基于大中型PLC的排水泵站控制系統的設計與平臺搭建

楊明仁

摘 要：本文主要以西門子S7-300系列大中型的PLC為中央控制器，以PLC程序及算法設計為核心，介紹了基于排水泵站控制系統的設計與平臺搭建的過程?；谖鏖T子大中型PLC的排水泵站控制系統主要由硬件系統和軟件系統兩大部分組成。通過PLC硬件設計與制作、外部設備改造、PLC程序設計與運行調試、上位系統平臺搭建、網絡通信等步驟，從而完成了對排水泵站自動化控制系統的設計與平臺搭建，本文將詳細闡述這些內容。

關鍵詞：排水泵站;PLC;自動控制;水泵自動調度;液位采集

1 前言

工業發展進入“萬物互聯”的工業4.0時代，隨著信息技術與工業技術的高度融合，市政排水泵站的自動化與遠程化智能運維調度和集中管理是保障城市排水系統正常運轉，城市健康發展，市民正常生活的重要手段。

現階段排水泵站常用的控制系統有現場級控制、中央級控制兩種控制模式，其中，現場級控制多采繼電接觸器控制系統，然而繼電接觸器控制系統線路復雜，故障率高，不支持遠程聯網通信，運維管理困難，須人工操作，現場值守;中央級控制大部分采用PLC控制系統，少部分采用DCS系統，通過中央級控制系統，能實現對排水泵站的數據采集，現場數據上傳遠程監控中心，通過遠程運維管理和智能調度，從而實現泵站的無人或少人值守。

因此，在排水泵站信息化、智能化過程中，PLC（可編程邏輯控制器 Program Logic Control）以其高可靠性、高穩定性等特點，得到廣泛應用，從而使排水泵站由傳統的“單站點模式”發展為“全程聯網”的遠程智慧排水方式，成為市政排水行業的新型管理模式和技術指標。

2 排水泵站控制系統硬件搭建

2.1 系統的輸入與輸出分析

此次排水泵站控制系統設計與平臺搭建項目所選取的排水泵站內共有4臺潛水泵、1臺格柵除污機、1臺輸送機、1道閘門，通過對信號類型進行分析可知，排水泵站控制系統中共有38個輸入信號和11個輸出信號，具體分析過程如下所述：

因此，排水泵站控制系統中共有40個輸入信號、11個輸出信號、4個模擬量輸入信、1個RS485通訊接口、1個RJ45通訊接口。

2.2 可編程邏輯控制器PLC選型

根據輸入/輸出信號類型，可選擇西門子S7-200PLC搭建項目，但該項目為節約成本，使用拆舊的西門子S7-300PLC，該套PLC具備預留空間，可支持后續設備新增和擴展，其硬件組態方法如圖1所示。

2.3 可編程控制器PLC I/O地址分配

根據排水泵站控制系統中的輸入與輸出信號的種類（見表1），對PLC的I/O端口地址進行分配。

2.4 可編程控制器PLC接線和網絡通信

通過使用S7 TCP和MPI協議，對系統的網絡拓撲進行設計，以保障現場數據不丟包，穩定上傳至遠程監控中心，同時，該項目使用博途V14 作為開發環境，在博途V14項目中，對PLC系統的網絡拓撲進行組態。

3 系統程序設計

排水泵站的PLC控制程序設計采用模塊化設計思想，根據泵站所實現的功能，將整個控制系統劃分成以下幾個模塊。即主程序、液位采集程序、設備運行時間計算程序、設備開停機時鐘計算程序、設備運行次數計算程序、設備（水泵、格柵機、輸送機、閘門）控制程序、網絡心跳包監測程序、實時流量與抽排量計算程序。根據排水泵站的運行工藝流程，PLC程序設計如下文所述。

3.1 集水池液位采集程序

液位采集程序段的功能是實現對集水池當前實際液位的采集，并于上位系統上進行遠程監視。本段程序使用FC塊，根據公式：測量值=量程×AI通道值/27648，進行液位的計算和采集。

3.2 設備運行時間計算程序

設備運行時間計算程序段的功能是計算排水泵站內的各類設備的運行時間，并于上位系統上進行遠程監視，從而指導設備管理或維修工作。程序可通過利用S7-300PLC的系統資源，如定時器、計數器，M寄存器，DB塊等，當PLC收到設備反饋的運行信號時，利用時鐘60進制計數的原理，計算設備當前的運行時間，累計運行時間，存儲該數據，并為水泵自動調度過程做好準備。

3.3 設備開停機時鐘計算程序

設備開停機時鐘計算程序通過讀取PLC系統時鐘來保存每一次設備開啟或停機時的日期、時間，該數據為泵站運行管理者提供設備運行的有力依據。

3.4 設備運行次數計算程序

該程序計算設備的運行次數，存儲于PLC系統中，并在上位軟件系統中進行遠程監視。

3.5 流量與抽排量計算程序

該程序計算泵站運行的實時流量、累計抽排量等數據，存儲于PLC系統中，并在上位軟件系統中進行遠程監視，以便于運行管理人員對泵站進行調度或數據統計、分析。

3.6 網絡心跳包監測程序

網絡心跳包監測程序的功能是對PLC運行過程中，PLC主站與PLC從站，PLC與上位系統或遠程監控中心的網絡通訊的監測，當發生網絡或通訊中斷時，及時以預警的方式上報給值班人員。

3.7 設備控制程序

設備控制程序實現水泵、格柵除污機、輸送機、壓榨機的手動/自動運行調度。

3.8 主程序

主程序的功能是調用以上各子程序模塊，在主程序模塊中按照“液位采集→設備開停機時鐘計算與獲取→設備運行時間計算→設備控制→流量與抽排量計算→網絡通訊處理”的步驟開始主程序的執行，使各個子程序模塊相互協調工作，從而構建完整的排水泵站PLC控制系統。

該項目使用西門子Portal TIA（博途）V14 開發，項目已竣工驗收，投入正常運轉，由于篇幅限制，若讀者須博途V14項目工程，可發郵件至2467324667@qq.com獲取，此處不在詳細解疑程序設計的細節。