基于PLC 的離心泵站自動監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計＊

張強，陳肖，張開勇

（1.江蘇財經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安 223001；2.江蘇嵐江科技有限公司，江蘇南京 210000）

根據(jù)“十四五”期間推進智慧水利建設(shè)實施方案[1]，按照“需求牽引、應(yīng)用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，中國水利系統(tǒng)正在向數(shù)字化方向變革，而水利信息中的水情監(jiān)測、引調(diào)水監(jiān)測、排灌監(jiān)測等數(shù)據(jù)均源于各大小水利泵站。泵站工程作為水利系統(tǒng)中取水、送水的重要基礎(chǔ)設(shè)施，主要負責(zé)區(qū)域的農(nóng)田灌溉、防洪排澇和日常生活供水等關(guān)系民生的重要任務(wù)[2]。泵站可選水泵種類眾多，而離心泵因具有流量范圍大、壓力平穩(wěn)、波動小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點被廣泛應(yīng)用[3]。傳統(tǒng)的離心泵站站內(nèi)設(shè)備主要由3～5 臺離心泵、電動機、高壓開關(guān)柜、閥門、儀表、管路及管路附件等組成，而控制方法為基于繼電控制方法的手動控制，泵組內(nèi)配置的真空表、壓力表、溫度表等機械表均需要人工讀取，如遇故障或突發(fā)情況，需由泵站電話聯(lián)系匯報，并手動記錄檔案，在故障發(fā)生之后，無法及時采集泵房現(xiàn)場的運行數(shù)據(jù)[4]。基于上述問題，設(shè)計一種自動化的監(jiān)控系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)泵站系統(tǒng)的安全、可靠、高穩(wěn)定性運行，并在最大程度上實現(xiàn)無人值守。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能分析

泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是對離心泵、電動機、水閘、閥控設(shè)備、傳感設(shè)備、泵組輔助設(shè)備、供電設(shè)備等關(guān)鍵組成部分的數(shù)據(jù)進行獲取、傳輸、顯示；能通過控制信號及邏輯指令實現(xiàn)對泵站設(shè)備的遠程控制、自動化運行，并將系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的故障匯總報表。通過分析，離心泵站性能及功能需求主要包括監(jiān)測功能、控制功能、保護功能、報警功能、存檔功能、報表功能、管理功能、聯(lián)網(wǎng)功能等，下面基于工程情況，參閱資料對控制系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)制定如下。

1.1.1 實現(xiàn)控制方式多樣化

應(yīng)能滿足多樣控制需求，控制方式至少包括手動、半自動和自動3 種。手動模式下需要操作人員手動點觸按鈕，打開、關(guān)閉閥門或電機，多用于設(shè)備檢修或者裝配試車等狀態(tài)。此種方式下，監(jiān)控主站仍然可以顯示各項數(shù)據(jù)，但是無法執(zhí)行主站啟停命令。手動模式具有最高的優(yōu)先控制權(quán)限，這種設(shè)定能夠保障整個系統(tǒng)在存在控制信號端故障時泵組仍能正常運行。半自動模式是為方便司機操作的人性化設(shè)計，在各項參數(shù)檢測正常、各項安全報警程序正常的前提下，由操作人員將監(jiān)控分站的模式旋鈕撥至半自動處，在監(jiān)控主站可以直接控制離心泵的啟停、進水門的開閉、灌泵方式的選擇等。自動模式下泵組系統(tǒng)可以在無人值守情況下自動運行，是一種控制器依據(jù)相關(guān)程序通過水位、水量、設(shè)定時間等信息自行開關(guān)水泵的控制模式。

1.1.2 實現(xiàn)泵站系統(tǒng)設(shè)備的電氣化和智能化

完成對泵站系統(tǒng)的技術(shù)改造和設(shè)備更新，加裝邏輯控制模塊、傳感器檢測模塊、水路電控閥門，使用多組合控制方式，實現(xiàn)泵站電氣化與智能化，減輕工作人員的操作負擔(dān)，使監(jiān)控、輸水工作過程更加簡單、直觀。

1.1.3 實現(xiàn)參數(shù)信息的量化

監(jiān)控主站以及上位機系統(tǒng)應(yīng)滿足對泵組運行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，包括水位、軸溫、水泵機組電參量、閥控設(shè)備運行狀態(tài)、各水泵運行狀態(tài)等量化顯示的功能，在故障分析以及對泵組效率、工況分析中具有重要的參考價值。

1.1.4 完善故障報警與保護策略[5-6]

壓力保護：主要包括真空度和正壓值兩部分。離心泵必須在充滿水的前提下才能正常啟動，否則水泵轉(zhuǎn)動時將無法吸水，形成“干燒”，嚴重影響水泵的使用壽命，工程上采取檢測泵內(nèi)壁真空值的方式，判定到達條件后才能啟泵，這是保障開泵安全的重要措施。在水泵打開后，為防止發(fā)生水錘和增加離心泵運行負荷，不能直接打開閘閥，需要設(shè)置正壓保護，即出水口處壓力值達到出水管內(nèi)水平，才能開啟閘閥。

