歐陽豪強

摘要：隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，大量的農(nóng)村人口在向城市流動。常德雖說是個二線城市，但它也是所有城市現(xiàn)狀的一個縮影。2013年市區(qū)人口為46萬，六年后的今天已經(jīng)增長到62萬。城市人口的增長帶來城市面積的擴大、市政設(shè)施的增加等等。而作為一位排水人，這些年真切感受到排水處的規(guī)模也在擴大，由十年前的幾個排水泵站增加到現(xiàn)在的近40個泵站，歷年的排水量也在直線上升，由2008年的5389萬mi到2018年的2.33億m'。隨著人們著對生存環(huán)境的越來越重視，排水處的職能也由單一的排水轉(zhuǎn)變?yōu)榍缣旖匚?、雨天排漬，并防止城市內(nèi)澇，在這個背景下，以往的工作模式越來越被淘汰，科學(xué)高效的管理城市水資源、實現(xiàn)排水“自動化”越來越迫切地被提上了日程。自動化的好處是可以匯總城市大量分散的排水設(shè)施的運行狀態(tài)以及排水量等指標，通過科學(xué)分析對城市的全局排水有更好的規(guī)劃，并利用傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、PLC自動化控制技術(shù)從全方位角度監(jiān)測城區(qū)排水泵站及其設(shè)施運行狀況，再通過上位機組態(tài)技術(shù)，使用“組態(tài)王”設(shè)計實時監(jiān)控畫面，從而實現(xiàn)對常德市雨水、污水泵站控制系統(tǒng)的改造。

關(guān)鍵詞：PLC;自動化控制技術(shù);傳感器技術(shù);上位機組態(tài);泵站控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP29

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）03-0184-02

0引言

隨著人們著對生存環(huán)境的越來越重視，排水處的職能也由單一的排水轉(zhuǎn)變?yōu)榍缣旖匚邸⒂晏炫艥n，并防止城市內(nèi)澇，在這個背景下，以往的工作模式越來越被淘汰，科學(xué)高效的管理城市水資源、實現(xiàn)排水“自動化”越來越迫切地被提上了日程。

1常德城市排水管理現(xiàn)狀

如果將一個城市比作一個人，那么這個城市的排水系統(tǒng)就相當(dāng)于人的血液循環(huán)系統(tǒng)，其重要性不言而喻。相比于歐美和日本等發(fā)達國家，我國在排水系統(tǒng)方面要落后于他們。相對于全國而言，我們常德和其它中小城市一樣，泵站自動化程度較低或完全沒有自動化，日常運行還是主要依靠人工經(jīng)驗。泵站值班人員沿用傳統(tǒng)紙質(zhì)方式，管理方法系統(tǒng)性不強。遇到暴雨等突發(fā)因素往往不能及時作出調(diào)整，處理突發(fā)情況的能力較低。另外關(guān)于泵站的運行情況記錄也是主要依靠人工，缺少大數(shù)據(jù)的監(jiān)測，為日后的分析帶來了很多困難。隨著近年來極端天氣的不斷出現(xiàn)，給人民帶來了很多財產(chǎn)和安全損失。因此，我處目前的排水管理系統(tǒng)顯然還有很大的提升空間，應(yīng)該充分利用數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、自動PLC控制系統(tǒng)來管理監(jiān)控泵站，大大提升常德市污水、雨水泵站的工作性能與管理效率，為管理者提供科學(xué)調(diào)度、分析排水?dāng)?shù)據(jù)提供依據(jù)，并且減少人工成本。

2泵站自動控制系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1污水泵站工作流程

污水泵站是城市排水系統(tǒng)的重要組成部分，污水來源主要是城市下水道污水以及雨水和路面積水。作為城市的污水泵站，它的主要作用就是提升污水的高程，因為污水管并不像給水管，它并不是靠壓力流動，而是以污水自身的勢能作為動力，由于城市的截污管網(wǎng)收集的污水面積較廣，距離污水處理廠的距離很遠，因此不可能將管道埋的太深，因此建設(shè)具有污水提升功能的泵站就很有必要。

大體來說一個污水泵站由進水口、格柵間、集水池、潛水泵、除臭設(shè)備、出水口組成。由進水口進來的城市污水首先經(jīng)格柵機過濾掉大部分固體雜質(zhì)，然后儲存在集水池中，再經(jīng)潛水泵提升污水勢能作為下行動力，最后經(jīng)過除臭設(shè)備到達出水口并送往污水處理廠。污水泵站工作流程如圖1所示。

2.2泵站自動控制系統(tǒng)

