一體化泵站PLC自控系統的設計與實現

周保安

（上海琸源水生態環境工程有限公司，上海 200003）

1 工程背景與概況

近年來，山西壽陽縣對白馬河、東梁河、石門河等進行了河道整治，這些工程的完成大大減小了縣城洪水隱患，對改善城市環境、優化居民生活空間起到了重要作用。但部分河段仍然存在著防洪達標不足、水質污染、濱水環境不佳、配套設施不完善等問題，隨著壽陽縣現代化進程的加快，需對縣城河道進行系統、全面的梳理和綜合整治。2021年初，壽陽縣住房和城鄉建設管理局實施了石門河水環境提升項目工程。工程整治石門河總長度約2.2km，主要內容為河道防洪達標建設、調蓄水系統建設、生態修復工程建設、濱水空間提升、智慧水務管理及調度工程5大部分，其中調蓄水系統建設包括新建分級蓄水建筑物，新建引水一體化泵站和管道，一體化泵站使用PLC自動控制系統。一體化泵站規模為520m3/h，采用潛污泵3臺，兩用一備，單臺泵參數為Q=260m3/h，H=16m，N=30kW。

一體化泵站是一種集潛水泵、泵站設備、除污格柵設備、控制系統及遠程監控系統的產品，主體由GRP井筒、水泵、管道、閥門、傳感器、控制系統等部件組成。一體化預制泵站施工速度快、質量可靠、使用方便、維修簡便、成本低、占地面積小，對周邊環境影響小。一體化泵站可比傳統泵站造價至少節省20%［1］，一體化泵站工程為交鑰匙工程。

2 一體化泵站設置PLC自控系統的必要性

目前，一體化泵站PLC自控系統已成功運用在石門河水環境提升運營項目中，此自控系統實現了除污格柵、潛水泵、電動閥等設備的自動化控制運行，實時采集記錄設備運行狀態和儀表監測數據，同時管理者通過手機APP、網頁Web等方式進行遠程查看和管理，實現一體化泵站的智慧運營管理。項目實施后，一體化泵站實現了無人值守、運行安全穩定、管理效率提升、縮減運行成本，尤其在一體化泵站補水方面，PLC自控系統真正實現了快速、準確的優勢，從根本上解決了人工操作不及時、不準確的弊端。一體化泵站PLC控制系統具有的反應速度快、安全性強、操作方便、功能完善［2］優點，顯著提高設備生產運行效率和安全性，達到設計要求，實現了石門河一體化引水泵站工程的實際應用需求。

3 一體化泵站PLC自控系統設計

3.1 一體化泵站控制系統的組成

泵站控制系統的主控模塊由主控制器模塊、液位檢測模塊、人機交互模塊、遠程控制模塊構成。其中，主控制器模塊主要工作是采集處理水泵運行過程中相關信號和數據，液位檢測模塊主要工作是檢測實時液位信號和轉換，人機交互模塊用于顯示水泵運行狀況和系統相關參數的設置，遠程控制模塊方便人員進行網絡遠端控制和獲得數據。泵站控制系統工作流程如圖1。

圖1 工作流程

4個主控模塊的工作原理與方式如下：

（1）主控制器模塊。主控制器模塊收集I/O模塊上報的現場數據，根據組態的控制方案完成對現場設備的控制。本模塊選擇西門子PLCS7-200系列做為主控制器，使用CPU224型做為主機模塊。該模塊控制點數為14點輸入、10點輸出，配有一個RS-485通訊/編程口，具備PPI通訊、MPI通訊及自有方式通訊能力，具有結構緊湊、可靠性高、組成靈活、操作方便、傳輸快等優點，其各項基本參數、性能均能滿足泵站控制系統的要求，可實現圖1所示的工作流程。

