胡錫春（無錫市排水有限公司，江蘇 無錫 214000）

李小凱（總裝工程兵科研一所，江蘇 無錫 214035）

基于PLC的無人泵站全自動控制系統(tǒng)

胡錫春（無錫市排水有限公司，江蘇 無錫 214000）

李小凱（總裝工程兵科研一所，江蘇 無錫 214035）

泵站自動控制在工業(yè)自動化控制領域中相對比較簡單,但在工程實際應用中無人值守泵站全自動控制卻由于種種原因,在穩(wěn)定性、功能性上存在一定的問題。本文結(jié)合實踐給出一種無人泵站全自動控制方案,其控制模式多樣化,具有智能保護、短信通知等功能,不但降低了巡檢人員工作強度,而且能確保巡檢人員及時發(fā)現(xiàn)泵站故障情況。

無人泵站；全自動控制；短信通知；泵站智能保護

1 引言

無論是城市污水處理廠還是自來水廠，在其管網(wǎng)上都分布著許多的泵站。隨著社會的發(fā)展，人工成本逐年上升，現(xiàn)在越來越多的泵站改為無人值守方式運行。目前無人值守泵站的自動控制系統(tǒng)有的采用浮球控制泵的啟停，有的采用PLC根據(jù)液位或浮球控制泵組的啟停，但很少泵站自動控制系統(tǒng)能利用泵組臺時、泵組狀態(tài)等綜合分析出泵組的優(yōu)先級，然后再根據(jù)液位設定值、泵組優(yōu)先級選擇啟停泵組，進而形成完整的設備動作記錄和故障短信報警功能。

本文給出的這種無人值守泵站自動控制系統(tǒng)，以多年工程實踐經(jīng)驗為基礎，在增加極少投資的情況下，不但可確保泵站自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行，還可及時發(fā)現(xiàn)故障，進行事故追溯。

2 方案設計

2.1 方案架構(gòu)

本文以無錫市某泵站為例設計。該泵站共有三臺水泵，自動控制系統(tǒng)采用羅克韋爾自動化的PLC作為核心，PLC通過RS485總線與數(shù)據(jù)記錄模塊（Drec）、短信匯報模塊（Sms）連接。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)需采用UPS供電，并且短信匯報模塊本身自帶電池，與UPS形成雙回路冗余供電，確保巡檢人員及時收到故障信息。

泵組常規(guī)監(jiān)控信號（運行、故障、啟動、停止、電流）和液位信號等通過電纜連接至PLC的IO模塊，UPS的狀態(tài)和進線電壓信號也連接至PLC。監(jiān)測進線電壓主要用于泵站跳閘報警。同時PLC預留以太網(wǎng)接口，在需要的情況下可以通過專線或者GPRS連接至控制中心。

數(shù)據(jù)記錄模塊主要通過總線獲得泵站內(nèi)泵組啟停、泵組狀態(tài)、液位信號等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)按照事先約定編碼在SD上以文本形式記錄，在需要時可以直接導出為EXCEL表格。

短信匯報模塊可以設置為兩種觸發(fā)模式：常規(guī)匯報和異常匯報。常規(guī)匯報在每天8:00～18:00將每隔兩個小時以短信方式發(fā)送一次泵站的當前運行狀況；異常匯報在泵站出現(xiàn)故障時（進線跳閘、泵組異常、液位異常等）發(fā)送短信給巡檢人員，便于巡檢人員及時發(fā)現(xiàn)故障，降低故障的影響。

這種設計方案與常規(guī)泵站自動化控制系統(tǒng)相比，僅僅在硬件方面增加了數(shù)據(jù)記錄模塊和短信匯報模塊，對泵站自控系統(tǒng)建設費用的影響可以基本忽略不計。

2.2 控制模式

無人泵站全自動控制系統(tǒng)的控制模式分為調(diào)試模式、液位聯(lián)動模式、定時運行模式、液位自動模式四種。如圖2所示，除調(diào)試模式外另外三種控制模式使用時都自動調(diào)用智能監(jiān)測子程序保護系統(tǒng)安全運行。

