基于羅克韋爾PLC的污水泵站自動控制系統研究與設計

吳茹石，王俊美

（無錫機電高等職業技術學校，江蘇無錫 214028）

0 引言

隨著我國城鎮規模的不斷擴大、城市人口地迅速增長以及經濟地快速發展，導致了城市污水量的迅速增加。傳統的污水泵站一般由各種設備相互獨立構成，值守人員很難準確無誤地操作各個設備，操作失誤的可能性很大。因此原有的污水泵站已經無法滿足無人值守，節能高效等現代自動化系統控制要求。

隨著通信信息技術的高速發展，目前的自動控制系統正逐步轉化為普遍采用PLC控制、HMI人機界面和視頻監控，以工業以太網絡為主的企業信息集成系統。本文以一污水泵站為應用背景，設計了基于羅克韋爾PLC控制、工業以太網通信的污水泵站自動化控制系統。

1 污水泵站工藝流程

城市的生活污水通過污水管網首先流入污水泵站集水池。集水池中分布多臺格柵機用于固體垃圾的過濾。每臺格柵機前后裝有一組啟閉機。啟閉機主要用于切斷水流，方便故障格柵機的維修及維護。格柵機過濾出來的固體垃圾將通過壓榨機輸送到垃圾箱。經過過濾的污水儲存在集水池中，當水位到達設定水位時，控制系統自動啟動排污泵將污水送至下級泵站或者污水處理廠。具體工藝流程如圖1所示。

2 污水泵站的總體設計方案

泵站一般可分為三大部分：（1）主控室——主要包括上位機、PLC柜、配電柜、視頻監控設備及相關保護裝置；（2）高低壓配電室——高壓配電室主要為格柵機、啟閉機、排污泵等設備提供工作電源。低壓配電室為傳感器、儀器儀表、現場控制箱等低壓設備提供工作電源；（3）現場執行設備——主要包括排污泵、格柵機、啟閉機、各個閥門等。

本文主要研究內容包括以下幾點：（1）根據泵站設備分布和用電情況，確定泵站供配電方案。（2）根據泵站流量具有非線性和滯后性的特點，實現集水池水位控制。（3）根據水泵運行情況設計最佳水泵輪換工作方案，實現水泵均衡磨損。

圖1 污水泵站工藝流程

本文設計的污水泵站自動控制系統需要實現的主要功能有：（1）實時監控泵站運行狀況——包括水泵啟停、電壓電流、軸承溫度，格柵機工作狀態，集水池液位，累計排水量，啟閉機閥門的開關位置等監測數據。（2）實時進行設備控制——包括手動控制、自動控制、遠程控制3種控制方式。（3）故障診斷和報警功能——包括水泵自身故障、水泵過載和外部供電故障及集水池液位超警戒水位告警。（4）網絡視頻監控。（5）信息查詢生成報表功能——包括所有監測信息、報警事件和操作信息的查詢、生產報表及打印功能。（6）人機界面友好，便于用戶操作。（7）具有擴展功能。

因此，該污水泵站的自控系統具有較高的可操作性、可靠性和可擴展性。

3 供配電設計

污水處理廠泵站負荷為AC380V/220V低壓負荷，供電電源按照二級負荷配置，2路10 kV電源來自污水處理廠變電站。在泵站高低壓配電室設高壓柜、干式變壓器及低壓負荷中心。低壓負荷中心為泵站內各設備提供低壓電源，采用兩段母線，兩段母線之間設母聯，當一路電源失電后，母聯開關合上，由另一路電源供電，兩路進線之間有連鎖，確保供電的可靠性。低壓配電系統采用TN-S接地形式。

4 自動控制系統硬件設計

4.1 控制系統結構

污水泵站自動控制系統主要由上位機監控系統、PLC控制部分、測量儀表和被控設備組成。根據泵站控制要求和現場設備安裝地點，系統分為控制管理級和泵站現場監控級兩級網絡。第一級（上層）控制管理級在中控室，帶有視頻監控，主要監控整個泵站內格柵機和每臺泵的運行狀態，顯示重要參數和傳遞控制信息。第二級（下層）泵站現場監控級，以PLC作為底層控制中心控制和驅動泵站設備、采集存儲信息，供上層管理級調用?？刂葡到y結構圖如圖2所示。兩級之間通過高速EtherNet實現控制信息和相關數據的傳輸。

