基于PLC的遠程水泵控制系統的設計與開發

蔣寶春

（渤海大學，遼寧 錦州121000）

0 引言

眾所周知，水是生命之源，水泵作為日常供水的主要生產工具，在社會生活的各個領域都有著很高的使用度。如何提高水泵的工作效率，尤其是在國家關于建設節約型社會的大力提倡下，借助新科技，新技術實現水泵日常管理的自動化，是一個擺在科研工作者面前的一個重要課題。只有實現水泵的遠程控制才能降低不必要資源的浪費水平，從而節省相應的人力、物力和財力。和其它相對比較發達的國家相比，我國的水泵管理和控制，特別是水泵的遠程管理和控制還有著很大的發展空間。在一些發展比較落后的城市和地區，水泵的日常管理和維護，多數還是通過人工的方式來完成的，自動化的管理水平和水泵的有效利用率都處在一個比較低的發展階段。所以，如何提高水泵的遠程自動化控制水平是水泵生產使用者亟需解決的一個問題。

PLC是一種目前應用比較廣泛的自動化控制裝置。早在20世紀的50年代，這一技術在英美等工業技術比較發達的國家得到了大規模的推廣和應用。隨著計算機網絡技術的日新月異。PLC的發展也在模擬運算、數字運算、人際互動、網絡監控等方面取得了很大的進步。特別是在上個世紀的末期，隨著PLC技術發展的不斷成熟，這一時期，可編程邏輯控制器的發展特點是更加適應于現代工業的需要。隨著計算機技術的不斷發展，其在生產、生活等諸多領域得到了極大地推廣和應用。特別是，由于PLC技術所具備的自動化管理水平以及較強的人機兼容水平，在各個生產領域，該技術得到了很好地推廣和使用，比如交通運輸、生產加工，礦山開采、食品加工等等。本文從PLC的基本概念和我國的水泵控制管理現狀入手，設計和開發了一套基于PLC的遠程水泵控制系統。

1 PLC的基本概念

PLC是可編程邏輯控制器的英文縮寫，它是計算機信息技術發展和繼電器等常規的控制裝置進行完美結合的結果。這一技術早在20世紀的70年代在信息技術發展比較發達的國家和地區產生并得到了大規模的推廣和使用。尤其是在計算機科學技術水平的發展的今天，PLC在款型種類等方面也日趨完備，人們可以根據自己的生產控制需要來選擇不同的PLC機型。無論是體積比較大的大型PLC,還是精巧細致，便攜式的小型PLC都具有各種特殊的功能來滿足使用者的不同需求。例如，在現在使用比較普遍的PLC機型中，特意增設了人機對話的界面，便于實現用戶的操作和使用，也可以通過通信連接實現可編程控制器與其它控制元件的匹配和對接。所以，PLC的推廣和使用條件日益成熟。

伴隨著更多計算機技術在PLC的植入，PLC的工作性能包括其系統的安全性、穩定性、可靠性和自動化的管理和升級水平都有了很大的提高和改善。作為一種自動化的工業控制裝置，PLC已經成為諸多工業領域的主要控制設備，這種自動化的控制裝置通過對預期實現的控制效果進行相關程序的編寫與設定，與傳統的繼電器控制裝置相比，有著比較高的自動化控制水平和實時的處理能力，是一種比較理想的工業化控制裝置，具有很高的推廣和使用價值。基于PLC的控制系統可以實現現場運行數據的實時采集和快速集中，獲得現場監控數據，為遠程故障診斷技術提供了物質基礎；通過遠程監控，技術人員無須親臨現場或惡劣的環境就可以監視并控制生產系統和現場設備的運行狀態及各種參數，使受過專業訓練的人員虛擬地出現在許多監控地點，方便地利用本地豐富的軟硬件資源對遠程對象進行高級過程控制，以維護設備的正常運營，從而減少值守工作人員，最終實現遠端的無人或少人值守，達到減員增效的目的。

2 我國的水泵管理和控制現狀

中國是一個人口大國，也是一個用水大國。水泵的日常管理和維護水平直接影響著居民生活和社會生產的和諧與穩定。但從目前的管理水平來看，我國大部分地區，對于日常的水泵的維護和管理還停留在過往的“重效率，輕效益”的工作模式和狀態中。為了實現對水資源的充分調度，降低在供水過程中，不必要的資源的浪費，很多地區的水泵管理呈現集中化管理態勢。這種管理模式確實在控制能耗和提高資源利用率方面發揮了巨大的作用。但是，隨著工農業用水量的不斷增加，勢必會加大水泵的日常工作壓力，尤其是水泵維護人員的勞動量也越來越艱巨。同時，我們要看到，在集中化管理模式的引導下，很多泵站采取了“化多為簡”的水泵安裝思路。換句話說，用幾臺功率較大的水泵來替代以往數量較多，但功率較低的水泵。這樣以來，水泵則成為能源消耗大戶。根據國家最新的能源使用調查顯示：水泵在日常的工業耗電領域中占有很大一份比重，據不完全統計，工業生產過程中，每產生10度電的能耗其中有1度是由水泵的工作而產生的。