時限保護：在灌注環(huán)節(jié)，需要有時間限制來判斷是否因設(shè)備密封性不好而遲遲抽不滿水。而且，密封性問題一直以來都是水泵以及管路的主要問題之一，不容忽視。此外，各類閥門在啟停時也需要設(shè)置時限，以排除設(shè)備故障。

電流保護：離心泵在啟動時，瞬時電流會很大，但數(shù)秒之后便會維持在一定水平。如果運行時電流過小，電機干燒，應(yīng)立即執(zhí)行關(guān)閉動作；如果電流過大，則會對線路造成損害。

溫度保護：離心泵長時間運行時，軸端溫度會升高。因此在溫度達到一定值時，設(shè)置報警，提示操作員停泵或換泵。

流量保護：在水泵運行時，水管內(nèi)水流量過小說明離心泵未在正常工作狀態(tài)，離心泵在該狀態(tài)長期運行，始終處于憋壓的狀態(tài)，會導(dǎo)致離心泵振動過大、汽蝕加劇、壽命減短。

水位保護：系統(tǒng)監(jiān)測到進水池水位異常時，可以報警提示。

在監(jiān)測到故障后，系統(tǒng)應(yīng)能夠自動執(zhí)行停泵或報警操作，在監(jiān)控分站故障燈閃爍、監(jiān)控主站顯示屏上顯示并記錄報表。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)工程技術(shù)指標(biāo)和以上分析，設(shè)計的離心泵站控制系統(tǒng)應(yīng)由監(jiān)控分站、監(jiān)控主站以及上位機組成，其中監(jiān)控分站和主站均安裝在泵站，上位機安裝在指揮調(diào)度管理中心。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)控分站在工業(yè)上又稱就地控制柜、現(xiàn)地控制柜。按照每一臺離心泵配置一套監(jiān)控分站的比例，安置在離心泵一側(cè)。

監(jiān)控主站安置在泵站內(nèi)監(jiān)控室，分站采集的各項數(shù)據(jù)通過通信模塊均傳輸至主站，控制程序的調(diào)試與運行均在主站進行。

上位機設(shè)置在遠端的指揮調(diào)度管理中心，配備工業(yè)電視系統(tǒng)和工控機，主站數(shù)據(jù)由光纖通信傳輸至上位機，并顯示在工業(yè)電視系統(tǒng)上。工作人員在集控室可以實時監(jiān)控離心泵組運行狀況，并及時打印、記錄各時段數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)包括控制柜、電纜、傳感器、各類閥門等設(shè)備。眾多PLC 里，由于S7-300 系列PLC 具有模塊化結(jié)構(gòu)、易于分布式配置、性價比高等優(yōu)點，控制柜的主控制器便選用西門子S7-300 系列PLC。在設(shè)計控制系統(tǒng)時，需考慮留足裕量備用點，便于系統(tǒng)擴展與維護。

監(jiān)控分站的硬件設(shè)計主要如下：①運行模式切換。通過在分站控制柜上的三位旋鈕可自由切換其對應(yīng)泵組的運行模式，設(shè)置手動、自動、半自動3 種，考慮系統(tǒng)在操作過程中的安全穩(wěn)定性，手動模式的優(yōu)先級最高。②閥門控制。針對每一臺離心泵組對應(yīng)的控制灌注水方式的球閥、控制上排管路通斷的閘閥的控制信號以及判斷閥控設(shè)備開關(guān)到位的返回值信號，配置相應(yīng)I/O 點。③LED 顯示。為了防止因設(shè)備故障導(dǎo)致泵組運行在非正常狀態(tài)，需分別在3 臺球閥開關(guān)到位、閘閥開關(guān)到位、真空泵運行、電機合閘、電機分閘等項上設(shè)置信號返回回路，并通過雙色LED 指示燈顯示運行狀態(tài)。④按鍵控制。采用點觸式按鈕以及二位、三位旋鈕的方式，實現(xiàn)對球閥、閘閥、離心泵、真空泵等進行控制。⑤模擬量采集。按照采集位置的不同可分為2 個部分。一是壓力、真空值、液位、流量等管路參數(shù)；二是水泵前軸溫、水泵后軸溫、電機前軸溫、電機后軸溫、電機定子溫等溫度參數(shù)。⑥通信。監(jiān)控分站數(shù)字量采集模塊采用ET200 分布式I/O 模塊，通過DP 總線的方式完成和監(jiān)控主站CPU 的通信，在高防開關(guān)與主站之間通過RS-485 通信完成電參量的采集，模擬量采集模塊選用捷通科技公司的DDMF 系列，為8 通道模擬量采集模塊，模擬量分辨率為12 bit，與PROFIBUS 總線系統(tǒng)完全兼容。分站硬件結(jié)構(gòu)具體如圖2 所示。

