基于PLC的高原寒地浮塢泵站供水自動化系統的設計實現

孫中建

[中圖分類號] TM76

[文獻標志碼]A

[文章編號]2095-6487 （2021） 02-0067-03

Design and Realization of Water Supply Automation System of Floating Dock

Pumping Station in Plateau Cold Region Based on PLC

Sun Zhong-jian

[ Abstract] In recent years， under the encouragement of policy measures such as the large-scale development of the wesrern region and thecountry's increased assisrance to Tibet， Tibet has actwely attracted investment from within and outside the region， and finally "activated" the long-sleeping mines. Tibet's potential huge mineral resource advantages have begun to transfonn into Realistic economic advantage. Many mimng compameshave begun to actively deploy to ease the contradiction between supply and demand in my country's metal industry. However， Tibet is a semi-arid alpineregion with a continental climate， with harsh natural environment， high altitude， thin air， large temperature difference between day and night， and lowminimum temperature. This is a very disadvantageous side. The tailings backwater water supply system of mining enterprises is an important infrastructurefor non-ferrous metal mining enterprises. The completeness of construction and the stability of operation directly affect the stable operation of mineproduction. This paper conducts in-depth research and analysis on the PLC-based design and realization of the water supply automation system of theplateau cold floating dock pumping station， and proposes some reasonable opinions and construction strategies to further improve the stability ofthe watersupply system in the cold plateau area reliabiliry.

[ Keywords] PLC， control concept; cold plateau area; floating dock pump station; water supply automation system

1 基于PLC的寒地浮塢泵站供水自動化系統簡介

基于PLC的高原寒地浮塢泵站供水自動化系統，需要針對所有的控制沒備進行全而的自動化控制系統設計，重新細化進行選型，從而設計一套適用高原地區性的自動化控制系統，且增加安全運行動態檢測工作，保證該系統中的各子系統的穩定性。浮塢泵站供水系統自動化控制土要是通過PLC來控制實現的，通過PLC可編程邏輯控制器，經過內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時以及計算等操作指令，實現對系統中的泵、閥及真空設備的自動化控制，實現泵閥聯動啟動和停止。PLC模塊是整個供水系統的核心，因而PLC的選擇十分重要。

項目位于青藏高原昌都市，用戶環境條件為海拔高度4900m，最低環境溫度-25℃。在海拔1000～5000m之間，每增高100m，氣壓約降低0.8～1 kPa;氣壓降低容易使空氣電離而降低介電強度，同時冷卻效能下降。海拔升高，空氣溫度也會下降，溫度過低，又會使電氣設備內的某些材料變硬變脆。日夜溫差過人，易產生凝露。因而，高原地區的設備選型有其特殊的要求，需要校驗其電氣參數或選用高原型的電氣發備產品。

2 控制系統的軟硬件設計

2.1 浮塢泵站自動化供水系統硬件設計選擇

研究項目選擇德國西門子公司生產SIPLUS S7-300型CPU3 14C作 為 土PLC，SIPLUS S7-300型SM321、SM322、SM331、SM332M輸入輸出模塊、SIPLUS S7-300型PS307電源模塊組成硬件系統。SIPLUS S7-300模塊的擴展溫度范圍從-25 - 70c，允許短時冷凝完全滿足高原的環境條件。

由SIPLUSS7-300模塊組成的微型PLC系統完全滿足中，小規模控制系統的性能要求，各種性能的模塊可以非常好地滿足和適應自動化控制任務，可以十分靈活地組成簡單實用的分布式結構，同時也具有多界而網絡能力。該系統開關量輸入輸出點共128點（輸入96點，輸出32點），模擬量輸入輸出點共32點（輸入16點，輸出8點）。SIPLUS S7-300通過分布式的主機架和3個擴展機架，最多可以配置32個信號模塊、功能模塊和通信處理器。供電電源為24V直流電。硬件系統的結構框圖如圖1所示。