常德市雨水、污水泵站原有控制系統(tǒng)為：電源由箱變變壓器提供，通過進線柜將低壓電源（變壓器低壓側(cè)）引入下級配電裝置（饋線柜）;饋線柜將總電源電能分配輸出至水泵啟動柜與無功補償柜，最后通過水泵啟動柜的軟啟動器或變頻器控制水泵的啟動與運行。采用此方式控制水泵的運行，需要人工現(xiàn)場操作，便捷性差，且數(shù)據(jù)（包括水泵運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、電壓電流數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)）無法匯聚。

本次設(shè)計的的泵站自動控制系統(tǒng)在原有控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加PLC控制柜、工控機以及水位傳感器等設(shè)備，操作人員通過工控機下達控制命令，工控機將控制指令下達至PLC，再由PLC控制水泵啟動柜的軟啟動器或變頻器。從而實現(xiàn)本地/遠程，兩種控制方式。同時PLC采集的數(shù)據(jù)上傳至工控機，進而通過傳輸網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)匯聚至中心管理平臺。

2.3控制方式

每座泵站設(shè)備控制分三種控制方式，即就地手動控制方式、集中控制方式、自動控制方式。每種控制方式的控制能力不同并且優(yōu)先級也不同。具體來說就地手動控制就有最高優(yōu)先級，自動控制的優(yōu)先級最低。

2.3.1就地手動控制

為了避免突發(fā)情況的發(fā)生，該自動控制系統(tǒng)必須具備就地手動控制方式。所謂就地手動控制就是人工在設(shè)備現(xiàn)場進行控制，控制主要包括對控制柜開關(guān)按鈕以及急停按鈕的操作，進而控制與其相連的設(shè)備的工作情況。就地手動控制具有最高優(yōu)先級，它主要用于設(shè)備的維護與調(diào)試。

2.3.2集中控制

所謂集中控制就是通過上位機監(jiān)控軟件在控制室對整個泵站進行集中控制，上位機監(jiān)控軟件能夠監(jiān)控整個泵站設(shè)備的運行情況并對參數(shù)進行記錄，并能夠與PLC進行實時通訊。因此集中控制為主要控制方式，但是當(dāng)涉及到設(shè)備的維護及調(diào)試時還應(yīng)選擇就地手動控制。

2.3.3自動控制

當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備被設(shè)置為“集中控制”模式之后，通過上位機軟件可以將系統(tǒng)進一步設(shè)置為“自動運行”模式，此時，泵站所有電控設(shè)備（水泵、閘閥、格柵）都將處于自動控制狀態(tài)，無需人工干預(yù)，系統(tǒng)會根據(jù)傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)，通過程序邏輯，自動控制水泵、格柵、閘閥的運行，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制2。

2.4自動控制與上位機監(jiān)控方案

2.4.1水泵自動控制

（1）水位采集

本系統(tǒng)的水位監(jiān)測是整個自動化系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，水位監(jiān)測的精度和水位傳感器的可靠穩(wěn)定性對系統(tǒng)的運行起到?jīng)Q定性影響，因此本次設(shè)計針對每一個集水池采用兩套水位傳感器，兩套水位同時監(jiān)測同一液面，其中一套水位監(jiān)控數(shù)據(jù)進PLC，另一套水位監(jiān)控數(shù)據(jù)由遠程測控終端采集，并由PLC控制器集中對數(shù)據(jù)進行對比，只有當(dāng)水位差值小于預(yù)設(shè)的閾值自動控制啟動才正常運行，否則，系統(tǒng)處于故障待修狀態(tài)。

（2）水泵控制

通過水位傳感器實時監(jiān)測雨水集水池、污水集水池、生態(tài)水池水位，將數(shù)據(jù)送至PLC控制器，PLC根據(jù)水位高、低限預(yù)設(shè)值，與實時水位值對比，自動啟動一臺或多臺水泵，實現(xiàn)水位自動控制。

為了降低泵站成本，水泵的運行臺數(shù)可由PLC系統(tǒng)的軟件自行決定。當(dāng)水位高于一定數(shù)值時，在程序的作用下自動增加水泵臺數(shù)。相反，當(dāng)水位低于一定數(shù)值時，在程序的作用下自動減少水泵臺數(shù)。同時為了提高水泵的壽命，減少水泵由于長期運行所造成的損耗，每臺水泵的運行時間都將被記錄，若某一臺水泵運行時間過長，在程序的控制下會自動關(guān)閉該水泵并啟用備用水泵，因此每臺水泵的運行時間大致相等，最大效率地保證了每臺水泵的最佳運行狀態(tài)。

（3）可靠性與穩(wěn)定性設(shè)計

每個水池采用兩套水位傳感器，水位的監(jiān)測互為備份，增加系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性：每個水池增設(shè)一套浮球開關(guān)，作為水位上限閥值的開關(guān)量監(jiān)控，當(dāng)水位上升至浮球安裝位置，浮球開關(guān)產(chǎn)生開關(guān)量信號，并將信號送至PLC數(shù)字量輸入口，并通過PLC的控制邏輯，產(chǎn)生系統(tǒng)故障報警或緊急事件報警;通過遠程測控終端，將監(jiān)控數(shù)據(jù)通過不同的運營商的無線通道上傳至監(jiān)控中心，實現(xiàn)雙通道互備份的數(shù)據(jù)傳輸效果，當(dāng)一個運營商網(wǎng)絡(luò)癱瘓，能夠維持數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.4.2格柵機自動控制

