基于PLC的城市排澇泵站監控系統設計

摘 要：基于PLC的監控系統廣泛應用于城市排澇泵站中。文章以浙江某泵站工程為例，介紹設計其監控系統的經驗，著重闡述了監控系統的設計理念、系統結構構成、系統主要功能和設備工作要求，并在此基礎上提出了自己的經驗。

關鍵詞：PLC；監控系統；排澇泵站

引言

近年來，各大城市都不同程度的出現內澇、洪水等災害性天氣，加強城市防洪排澇系統建設成為各地政府多年來基礎設施建設領域的重要工作，其中城市防洪排澇泵站就是防洪排澇系統的重要一環。如何提高防洪排澇泵站的運行效率，減少運行設備故障，降低運行維護成本成為水利工作者的重要使命。隨著工業自動化技術的發展，基于PLC監控系統更廣泛的應用于城市防洪泵站中，一定程度上較好的解決了以上問題。文章以浙江某泵站為例，介紹了一種泵站監控系統的設計。

1 工程概述

該泵站工程樞紐主要由一座30m3/s單向泵站和兩座節制閘組成。共裝設主泵3臺，配套電動機額定電壓10kV，功率280kW。泵站供電電源電壓等級為10kV，設站變一臺，10/0.4kV，315kVA。監控對象包括3臺單向主泵、8孔節制閘閘門啟閉設備（螺桿啟閉機）、6臺工作閘門啟閉設備（液壓啟閉機）、清污設備（3臺回轉式清污機，1臺皮帶傳輸機）、排水系統（2臺滲漏排水泵、2臺檢修排水泵）、技術供水系統（2臺循環供水泵、2臺冷卻供水泵、2臺自動濾水器）、消防供水系統（2臺消防供水泵）、10kV高壓開關柜微機保護裝置、站用變微機保護裝置、直流系統設備等。

2 系統結構設計

該泵站工程采用以計算機監控系統為基礎，以必要、簡單的常規監控作為輔助和備用監控手段的監控方式。通常情況下，設備的運行監視和控制在中控室的主計算機上進行，同時中控室設有能實現在緊急情況下停機、跳閘操作的按鈕。各PLC通過人機聯系終端液晶觸摸屏實現對所監控設備進行監視和控制。各系統的現地控制柜上還設有必要簡單的信號、控制開關以及操作按鈕，以實現設備的現地監控。

計算機監控系統擬采用分層分布式結構，由主控級和現地控制單元級組成。主控級設備由兩臺互為備用的操作員工作站和必要的外圍設備組成，布置在控制樓的控制室內，并配置有通信計算機，以便實現遠方監控。現地控制單元級布置在設備現地，配置如下：泵房內3臺主泵各設一臺PLC現地控制柜，泵站公用部分設一臺PLC控制柜，在水泵和集水井排水泵旁設現地控制箱。現地單元控制級以可編程控制器PLC為控制核心，實現閘門開度、水位、限位開關、水泵及其輔助設備運行參數、狀態等的采集和處理功能，接收主控級和現地命令，進行閘門啟閉、水泵及其輔助設備開停控制，以及對所控設備進行故障監測等功能，同時將有關信息實時上送主控級計算機。

3 設備選型及功能要求

3.1 主控級設備及功能要求

樞紐主控級由布置于兩臺監控主機（NEMATRON工控機），一臺通信計算機（NEMATRON工控機），100M工業以太網交換機（N-TRON）和UPS等組成。為了保證系統的正常運行，2臺監控主計算機互為熱備用，當監控主計算機出現故障時，備用計算機將自動接管主操作站的所有工作，實現監控主計算機所有功能。

兩臺主機同時供運行值班人員使用，具有數據計算和處理，數據庫管理，在線及離線計算功能，各圖表、曲線的生成，事故、故障信號的分析處理、圖形顯示、數據報表打印、全樞紐運行監視和控制功能、發操作控制命令、作定值切換、設定與變更工作方式以及語音報警等功能。全樞紐所有的操作控制都可以通過鼠標器及鍵盤而實現；通過顯示器可以對全廠的生產、設備運行作實時監視，并取得所需的各種信息，并易于開發人員進行應用程序的開發和修改。

3.2 現控級設備及功能要求

現地控制單元選用AB公司compactlogix系列PLC，該系列PLC均帶有自檢功能，在故障時自動報警，以保證系統的安全可靠。該系列PLC有多種通訊方式可選，本工程中選用了專用RS485通訊模塊，該模塊支持MODBUS RTU規約。