2.2 浮塢泵站自動化供水系統低壓元器件的要求

海拔升高，空氣密度降低，空氣的介電強度也相應下降。PLC控制柜內的開關器件和元件，有兩種選擇方法：①選擇高原型開關器件和元件，按高原型標定的額定參數進行設計。②選用常規開關器件和元件，充分考慮高海拔對常規型產品影響進行設計。受產品供貨劇期和數量的要求，常常選用常規元器件，但目前人部分低壓元器件都是按海拔不高于2000m （1000 m）的使用環境設計的，需要測算高原環境對低壓電器產品的影響，主要體現在對額定電壓（額定工作電壓，短時工頻耐受電壓）的影響。

海拔升高，空氣密度降低，空氣的介電強度也相應下降，使空氣間隔的放電電壓明顯降低，造成不利影響。①導致元器件絕緣強度降低，額定工作電壓下降。②元器件內部不同電位的帶電間隙容易擊穿，額定耐受電壓降低。

在高原地區采用通用低壓元器件，如何確定工作電壓？著名的帕中定律給出了壓力與氣體擊穿電壓的關系：當氣體材料和電氣材料一定時，電氣間隙的擊穿電壓與電氣間隙長度和氣體壓力的乘積有關，即U=f （P 6）曲線。該曲線表明，當電氣間隙一定時，擊穿電壓只與氣壓有關。在人氣條件下，主要應用谷底右側部分，這說明空氣的擊穿電壓與人氣壓成正比。在高海拔地區，以空氣為絕緣的電氣設備的絕緣強度將降低，海拔每升高100m，絕緣強度下降1%。因此對于低壓元器件，在超過2000m海拔使用時，應降低額定電壓使用。

降容系數Ku=l-（△H/100 m）×1%，在海拔5000m時，降容系數Ku=0.7，對于額定電壓為AC690V的低壓斷路器而言，計算降容后的額定電壓為552V，在AC400V的低壓供電系統中是沒有問題。對于額定電壓為AC250V的控制元器件和儀表，例如施耐德的RXM2AB系列中間繼電器，其額定電壓AC250V在海拔5000m降容后，額定電壓為AC，175V，完全不能滿是低壓AC220V的使用要求。因而，在5000m高原環境下，對于控制元器件應選用額定電壓為AC400V以上的元器件，對于儀表的供電應優先選用直流24V供電，這樣運行更可靠。

3 基于PLC的寒地浮塢泵站供水自動化系統設計實現方法分析

浮塢泵站自動化系統采用網絡監控模式，以通信、計算機網絡為基礎結合PLC、繼電器控制、數字化視頻技術等構成。通過自動化監控系統可實現對浮塢泵站機電設備的集中監控，并與相關業務管理單位聯網，實現遠程監控。

整個浮塢泵站自動化系統按功能劃分為泵組峪控子系統，高低壓繼保電氣監控子系統，輸水管路壓力監控子系統，視頻安防子系統。

3.1 浮塢泵站泵組監控子系統的設計實現

浮塢泵站機電設備均采用現地控制，計算機集中控制及遠方控制相結合的方式，計算機集中控制作為系統的正常工作模式，泵站計算機集控系統通過接受上級調度指令，下發控制命令，通過PLC，實現水泵電機，電動蝶閥，真空泵組，真空電磁閥等相關設備的運行控制，采集相關參量及設備運行狀態上傳。系統中的各水泵電機，電動蝶閥，防凍裝置，加熱循環系統設有就地控制箱，現地控制采用繼電器控制原理，不依賴PLC工作。泵組控制流程見圖1。