圖2 泵站控制系統結構

4.2 系統硬件配置

為保證污水泵站的高可靠性和高穩定性，本文選用羅克韋爾PLC產品。

根據泵站系統控制要求選用Control Logix5000系列PLC，根據系統I/O總點數和系統互聯要求，控制器選用模塊1756-L61；電源模塊選用1756-PA72，220V供電，電流容量為2 A；機架選用提供13槽的1756-A13；機架中插入采集現場數字量信號的DI輸入模塊1756-IB32，采集現場模擬量信號的AI輸入模塊1756-IF16，控制現場設備的數字輸出信號DO輸出模塊1756-OB32；泵站內的信息傳送以及與污水廠之間的通信都通過工業以太網實現，因此選用1756-ENBT以太網組網模塊；同時可在機架內插入一塊MODBUS通信接口模塊MV156-MCM。該模塊可實現PLC控制器與MODBUS現場設備之間的通信，增強PLC通信能力以便完成復雜的控制要求。

5 系統軟件設計

5.1 系統軟件

系統的軟件主要由泵站PLC編程軟件和中控室上位機監控組態軟件組成。PLC編程軟件使用AB公司的Sutdio5000，Sutdio5000除了進行PLC編程，也可以進行觸摸屏編程。上位機使用Factory Talk view SE組態軟件。上位機與PLC建立通訊采用AB公司統一的通訊軟件為RSLinx，RSLinx軟件集成了OPC協議，因此與第三方軟件進行數據交換也非常方便。

根據控制系統需求，具體程序中主要包括格柵機啟停程序、排污泵控制程序、數據處理程序及上位機監控程序。

5.2 格柵機自動控制程序設計

格柵機的啟動控制分為現場和遠程兩種方式?，F場可通過轉化開關就地控制；遠程狀態時可根據需要手動或自動控制。手動方式可通過上位機或觸摸屏進行啟?？刂?。當選擇自動方式時，格柵機將按照PLC程序設定運行，控制流程如圖3所示。

每臺格柵機前后裝有液位差計，當格柵前后水位差達到設定值后，PLC控制格柵機運行，運行時間到自動停止；停止時間到或液位差再次到達設定值，則格柵機再次運行一個周期。運行過程中隨時監控設備情況，如有設備故障情況或者格柵機前后水位達到警戒值，則發出警報，提醒值班人員檢查設備排除故障。

圖3 格柵機自動控制

5.3 排污泵控制程序設計

排污泵的啟停分為本地和遠程兩種方式，遠程控制方式也可分為手動和自動兩種。自動控制模式是通過集水池中的液位計將采集到的水位信號送到PLC，PLC根據程序自動控制排污泵的啟停和報警。全自動控制流程如圖4所示。排污泵控制程序有幾個問題需要考慮：（1）為保證排污泵均衡磨損，應根據每臺泵的累計運行時間設計排污泵輪換工作方案，確定每臺泵機的優先度；（2）從節能和保護設備方面考慮，需要根據泵站電機在不同水位工作時的揚程，流量、功率和效率多方面確定泵站最佳耗能水位。自動控制的最佳方案應該使水位保持在最佳耗能水位。（3）排污泵的運轉臺數根據集水池液位控制需要確定啟動臺數，并根據輪換優先度延時錯開啟動，如遇當前設備故障，則啟動接下優先度設備。

5.4 上位機監控管理

上位機組態軟件是采用AB公司的Factory Talk view SE組態軟件，實現遠程監視控制、報警、日志記錄和等功能。操作人員可方便的設置格柵前、后液位差，排污泵開停的水位值，排污泵運行電流上下限及進線電壓上下限等，以確保泵站可靠運行，并使泵站運行情況一目了然。上位機主窗口操作界面如圖5所示。

6 結語

本文所研究設計的基于羅克韋爾PLC的城市污水泵站自動控制系統通過方案設計、軟件設計及硬件設計等過程，實現了預期的功能。該系統改變了傳統手工操作方式，減少人員使用，降低運營成本，泵站的日常運行也更加安全可靠，本次設計符合實際需要。希望通過本文研究，能將自動控制技術更好地用于完善污水泵站的運行控制，為污水處理產業創造更大的效益。

圖4 排污泵自動控制

圖5 主窗口操作界面示意