圖2 分站硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)控主站的硬件設(shè)計如下：①數(shù)據(jù)集中。監(jiān)控分站采集的泵組運行數(shù)據(jù)信息經(jīng)總線統(tǒng)一上傳到監(jiān)控主站，監(jiān)控主站通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)與顯示屏連接，泵組數(shù)據(jù)除在本站顯示外，還由主站發(fā)出，經(jīng)光電交換機轉(zhuǎn)換為光纖信號后傳遞至遠程監(jiān)控調(diào)度指揮中心。②人機交互。監(jiān)控主站配置顯示屏，通過MCGS 組態(tài)技術(shù)，將數(shù)據(jù)信息以直觀方式顯示并記錄到顯示器中，并支持觸摸輸入控制命令。③監(jiān)控公共設(shè)備。包括真空泵組、進出水閘門等設(shè)備。主站硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 控制流程

3.1.1 控制方式選擇

控制方式設(shè)定為3 種：手動控制、半自動控制、自動控制。手動控制模式優(yōu)先級最高，該模式下主站指令不會被執(zhí)行，但是主站觸摸屏仍然正常顯示相關(guān)參數(shù)，通過分站對每個對應(yīng)泵組的閥門、泵體進行按鍵啟停操作。半自動控制模式優(yōu)先級僅次于手動控制，可以通過主站進行控制，還可以完成各泵組的一鍵啟動，分站模式選擇開關(guān)需撥至“半自動”擋。在自動控制模式下，不需要人員參與，系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定程序運行。

3.1.2 離心泵組啟停控制

在離心泵開泵命令發(fā)出后，系統(tǒng)先判斷進水閘是否打開、是否存在故障未解決或復(fù)位，自檢無誤后進入啟泵階段。首先打開真空泵完成灌注工作，在檢測泵內(nèi)負壓達到條件后開啟離心泵，待出水口水壓滿足開閘閥條件后，開啟閘閥，同時關(guān)閉真空泵組，完成送水。在關(guān)停泵時需要先將閘閥關(guān)閉，最后停泵，為避免誤操作對送水造成影響，關(guān)泵指令發(fā)出后，系統(tǒng)會根據(jù)進水池水位判斷是否需要繼續(xù)輸送水，并在判定需要時報警提示。統(tǒng)計各泵啟停次數(shù)以便操作人員了解水泵啟停頻率耗損情況、定時維護，設(shè)置統(tǒng)計次數(shù)，完成后自動復(fù)位。

3.1.3 自動化運行設(shè)計

泵組自動化運行的執(zhí)行依據(jù)主要是進水池水位和涌水量，按實時水位信息對水位高、中、低三限位來判定是否開泵，按短時間內(nèi)水情增量來判定是否增開泵。為防止在低水位、高涌水情況下的頻繁啟泵，需要中水位的限制。水位可以反映當(dāng)前水量多少，達到高水位時調(diào)用啟泵程序，低于低水位時調(diào)用停泵程序；預(yù)測涌水量則可以反映水量變化的快慢，當(dāng)涌水過快時，即使未達到高水位也應(yīng)采取緊急措施，提前開泵。

3.2 組態(tài)界面設(shè)計

上位機不僅要能夠滿足對泵組系統(tǒng)的實時監(jiān)控功能，還需要對泵站內(nèi)各項數(shù)據(jù)進行整合、存儲，方便工作人員查找。基于此，上位機設(shè)計結(jié)構(gòu)包括畫面設(shè)計、數(shù)據(jù)管理兩大內(nèi)容。其中，畫面設(shè)計包括系統(tǒng)主界面設(shè)計、泵組監(jiān)控動畫設(shè)計、報警動畫設(shè)計、運行曲線界面設(shè)計、登錄端口與菜單欄系統(tǒng)設(shè)置等若干部分；數(shù)據(jù)管理包括報警數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)等。

4 結(jié)束語

在水利泵站系統(tǒng)信息化、智能化程度不斷提高的時代背景下，對離心泵站進行的自動化監(jiān)控系統(tǒng)改建符合時代特征，有利于提高泵站的管理水平和現(xiàn)代化發(fā)展水平。在系統(tǒng)投入運行后，可以根據(jù)水位信息、泵站自排流量、抽排水量等數(shù)據(jù)信息，為泵站節(jié)能建設(shè)、多級泵站聯(lián)動運行等方向的研究與開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。此外，該系統(tǒng)的應(yīng)用還能夠提高工人的科學(xué)素養(yǎng)，在改善工作環(huán)境、降低工作強度的同時，也為建設(shè)現(xiàn)代化泵站體系提供寶貴經(jīng)驗。