基于PLC的防洪泵站監控系統設計

胡能文，張立輝

(吉林建筑大學，吉林 長春 130119)

0 引言

中國大部分地區常年受到季風氣候的影響，導致了長時間的降水，有些城市處于低洼地區很容易發生洪澇災害，若不及時排除，容易造成斷電等危害。防洪泵站的水泵電機以前是半機械、半人工控制，排澇工作的開展受工作人員的影響較大，存在洪水阻擋工作人員操作、洪水期工作人員的工作強度過大、集中管理困難等問題，比較難滿足現代機械化的控制要求。泵站的安全運行直接關系到防洪工作的進行，因此建設防洪泵站監控系統顯得尤為重要。

1 系統整體設計

1.1 防洪泵站系統設計原則

系統的設計不但要滿足具體需要，還要根據實際情況考慮設備故障、電路老化的影響，主要遵循可靠性、靈活性、先進性以及實時性原則。

可靠性：簡化系統結構，避免環節出錯，使中控系統的穩定性與真實性有所提升。

先進性：系統所使用的設備要隨著科學技術的發展采用性價比較高的設備。

靈活性：系統采用模塊化設計，應使得系統有冗余，能用于模塊擴展，從而保持一定的靈活性。

實時性：系統能在不同的環境、不同的干擾情況下實時對設施進行監控和管理。

1.2 防洪泵站工作原理與需求設計

城市的內河或者下水道等低洼處通過水泵與管道相連，當防洪泵站進行排水工作時，液位傳感器所輸出的4～20 mA傳輸到PLC中的SM331模塊轉換成0～27648數值，在經過PLC中FC105模塊得出所測的液位，根據模糊控制程序使得對應水泵電機進行動作，洪水由水泵抽入管道通往外河，從而使得內澇消除。當管道內水壓過大時，開啟冗余管道進行泄壓。電機損壞時切換冗余的電機保證排澇工作能正常進行。系統需求如圖1所示。

圖1 系統設計需求

2 控制系統的硬件設計

根據防洪泵站現實需要，本系統采用西門子S7-300PLC作為核心控制元件，由諸多傳感器、電機、按鈕、指示燈、PLC觸摸屏、模擬量采集模塊等組成。

2.1 PLC硬件選型

中央處理單元：本文所選用的系統中央處理器為CPU315-2DP，所用的處理器存儲容量相對其他處理器容量較大，適用于區域聯動防洪系統，能夠滿足量大的需求，接口包括以太網接口、PROFIBUS-DP主接口以及從接口。在處理速度方面高于其他型號PLC，且具有較強的擴展能力。其中，機架可以擴展為4個，功能模塊可以擴展為32個。

電源模塊：具體設計過程中，電源包括主要服務于系統運行的能源供給，包括PS307-6A和PS307-12A兩種電能來源必須安全可靠，經過轉化之后又才可使用，形成DC25 V電源，供給CPU運行所需，可以借鑒有關方面的研究成果，使用雙回路、雙電源供電，應對一些突發情況，保證系統正常運行。

I/O擴展模塊：這一模塊是由2個模塊組成，具體為模擬量I/O模塊和數字量I/O模塊，具體為數字量輸入、數字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出。功能發揮過程中，應將自身電路轉換為標準的PLC信號。

2.2 傳感器選型

根據防洪泵站現場采樣需求，必須對主要參數(水泵電機溫度、湖泊的液位)進行實時的監測和傳輸，所以在設計中要選用合適的傳感器對上述的重要參數進行采樣。

液位傳感器：目前液位傳感器有很多，如投入式液位變送器、水位非接觸式電容傳感器、超聲波式液位傳感器等。考慮到投入式液位傳感器比較簡單和使用普遍，本系統選用昆山川培儀表的投入式液位變送器。

溫度傳感器：考慮到測的是電機內部溫度，本系統選用的溫度傳感器是聯測儀表的引線式溫度傳感器，此傳感器安裝方便、尺寸小巧，引出線進行了鍍銀，具有防腐功能，可以廣泛應用于各種測溫的場合。

3 水位模糊控制程序設計

防洪泵站水泵電機的優化運行是在保障排水工作正常進行的情況下，利用編程優化水泵電機的開啟數量，從而達到防洪泵站經濟運行的目的。模糊控制是采用編程控制規則，再根據操作人員的經驗，對被控對象模型進行模糊化，使得干擾和參數的變化影響縮小。洪水的水位變化是一個非線性的變化，模糊控制對此作為動態特性模糊的對象非常適用，所以本文采用模糊控制的方式，根據不同的洪水水位和水位變化率使用不同的規則對防洪泵站電機的開啟數量進行優化。

本文使用MATLAB進行模糊控制器程序設計，再結合S7-300PLC進行水泵電機優化控制。在MATLAB的命令窗口輸入fuzzy指令打開模糊控制器。 根據所需添加2個input窗口和1個output窗口，并分別將輸入量名稱改為洪水水位和洪水水位變化率，輸出改為電機開啟臺數。依次完成洪水水位和洪水水位變化率的模糊化，并設定好規則。模糊控制規則如圖2所示。

圖2 模糊控制規則

在解模糊時使用的是最大隸屬度函數法進行計算，例如在洪水水位到達2.82 m、湖泊液位上漲速率為0.035時根據計算得出輸出數字為4.24，此時對應規則開啟4臺水泵電機。模糊控制輸出界面如圖3所示。

圖3 模糊控制輸出界面

對水泵電機控制的過程為：液位傳感器將采集到的水位數據傳送至S7-300PLC中，在模糊控制程序中對所傳送上來的水位和水位變化率數據進行模糊決策，水泵電機控制程序在收到模糊控制程序決策時，對應開啟不同水泵電機臺數。水泵電機控制流程圖如圖4所示。

圖4 水泵電機控制流程圖

4 監控界面設計

在防洪泵站監控系統中需要對不同的數據進行監控并且進行管理，對于防洪泵站的信息要全面地展示出，在監控界面上要顯示出各組電機的運行狀況、湖泊的液位等信息。電機的運行狀況以不同的顏色指示燈表示，綠色代表正常運行，紅色代表斷線或者出現故障。當水位超過一定限額，同時水位變化率超過一定數值，洪水預警燈將閃爍報警。防洪泵站監控界面如圖5所示。

在防洪泵站的監控系統中，建立一個良好的數據庫是很重要的，數據庫所包含的功能應有數據的查詢、數據的儲存、數據的處理。數據的查詢能提供各個電機以往的運行狀態、故障發生的時間、湖泊液位等常用信息。數據的儲存就是要將所收集到的數據進行儲存方便讓人查詢。數據的處理是將收集到的信息進行管理，將以往的信息通過表格或者柱狀圖清晰地展示給用戶。防洪泵站數據庫程序如圖6所示。

圖5 防洪泵站監控界面

圖6 防洪泵站數據庫程序

5 結語

防洪泵站是城市基礎建設的重要組成成分，基于PLC防洪泵站監控系統的設計在一定程度上保證了防洪泵站運行的可靠性。防洪泵站監控系統選用西門子PLC-300作為核心，利用模糊控制在不同洪水水位情況下對水泵電機工作臺數進行優化，并利用LabVIEW作為上位機實現了防洪泵站遠程監控、數據庫歷史數據查詢等功能。通過對本文防洪泵站監控系統實驗驗證，該監控系統經濟性好、可靠程度高，具有較高的實用價值。