污水和雨水中會有很多的較大的漂浮物和懸浮物，格柵起到攔截這些物體的作用，正常水流入的過程中柵前柵后的液位是相同的，但是當(dāng)所攔截的物體多的時候會產(chǎn)生一些堵塞的現(xiàn)象，這樣水流通過格柵就會產(chǎn)生阻礙，柵前柵后就會產(chǎn)生水位差。格柵都是傾斜放置的，與水平面的夾角約70°左右，如果不及時清理柵渣，格柵就容易產(chǎn)生故障，所以格柵的控制是泵站自動化中比較重要一個環(huán)節(jié)。一直開啟格柵比較浪費，現(xiàn)在格柵控制常用的有兩種控制方法，第一，時間控制器控制，即設(shè)定運行時間與間歇時間;第二，液位差控制，即安裝液位差計，在液位差達到設(shè)定數(shù)值后自動啟動。

2.4.3閘門閥門聯(lián)動控制

根據(jù)各泵站的運行工藝，閘門和閥門的聯(lián)動控制重點通過水位傳感器的數(shù)據(jù)與設(shè)定值對比，以保證進水和出水閘門、閥門有效控制、隔離進出水流量，防止集水池或集水井水位越限，對水泵的運行安全產(chǎn)生威脅。

2.4.4上位機監(jiān)控

通過上位機組態(tài)軟件實時監(jiān)控整個泵站的運行狀態(tài)，并通過組態(tài)監(jiān)控畫面能夠?qū)崿F(xiàn)對水泵機組以及閘門的控制;對各臺泵相關(guān)的電壓、電流等信息的實時顯示;對水泵機組、PLC控制器以及各種保護裝置的運行狀態(tài)的實時顯示;對軟件故障、硬件故障等其他系統(tǒng)故障的診斷及報警并能夠打印報表;設(shè)備及水位狀態(tài)的變化能夠在上位機顯示并能以聲光的形式警告：對突發(fā)情況能夠迅速以中斷形式進行響應(yīng)并自動進行相關(guān)操作”。

3基于PLC的泵站控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1PLC概述

在可編程控制器（PLC）產(chǎn)生之前，工業(yè)上的自動化控制系統(tǒng)一般采用繼電器以及計數(shù)器，不僅復(fù)雜且效率不高?，F(xiàn)在工業(yè)上已經(jīng)普遍使用可編程邏輯控制器，它們的功能也更加強大，能夠適用于各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境。它由電源（給PLC供電）、CPU（它能夠根據(jù)用戶在程序中賦予的各種功能進行各種邏輯運算和處理數(shù)據(jù)，它能夠進行實時地掃描以將來自現(xiàn)場的各種傳感器數(shù)據(jù)或設(shè)備狀態(tài)存入相應(yīng)的寄存器中）、存儲器（可以存儲用戶編寫的程序，另一方面可以存儲數(shù)據(jù)）、輸入輸出單元（PLC與外部進行通信），從功能上講，它們已經(jīng)接近于傳統(tǒng)PC，能夠通過輸入/輸出模塊以模擬信號或數(shù)字信號的形式來控制各種機械設(shè)備以及制造處理流程?？删幊踢壿嬁刂破髂壳皬V泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，由于編程容易且可靠性高，它已經(jīng)成為工業(yè)控制界不可或缺的一員。

3.2PLC工作原理

PLC的階梯圖程序中使用到的計時器、繼電器與計數(shù)器并非實際上擁有這些硬件，而是為了方便內(nèi)部的邏輯運算進而改變輸出寄存器的狀態(tài)，再由輸出寄存器連接外部機械設(shè)備做實體控制。此舉能夠大大減少PLC所需要的硬件空間。在PLC的運行過程中，CPU逐行掃描梯形圖代碼進而產(chǎn)生實際的操作。而CPU掃描代碼大概分為三步，“輸入狀態(tài)檢查”、“程序執(zhí)行”、“輸出狀態(tài)更新”，每一步的具.體操作如下：

第一步：.“輸入狀態(tài)檢查”。PLC在啟動時首先會判斷與輸入端口連接的開關(guān)或傳感器的狀態(tài)，并將其狀態(tài)寫入存儲器中對應(yīng)的存儲單元。

第二步：、“程序執(zhí)行”。CPU將梯形圖中的程序逐行取入計算，若程序需要獲取接點狀態(tài)則令CPU直接從相應(yīng)存儲器中取出。將輸出接點的狀態(tài)存入存儲器中相應(yīng)的位置。

