構，主要有CPU、存儲器（EPROM、RAM）、輸入/輸出模塊、外設I/O接口、通信接口及電源組成。其工作過程就是程序執行過程，它分為三個階段進行：輸入采樣階段，程序執行階段，輸出刷新階段。

PLC具有可靠性高、抗干擾能力強；通用性強、使用方便；使用模塊化結構、系統組合靈活方便；編程語言簡單易學、便于掌握；對生產工藝改變適應性強；安裝簡單、調試方便、維護工作量小等特點。因此，PLC在自動化控制過程中廣泛應用。

4.2 用PLC實現集水井水位的自動控制

利用PLC控制集水井水位的結構框圖如圖2所示：

PLC有五種標準編程語言：梯形圖語言（LD）、指令表語言（IL）、功能模塊語言（FBD）、順序功能流程圖語言（SFC）、結構文化本語言（ST）。

鑒于本系統控制功能較為簡單，多采用指令表進行編程，通過編程實現水位采集時間間隔確定、泵機控制流程等功能。

PLC通過編程就可以完成集水井水位控制，但其控制過程和結果無法實時顯示，人機交互性差，與計算機組成控制系統，可以有效解決這一問題，并實現遠程控制。

4.3 PLC與計算機的通信連接

PLC與計算機通信是PLC通信中最簡單、最直接的一種通信方式，與PLC通信的計算機常稱之為上位計算機。把PLC與計算機連接起來，實現數據通信，可以更有效地發揮各自的優勢，擴大PLC的應用范圍。

PLC與計算機通信，一般不需要專用的通信模塊，而最多只需要一個RS232C或RS422的通信接口即可[2]。

PLC與計算機通信形式可以區分為兩種：并行通信和串行通信。串行通信是以二進制的位為單位的數據傳輸方式，每次只傳送一位，最少只需要兩根線（雙絞線）就可以連接多臺設備，組成控制網絡。串行通信需要的信號線少，適用于距離較遠的場合。在集水井水位自動控制系統中，PLC與計算機的連接采用的是串行通信方式。

4.4 PLC與計算機的通信實現

PLC與計算機的通信，首先就是對PLC的通信格式進行設置。以三菱PLC為例，其特殊數據寄存器D8120[4]就是用于設置通信格式的，具體格式如表1所示。

具體的通信格式為：數據位為8位，無奇偶校驗，一個停止位，波特率9600bit/s，RS-232C接口，有檢驗和，控制協議格式1，PLC站號為0，通信超時時間為100ms。

計算機通信設計語言較多，如Visual Basic、Visual C++等高級語言都可編寫通信程序[3]。其主要功能在于系統管理，例如：顯示系統運行狀態，設置停機、啟動、超高水位等。

5.結語

采用PLC和軟啟動器構成的降排水自動控制系統大大提高了自動化水平：利用PLC的故障自診斷功能，能夠進行故障分析；PLC的串行通信工作方式消除了硬布線繼電器邏輯接線中幾個支路并列造成同時動作的可能性；PLC的遠程通信聯網功能及易與計算機接口的功能，實現了遠程控制，且系統可靠、維護方便，保證了工程的安全運行與管理；自動控制系統減少了運行維護人員的工作量，便于管理。

參考文獻

[1]劉忠源，徐睦書合編.水電站自動化（第三版）[M].北京：中國水利水電出版社，1998.

[2]郁漢琪，盛黨紅，鄧東華，鄭建永合編.電氣控制與可編程序控制器應用技術[M].南京：東南大學出版社，2003.

[3]寥常初主編.FX系列PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

[4]三菱公司編.三菱FX系列可編程序控制器編程手冊[S].2001.

作者簡介：黃世猛，男，工程師，主要從事水文情報預報及水文信息化等研究工作。