所以，隨著我國環境資源的日益緊張，缺水是目前很多地區發展的一大瓶頸。與此同時，由于水泵的日常管理需要大量的人力，而人力資源的用工成本也越來越高，很多供水企業通過削減人員數量的方式來實現降低用工成本的問題，為未來的水泵的日常維護埋下了很多安全隱患。以污水泵站為例，其日常運行及維護按照傳統的管理方式需要很大的工作量，目前國內很多企業仍然采用人工巡查的辦法，具有工作量大、效率低、反應慢的特點，所以，借鑒西方比較發達的遠程水泵控制系統，具有很重要的現實意義。這種遠程控制系統，不僅可以實現不在現場的遠程自動化的水泵控制。更可以，通過對相關數據的采集和分析來合理調度水泵的有效使用率，避免水泵資源的浪費，有助于我國節能社會的建立和實現可持續的發展。

3 基于PLC的遠程水泵控制系統的設計

遠程控制系統并不是一個新鮮的概念，雖然在學術界關于它的界定還眾多紛紜。但是一些有關遠程控制系統的內涵元素還是得到業界普遍共識的。例如，遠程控制系統是在計算機網絡技術的支持下，通過相關控制程序的預先設定，來實現對工業生產或加工的一種遠程的操作和控制技術。這種技術對操作系統的穩定性有著較高的要求。所以，在本文的基于PLC的遠程水泵控制系統的設計中，對于可編程控制器的選擇以及相關指令的輸入和設定是實現水泵遠程控制的重要一環。

3.1 選擇匹配遠程水泵控制系統的PLC

可編程控制器在整個水泵的遠程控制系統中，扮演者非常重要的角色。目前在PLC市場中主要有兩種樣式，按照結構形式的不同，可以把其歸納為整體式PLC和模塊式PLC.在加工或控制要求不高的領域，一般采用的是整體式PLC，這種可編程控制器的價格相對來說比較低，但體積較小，本身的靈活性較差。相比較而言，模塊式PLC的功能比較全面，能夠滿足不同層次的控制和管理要求。

我們從水泵遠程控制的實際需求出發，在多方面的參考和比對下，最終采用了目前技術條件比較成熟的韓國三星公司生產的一款可編程控制器，這一款PLC比較匹配我國當前的水泵的技術水平和特點。這一款可編程的控制器的技術參數比較匹配本文所設計的遠程水泵控制系統。它包含30個點數，其中包括18個數據輸入點，12個數據輸出點，以及1個RS-232通訊/編程口，一個RS-485通訊/編程口。在該可編程控制器中，韓國三星公司特意編寫了相關編程軟件方便我們在日常系統使用過程中，進行必要的連接和調試，操作性比較強。

3.2 選擇匹配遠程水泵控制器的文本顯示器

在實現對可編程控制器的編程和使用過程中，選擇一款性能良好的編程終端有著非常重要的意義。一款性能良好的文本顯示器可以有效的提高整體系統的操作水平，該文本顯示器應該具備比較強的穩定性，特別是抗干擾能力要強，除此之外，這一文本顯示器的可操作性以及交互性都應該在一個比較理想的水平。本文在設計基于PLC的遠程水泵控制系統時，借鑒同行業的研究成果和指導建議，最終采用了由德國西門子公司研發的一款文本顯示器。這一款文本顯示器的市場美譽度比較高，藍色底屏設計，人機交互能力比較強。更主要的是它的兼容能力比較強，可以和市場中大多數的PLC進行對接和連線監控，價格也相對來說處于中等水平，機身的設計，顯示器的通訊性能和畫面的優質程度都比較令人滿意，可以說是一款性價比比較高的文本顯示器。

3.3 基于PLC的遠程水泵控制系統的設計

在基于PLC的遠程水泵控制系統的設計中，我們采用的是系統設計領域中比較盛行的分層設計法。根據遠程水泵的實際控制需要，我們把該水泵控制系統分為三層。

首先，設計現場控制層。在這一控制層中，發揮主要控制作用的可編程控制器。在啟用可編程控制器以前，我們會根據事先調查的相關有效數據進行編程數據的掃描和輸入。具體來說，在水泵的遠程控制系統中，首先將相關檢測指令進行輸入掃描，在這個過程中，編程控制器會按掃描方式讀入該可編程控制器所有端子上的輸入信號，并將這些輸入信號存入輸入映像區。在本工作周期的執行和輸出過程中，輸入映像區內的內容不會隨實際信號的變化而變化。