第三步：“輸出狀態(tài)更新”。CPU執(zhí)行指令后更新PLC輸出接點的狀態(tài)，之后又回到第一步的工作。PLC工作流程如圖2所示。

3.3軟件環(huán)境

我在本文中選用STEP7編程軟件用于西門子S7系列的PLC，并且內(nèi)置組態(tài)、編程和監(jiān)控等服務(wù)。主要完成以下功能：

建立和管理項目。

配置參數(shù)并將其分配給硬件和通信模塊。

管理程序中所使用的符號。

程序編輯器，比如為S7系列可編程控制器編程。

將程序下載到可編程控制器。

調(diào)試自控系統(tǒng)并診斷錯誤。

一個完整的PLC程序是電氣工程師根據(jù)一個具體的工藝流程的要求，劃清其中的各種控制邏輯再使用PLC編程語言而設(shè)計的。PLC的編程語言有五種，它們各自有不同的特點，用于不同的場合，包括梯形圖語言（LAD）、功能模塊語言（FBD）、順序功能流程圖語言（SFC）及結(jié)構(gòu)化文本語言（ST）。本人習(xí)慣優(yōu)先選用梯形圖語言。

梯形圖語言（或LAD）是STEP7編程的圖形表示語言。它具有直觀和易懂的特點，是使用最廣泛的PLC編程語言。其指令的語法與繼電器梯形邏輯類似，因此電氣工程師對這種語言比較熟悉，梯形圖允許跟蹤流過各種繼電器和輸出線圈之間的電流，但是這里要注意，內(nèi)部繼電器不是實際意義上的繼電器，電流也不是實際上的電流，它們只是為了方便內(nèi)部邏輯的建立。

我處泵站控制系統(tǒng)設(shè)計的PLC控制程序用梯形圖實現(xiàn)，主要包括液位檢測、水泵控制、閘門控制三個部分。

程序中FC105模塊的功能是將模擬輸入規(guī)格化成工程量，模塊的輸入數(shù)據(jù)為傳感器所測量的模擬量，表示蓄水池的高度，這個模擬量不利于我們?nèi)搜壑苯佑^察，因此將其轉(zhuǎn)化為工程量可以方便我們獲取蓄水池的實時高度。獲取蓄水池實時高度如圖3所示。

如程序所示，DB1.DBD8存儲單元中存儲值為當(dāng)前蓄水池液位高度，DB1.DBD12存儲單元中存儲值為高液位時液位高度，再通過一個大于或等于比較器，當(dāng)當(dāng)前液位高度超過或等于高液位高度時，M96.0寄存器置高位，高液位報警。同理，DB1.DBD16存儲單元中存儲值為低液位時液位高度，通過一個小于或等于比較器，當(dāng)當(dāng)前液位高度低于或等于低液位高度時，M96.1寄存器置高位，低液位報警。當(dāng)然還有閘門正反向啟動程序、水泵狀態(tài)監(jiān)測程序、順序啟動水泵程序等等，不一一累述。

4結(jié)束語

本文通過對常德市污水泵站的現(xiàn)狀分析，結(jié)合目前先進的PLC控制技術(shù)，提出了一種自動泵站管理系統(tǒng)。首先傳感器將集水池水位信息輸入到PLC，然后PLC根據(jù)水位自動決定啟動水泵的臺數(shù)，另外為了保證水泵的使用壽命，PLC會記錄各個水泵的運行時間并決定啟動哪臺水泵，最終達到所有水泵的使用時間大體一致。在格柵機的控制方面，我們在格柵機兩側(cè)安裝液位差計，PLC會分析兩側(cè)的液位差，若液位差越高則說明水中雜質(zhì)越多，在PLC的控制下格柵機啟動。若液位差低則說明水中雜質(zhì)較少，在PLC的控制下格柵機關(guān)閉。為了保證水泵運行安全，我們同樣對進出口閘門進行了聯(lián)動控制，PLC根據(jù)水位傳感器的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進行對比來控制閘門開關(guān)，進而隔離進出水流量，防止集水池或集水井水位越限。最后我們使用上位機組態(tài)軟件實時監(jiān)控整個泵站的運行狀態(tài)，并通過組態(tài)監(jiān)控畫面能夠?qū)崿F(xiàn)對閘門，泵組及格柵機的控制，并能夠?qū)崟r顯示相關(guān)的電壓、電流、水位等信息并記錄，對于異常的設(shè)備故障報警等。當(dāng)然，自動控制少不了通訊的支持，我采用的是聯(lián)通公司的VPN技術(shù)實現(xiàn)中心控制室和下轄多個泵站的局域虛擬專網(wǎng)，中心控制室不能連接到外網(wǎng)，以保證數(shù)據(jù)安全。

參考文獻

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