圖2 控制模式

在使用中，用戶可以在四種控制模式任意選擇一種，當系統(tǒng)掉電重啟后仍舊進入掉電前選擇的控制模式。這四種控制模式都是通過PLC編程實現(xiàn)。

調(diào)試模式又稱手動模式，以點動方式控制各泵組啟停，主要用于現(xiàn)場測試設備診斷、故障修復時的調(diào)試等。

液位聯(lián)動模式下分別為三臺泵組設置不同的啟停液位。在本方案液位分別設置為（3.40，1.20）、（3.00，1.00）、（2.50，0.80），即1#泵組在液位高于3.40米時啟動，液位低于1.20米時停止。這種模式主要適用于三臺泵組功率不一樣的情況，本次施工泵站的三臺泵組功率都相同，因此這種控制模式保留方便日后將控制程序整體移植到其他泵站。

定時運行模式主要適用于泵站間歇進水或供水的情況下。在這種模式下設置最高警戒液位3.60米和最低警戒液位0.60米。當液位在這個區(qū)間之內(nèi)，泵組將根據(jù)預先設定的時間啟停，比如泵組在6:00～9:00、11:00～15:00、18:00～22:00運行，其余時間停止。在啟動之前PLC將根據(jù)泵組運行臺時、泵組狀態(tài)等綜合分析出泵組的優(yōu)先級，然后啟動優(yōu)先級最高的泵組。運行到指定時間后停止該泵組。當下一次需要啟動之前再次計算優(yōu)先級并選擇優(yōu)先級最高的泵組啟動。當液位超過警戒液位時，泵組按事先設定的保護動作進行啟停，確保泵站設備安全。

液位自動模式需要事先設定三個啟動液位，如本方案中分別設置啟動液位為2.50米、3.00米、3.40米，停止液位0.8米。當液位超過2.50米時啟動優(yōu)先級最高的泵組，啟動失敗后將該泵組優(yōu)先級調(diào)至最低然后重新分析各泵組優(yōu)先級，再啟動優(yōu)先級最高的泵組，直到啟動成功。超過3.0米至啟動優(yōu)先級次高的泵組，啟動失敗后將該泵組優(yōu)先級調(diào)至最低然后重新分析各泵組優(yōu)先級，再啟動優(yōu)先級次高的泵組（此時優(yōu)先級最高的泵組在運行）。液位自動模式是本泵站最常使用的控制模式。

2.3 智能監(jiān)測保護

該系統(tǒng)的智能監(jiān)測保護子程序伴隨著除調(diào)試模式以外的其他幾種控制模式運行，和控制模式一樣也是通過PLC編程實現(xiàn)。

智能監(jiān)測保護主要監(jiān)測以下幾個方面，首先是對進線電壓進行監(jiān)測，當進線缺相或者跳閘時形成報文供數(shù)據(jù)記錄模塊和短信匯報模塊使用；其次監(jiān)測泵組運行狀態(tài)（電流、故障等），當泵組出現(xiàn)異常時（如三相電流不平衡、電流過大或過小等等）自動保護停止該泵組，并重新啟動另外一臺符合條件的泵組，同時形成報文供數(shù)據(jù)記錄模塊和短信匯報模塊使用；另外液位監(jiān)測保護主要是根據(jù)泵組運行情況、浮球狀態(tài)、液位測量信號對泵井液位進行復核，當復核結(jié)果異常時（如正常浮球高信號時液位在3.00米，但液位計測量讀數(shù)已經(jīng)到3.20米浮球高信號仍舊沒有監(jiān)測到或者浮球高信號監(jiān)測到但液位計測量液位才2.8米等等），形成報文供數(shù)據(jù)記錄模塊和短信匯報模塊使用，同時根據(jù)預先設定進行異常保護處理。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 PLC系統(tǒng)編程

PLC系統(tǒng)使用羅克韋爾自動化的RSLogix500軟件編程。RSLogix500是具有結(jié)構(gòu)簡單，條理清晰，功能強大等優(yōu)點。本泵站使用梯形圖進行編程，圖3給出了部分智能監(jiān)測程序。