3.2.1 機組現地控制單元。每臺機組配置1面機組PLC控制柜，布置在泵房現地，用于機組的數據采集、處理和開停機控制。機組PLC控制柜通過專用RS485通訊模塊，采用MODBUS RTU通訊協議完成與機組開關柜的多功能儀表的通訊。水泵、電機的各種自動化元件如壓力變送器、溫度傳感器、電磁閥、示流信號器等經現地端子箱轉接后引入機組PLC的I/O模塊。在控制柜上設置硬布線的緊急停機按鈕，以便在機組PLC故障的緊急情況下使用。

3.2.2 公用設備現地控制單元。樞紐設置1面公用設備PLC控制柜，用于全部公用設備的監控，包括技術供水系統、消防供水泵、滲漏排水泵、檢修排水泵、清污機及皮帶機、10kV及400V開關設備等。公用設備PLC通過Modbus方式與供配電系統保護測控裝置、直流電源裝置、智能測量儀表、UPS的通訊。將繼電保護系統的重要節點信號，以硬節點方式接入公用PLC，以確保部分網絡出現故障時，重要信號仍能通過公用PLC上傳至主控單元。同時，在技術供水系統、消防供水泵、滲漏排水泵、檢修排水泵、清污機及皮帶機設置現地控制箱，以實現硬接線方式啟停，并允許遠控、運行、故障、電源狀態等信號以無源空接點方式送給公用PLC。

3.2.3 液壓系統現地控制單元。樞紐3臺機組出水流道的6扇事故閘門和6扇拍門共用一套液壓系統，設置1面PLC控制柜。工作門液壓系統設置2臺30kW油泵（一主一備），采用軟起動器一拖二起動。軟啟動器具有MODBUS通信接口與PLC實現通信。控制柜上設有觸摸屏，可直接通過觸摸屏對液壓系統進行監視和操作。每扇閘門采用2只液壓油缸啟閉，PLC可實時監測2只液壓油缸的行程并進行同步控制。同步控制方式為根據兩油缸行程差控制比例調速電磁閥進行糾偏。

3.2.4 節制閘現地控制單元。節制閘室現地設置兩套節制閘PLC柜，分別控制4臺螺桿式啟閉機，共控制8臺螺桿式啟閉機。PLC對開啟程度、啟停等進行控制。

4 主要功能及特點

4.1 主要功能

4.1.1 主控級功能。主控級設備在中控室內，主控級負責協調和管理各現地控制單元的工作；收集有關信息并作相應處理和存儲；對被控對象進行安全監視和控制；完成系統自診斷及對外的通信聯絡、軟件開發等等。監控主機是全站集中監視和控制的人機接口，可實現實時圖形顯示、報警和事件的發布、各種報表顯示和打印、系統自診斷信息顯示等。

4.1.2 現地控制單元功能。各現地控制單元分別采集、處理和顯示各機組、公用設備及閘門液壓系統的電氣量和非電氣量，并根據需要實時上送主控級；可對狀變、越限、運行過程、PLC的異常等進行監視；對機組的開/停、開關的分/合、各公用輔助設備的投/退、電磁閥的啟/停等進行控制；具有自診斷功能并可完成與主控級和現場設備的通訊等。

4.2 系統特點

（1）大量采用網絡通訊技術，盡量采用同一廠家、同一系列的數字化主、輔機控制保護裝置為網絡通訊的順利實施奠定了堅實的基礎，避免了各種不同型號、不同系列的PLC和測保單元使用各種不同的規約，不需增加規約轉換的硬件和軟件接口，從而提高了通訊的可靠性和實時性，為網絡通訊的順利實施奠定了堅實的基礎。（2）每個設備之間均互相獨立，局部故障不至于影響整體網絡工作。并且，每個接入設備都具有特定的功能，以實現功能獨立分布和就地分布。（3）采用工業級交換機，采取了較商業交換機更為嚴格的防靜電、防電磁干擾、防震動等措施，更適應工控場合惡劣工作環境和條件，平均無故障時間不小于17萬小時。（4）由于泵站地處多雷地區，系統采取多項措施以提高系統防雷擊、抗干擾的能力，例如：電源防雷，UPS的AC380V電源進線、PLC的AC220V電源兩側均設置電源電涌保護器；網絡防雷，現地控制單元與下層設備之間的通訊網絡配置網絡信號電涌保護器；模擬量信號防雷，如進、出水池水位信號和欄污柵前、后水位信號（4～20mA），視頻信號等設置模擬量信號防雷器；光電隔離和電氣隔離，PLC的輸入模塊采用光電隔離技術，輸出信號通過光電隔離輸出模塊經中間繼電器電氣隔離后再到現場設備。

5 結束語

本工程中，通過監控系統設計，泵站泵組的自動運行嚴格按照計算機監控程序執行，在泵組及輔助系統的控制柜PLC中均有設備故障的顯示，在控制室的計算機內也可以了解到各設備的運行情況。監控系統的應用，使得能夠確保泵站安全可靠地運行，同時提高了運行維護的效率，降低了運行維護的成本。

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