在相關的指令編寫過程中，PLC的控制系統首先會對預先輸入的數據和信息進行掃描。這種掃描的順序是按照上下左右的順序來完成。掃描指令要求用戶編寫要符合程序的語言編寫要求，一般是默認用戶以梯形圖的方式來完成的指令的編寫。在完成對水泵日常使用的具體指令之后，PLC會根據系統的要求，來自主實現其內部的邏輯數字運算，通過對結果的分析來實現對相關指令的調整和優化。最后，在指令編寫完成后，該系統會將相關指令傳達到相關的數據輸出端口。在輸出端口，編程控制器的相關指令會轉化為具體的水泵的操作。

其次，在基于PLC的水泵遠程控制系統中，要設計一套中央控制層，來實現對整個水泵遠程控制系統的監控和操作控制。這一中央控制系統和上文所述的現場控制層要獨立分開來運作，來實現功能實現的抗干擾性和獨利性。具體來說，在這一層系統之中，要建立專門的水泵運行管理樞紐，這其中包括專業的工控機服務器來負責相關整體數據的采集和分析。通過遠程數據的傳輸系統來實現對現場操作層的監管和指導，必要時完成對水樣、水量、水泵工作相關數據的分析和備份，實現對水泵運行的宏觀監控。同時，為了實現水泵遠程控制系統的順利執行相關操作，現場控制層有一定的自主決定權。也就是說一旦由于通訊故障而引起的數據傳輸的錯誤時，現場控制層可以進行獨立操作來實現水泵日常工作的有效運行。

最后，設計物理執行層。在這一層主要是實現遠程水泵控制系統對各個具體機器的監控和操作。具體來說，在現場控制層根據預先設定好的操作指令，根據各監控信息和數據的掃描制定相應的執行命令來實現對水泵的遠程控制，其中包括水泵工作的開啟與停止，工作時間和工作周期的調整以及水泵工作功率的設計與調整等等。和傳統的以人工進行現場操控的方式相比，在可靠的數據傳輸的保障下，各種指令都可以通過計算機的自動化管理來實現。例如，在以往的水泵維護過程中，各個水泵工作站一般需要安排專人來值守，每天對水泵的工作狀況進行現場的監管，所有的水泵的操作都是值守人員在上級水泵管理的指示下，通過人工來完成。所有的數據和信息的交互效率比較低，一旦出現故障或事故，很難在第一時間實現對水泵設備的有效操作，更談不上對相關數據的整理與分析。基于PLC的水泵遠程控制系統可以有效的規避這一點。通過在物理執行層中相關物理數據的設定，在遠程控制系統操作過程中，如果水泵的日常工作出現異常的變化，遠程控制系統會自動對其數據進行跟蹤和掃描，根據故障的分類來進行不同的預案來處理，在處理過程中還會實現對有關數據的上傳與存儲，便于系統維護性能的提高與升級。

通過上述三層的設計，我們在一些水泵工作企業進行了嘗試性的使用，發現在水泵的日常維護方面，基于PLC的水泵遠程控制系統的工作狀態比較理想。但由于水泵自身所存在的技術問題影響了整個系統指令的順利實施，但總體上來看，基于PLC的遠程控制系統還有很大的推廣價值。

4 結語

基于PLC的水泵遠程控制系統在設計完成后通過在一些水泵使用比較密集的生產企業進行投入運行，取得了非常好的效果，極大的提高了水泵的自動化生產水平，改善了水泵的使用效果，降低了用工成本。與此同時，由于該遠程控制系統具有操作簡單、可靠性高、使用壽命長、節能高效等優點，在未來的企業中具有極大的推廣價值。水泵作為一種重要的供水工具，關系著社會生活的方方面面。大力推行技術革新，提高水泵的日常工作效率和節能效益具有很大的社會、經濟和生態效益。PLC作為一種先進的自動化的控制裝置具有很大的推廣價值。在本文設計的基于PLC的遠程控制系統中，水泵的日常維護和管理水平有了很大的提高。一方面，通過遠程控制可以在綜合數據分析的基礎上，實現水泵工作效率的提高，保證其產能的正常運行。另一方面，由于遠程控制系統的存在，在第一線的水泵的日常管理中，節省了大量的人力、物力和財力為水泵企業的發展減輕了經濟負擔，增加了發展的活力。隨著，PLC技術的不斷推廣和成熟，特別是在互聯網技術的支持下，未來有可能實現更大地區的遠程控制系統對水泵的日常的維護與管理。

［1］吳亦鋒.可編程序控制器原理與應用速成[M].福建科學技術出版社,2004.

［2］李世平，等，編著.PC計算機測控技術及應用[M].西安電子科技大學出版社,2003.

［3］陳宇.可編程控制技巧[M].廣州:華南理工大學出版社，2000.

［4］郭宗仁.可編程控制器及其通信網絡技術[M].北京：人民郵電出版社，1999.