浮塢泵站自動他供水系統泵組監控子系統主要具有以下兒個功能。

（1）監控中心設有操作員工作站，監測工作站等監控設備。通過網絡下臺，監控中心下發運行指令，實現對浮塢泵站的調水運行管理。①實時工況監測，通過PLC實時采集水位、流量、出水總管壓力、每臺水泵前壓力、輸水管路壓力檢測點、軸承溫度、電機溫度、轉速、頻率以及水泵、電動蝶閥、真空泵等機電設備的運行工況，并將其上傳到監控系統。②實現“現地/PLC/計算機”三級控制方式對水泵、電動蝶閥、真空泵組的運行控制。

（2）數據處理、分析及存儲。對接受各控制單元的實時數據，依據接受的時間順序存入數據庫，生成各種數據庫，供顯示、刷新、打印、檢索使用。形成各類報警查詢記錄，生成各類運行報表，對重要監視量進行分析生成史時趨勢曲線、歷史趨勢曲線圖，對設備的動作或啟停次數和運行時間進行統計處理。按照運行操作人員的管理和要求，自動生成泵組設備運行日志和各種年報表，月報表和日報表，形成各類棒圖、餅圖、曲線圖。

3.2 浮塢泵站高低壓繼保電氣監控子系統的設計實現

PLC提供與智能高，低壓網絡電力儀表，高壓綜合繼電保護器，變壓器溫控儀等的MODBUS-RTU通信接口，與網絡電力儀表，綜合倮護器及溫控儀通過MODBUS RIU進行通信，以實現對浮塢泵站高低壓配電系統進行實時運行監視，PLC通過通信方式實時采集浮塢泵站高低壓配電站運行過程輸入信號，包括模擬量，開關量和脈沖量，經濾波檢出事故故障，狀態變位信號和模擬量參數變化，實時更新數據庫，為監控系統提供運行狀態的數據。電氣監控子系統包括電氣主接線圖、電氣潮流圖、史時數據表格、各種趨勢曲線。

3.3 浮塢泵站輸水管路壓力監控子系統的設計實現

為了實現對輸水管線運行安全管理，在輸水管線5處排氣閥井，2處排空閥井處設立壓力傳感器，實現對輸水壓力的實時監測，保證輸水管線安全。設立7處壓力監控點，通過數據采集傳輸終端采用無線方式將監測數據傳送到監控中心。由于輸水管線壓力監測點設備布置比較分散，西藏地區的太陽能資源比較豐富，采用太陽能供電系統供電是個不錯的選擇。

現場管線的壓力信號通過數據采集終端采集壓力信號，再通過物聯網終端將壓力信號傳輸到物聯網下臺，上位機監控系統通過以太網連接到物聯網下臺，讀取壓力信號。選用的物聯網終端采用4G網絡，直接連接基站，無需布設網絡節點，接入廣域網，有效地降低網絡成本。

3.4 浮塢泵站視頻安防子系統的設計實現

為加強對機電設備，水工建筑物的管理及安全保衛工作，提高運行管理人員分析，判斷的準確性，建立視頻監控系統，實時顯示機電設備的運行工況和周圍環境的圖像。視頻系統主要由高清網絡攝像頭，IP網絡傳輸下臺，視頻集中管理下臺和顯示系統4部分組成。在浮塢泵站泵室設置2臺室內攝像頭，設備間設置2臺室內攝像頭，值班室沒置1臺室內攝像頭，在棧橋設置2臺室內攝像頭，泵船取水口，泵船入口設置2臺室內攝像頭，實時監視機電設備運行工況，泵站安全及出水視頻圖像。

通過網絡數字視頻監控平臺可以來管理，實時瀏覽、存儲、轉發整個系統的視頻圖像。

4 結束語

綜上所述，本文詳細闡述了基于PLC的寒地浮塢泵站供水自動化系統的設計與實現方式，希望可以對我國北方寒冷地區城市供水自動化系統設計起到一定的借鑒作用。

參考文獻

[1]崔學洙.供水泵站電氣控制系統的設計與研究[J】百科論壇電子雜志，2019 （23）：388.

[2]王學林供水泵站電氣控制系統的設計與研究[J]科技風，2019

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