圖3 PLC程序

在PLC編程時盡量考慮可移植性，同時將系統(tǒng)中控制邏輯等編寫在PLC程序中。如圖3所示當系統(tǒng)觸發(fā)數(shù)據(jù)記錄模塊（B3:200/5置位）時，將需要記錄的數(shù)據(jù)如泵組狀態(tài)等放到一個連續(xù)的存儲空間內(nèi)，并將該連續(xù)存儲空間內(nèi)數(shù)據(jù)一次性寫入給記錄模塊。

3.2 數(shù)據(jù)記錄及短信匯報功能

數(shù)據(jù)記錄和短信匯報功能主要通過使用自主研發(fā)的模塊實現(xiàn)，這兩種模塊使用AVR單片機開發(fā)，具有RS485接口并采用標準的Modbus協(xié)議通信。模塊的硬件設計本文不再講述，這里主要給出其原理及最終導出數(shù)據(jù)報表格式。

數(shù)據(jù)記錄主要根據(jù)PLC內(nèi)的觸發(fā)條件進行數(shù)據(jù)記錄，存儲介質(zhì)采用SD卡，文件類型為TXT文本。數(shù)據(jù)記錄為每天一個文檔并采用編碼方式記錄。編碼方法根據(jù)所需記錄類型不同而變化，其中前兩個數(shù)字表示記錄類型，如設備啟停記錄編碼格式為#【12】#【狀態(tài)】#【液位】#【電流A】#【電流C】#【電流C】#【進線電壓】#【日期】#【控制模式】#【泵組】，狀態(tài)數(shù)據(jù)采用二進制編碼，目前使用其低6位，剩余10為保留。設備啟停記錄的TXT文件內(nèi)容可讀性不強，這主要是因為單片機如果寫入SD卡字符串比較復雜會增加很大的工作量，因而通過編碼方式記錄。用戶可以使用數(shù)據(jù)記錄模塊配套的軟件將記錄的編碼表示成可讀報表，如某條記錄編碼為#12#3#255#36#35#36#392#141229143426#3#1#，通過軟件讀出后為圖4所示紅色圓圈標注部分。

圖4 數(shù)據(jù)記錄導出報表

短信匯報功能主要利用sms短信發(fā)送泵站的情況，可以設置為常規(guī)匯報和異常匯報。常規(guī)匯報主要定時發(fā)送泵站的運行情況，異常匯報為泵站出現(xiàn)異常時發(fā)送短信。短信匯報模塊采用AVR單片機開發(fā)，支持中文短信發(fā)送。

4 小結(jié)

雖然泵站自動控制相對比較簡單，但目前很多泵站的自動控制系統(tǒng)并不完善，究其原因主要有以下幾個方面：首先自動化控制技術人員不但需要掌握編程技術還需要具有工作經(jīng)驗；其次目前許多自動化工程公司追求工程的快速而不注重人員的培養(yǎng)。本文給出的方案控制模式比較全，且具有很好的移植型（PLC編寫程序時按照五臺泵組編寫）。而且一旦泵站出現(xiàn)故障將及時短信通知巡檢人員，巡檢人員到現(xiàn)場通過讀取記錄的數(shù)據(jù)能快速分析最近泵站運行情況，追溯故障發(fā)生前的狀態(tài)。

[1] 羅克韋爾自動化. RSLogix 500快速入門手冊[Z]. 2006.

[2] 羅克韋爾自動化. MicroLogix 1400可編程控制器指令集參考手冊[Z]. 2010.

[3] 張勵. 泵站自動化系統(tǒng)中常見故障現(xiàn)象及處理方法[J]. 電氣技術. 2013, 11.

[4] 王文達. 淺談我國泵站的自動化發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 科技創(chuàng)新與應用. 2013. 7.

Automatic Control System for Unattended Pumping Station Based on PLC

Although pumping station automatic control in the field of industrial automation is relatively simple, in the practical applications, the guard -free pumping station control exist some problems in functionality and stability because of various reasons. This paper proposed an unmanned station full automatic control scheme by considering the practical applications. The control mode is diversified with intelligent protections, SMS notification and other functions. It not only reduces the work strength of inspection personnel, but also enables the inspection staff to find the fault situation of pumping station.

No pumping station; Automatic control; SMS notification; Pump intelligent protection

B

1003-0492(2015)06-0086-03

TP273

胡錫春（1981-）,男，江西泰和人，工程師，本科，主要研究方向為污水處理廠設備、自控管理。