（2）液位檢測模塊。液位檢測模塊的核心部件是液位監測傳感器，負責監控測量液位、反饋處理信號。本工程采用靜壓式液位傳感器，監控測量補水湖面和筒內液位高度，將信號傳到控制單元。靜壓測量原理如下，當液位傳感器投入到被測液體中某一深度時，傳感器迎液面受到的壓力公式為：P=ρgH+P0，式中：P為變送器迎液面所受壓力，ρ為被測液體密度，g為當地重力加速度，P0為液面上大氣壓，H為變送器投入液體的深度。通過導氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓P0與傳感器的負壓腔相連，以抵消傳感器背面的P0，使傳感器測得壓力為ρgH，此時通過測取壓力就可以得出液位深度。

在調試階段，通過人機界面上的觸摸屏設定補水湖面液位、筒體內的啟動液位，運行時PLC控制器不斷監視筒體內和補水湖面液位的水位傳感器信號，并于設定值相比較，當水位低于湖面保證液位且高于筒體內啟動液位時，啟動兩臺水泵運行，如果其中一臺水泵發生故障時，啟動備用水泵。當補水湖面液位超過設定值時水泵停機，等待下一個工作循環。系統水位控制原理如圖2。

圖2 系統水位控制原理

（3）人機交互模塊。人機交互模塊主要用于泵站狀況的監控、顯示，表示為聯系人與機器的人機交互界面，實時反映水泵系統各種狀態下主要技術參數變化情況，便于巡視人員及時掌握水泵、動力源等主要設備運行狀況。模塊擬采用具備功能完善、操作簡便、可視性好、可維護性強等突出特點的MCGS組態軟件系統（通用版），后與CPU224相連接，并通過驅動構件添加PPI通訊協議，形成MCGS與執行PLC的驅動通訊構件。之后根據實際情況，進行控制系統的設備與子設備基本參數設置，建立數據變量，繪制出人機交互界面，實現泵站各種運行狀況實時監控顯示。除設置有觸摸屏顯示外，控制箱面板上還設有所控每臺設備設置開/停按鈕、自動/手動轉換開關、開停及故障指示燈。人機操作界面如圖3。

圖3 人機操作界面

（4）遠程控制模塊。遠程自控由配套控制箱接受廠區自動控制系統遠程控制信號實現自動控制。如4圖4所示，一體化泵站系統控制柜自帶Ethernet有線通信端口，可通過交換機等網絡設備接入互聯網，在偏遠無人、無有線網絡的區域，可以選配GPRS模塊將引水提升系統接入無線網絡。聯網之后，操作者可以通過在智能手機上安裝專門開發的一款手機APP，或電腦上安裝相應的監控程序，登錄后可從遠處獲得一體化泵站系統的運行數據，設定參數甚至控制系統的啟停。遠程控制原理如圖4。

圖4 遠程控制原理

3.2 一體化泵站PLC自控系統設計

（1）軟件系統設計。軟件系統采用西門子S7-200的編程軟件step7microwin設計，操作方式主要使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表這3種來進行［3］，水泵自控系統的梯形圖如圖5。PLC進行數據采集、上位機通信、執行下發指令和自動控制水泵運行。系統上位機功能由MCGS軟件編程完成，既可以實現操作人員對水泵安裝高度，出水高度等固定參數進行設置和修正，掌握筒內液位和補水湖面液位高度等關鍵因素，也能夠及時記錄、存儲水泵運行各項參數數據，便于后期管理。

圖5 PLC主程序梯形圖

（2）硬件系統設計。PLC是一體化泵站的核心硬件系統，在選擇具體機型時，需要考慮工程需求、結構特性、施工成本等因素，不需要追求過多的完善功能。在硬件選型的過程當中，①需要確定I/O端口數量，分配I/O端口地址。輸入端子地址分配如表1，輸出端子地址分配如表2。②需要確定和設置涉及的開關值、模擬值、特殊功能和智能模式等。③選擇合適存儲設備，其存儲量大小應根據實際需求，但要預留備用余量，在選擇存儲余量時，一般可按實際需要的25%考慮。

表1 輸入端子地址分配表

表2 輸出端子地址分配表

4 結語

隨著城市化進程的加快，使得城市水環境治理項目越來越多，對水環境治理的效率與效果等提出了更高的要求，而PLC自動控制系統結合了最先進的自動化技術等［4］，實現了對水環境治理信息的及時采集與存儲，達到了水環境治理的高效率，促進了可持續發展。