蔣輝霞 趙曉輝 謝崇平 鐘林濤

1.四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院，四川成都

2.四川省機械研究設(shè)計院（集團）有限公司，四川成都

3.四川省農(nóng)業(yè)工程學(xué)會，四川成都

四川是一個以農(nóng)業(yè)為主、人口眾多、山丘區(qū)占絕大部分面積的大省，受山丘區(qū)為主的自然條件影響，為保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，全省修建了大量的提灌泵站，但是大部分提灌泵站由于建站時間久、地處偏僻，運行管護復(fù)雜，增加了大量的人力投入，有的泵站設(shè)備陳舊、老化嚴(yán)重，出現(xiàn)了無法運行的情況，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。本文基于攀枝花某新建泵站，設(shè)計了一種基于PLC 的泵站智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過人機交互界面實時顯示系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)及故障信息，管理人員可通過人機交互對泵站進行控制，也可通過遠程控制終端實施遠程管理，在泵站運行過程中均可實時了解泵站運行狀態(tài)，達到了少人值守甚至無人值守的自動化水平，改變了傳統(tǒng)提灌泵站的運行管理模式，提升了泵站的運行效率[1～3]。

1 系統(tǒng)概述

1.1 基本參數(shù)

攀枝花某提灌泵站共選用2 臺相同型號水泵，設(shè)計流量25 m3/h，設(shè)計揚程150 m，功率18.5 kW，系統(tǒng)通過對閥門啟閉的調(diào)節(jié)實現(xiàn)2 臺水泵獨立或并聯(lián)運行，具體參數(shù)見表1。

1.2 系統(tǒng)控制要求

1）泵站現(xiàn)地控制和遠程控制。為方便管理，要求系統(tǒng)可以實現(xiàn)現(xiàn)地及遠程啟停控制。遠程控制模式下，管理人員無需在泵站，實現(xiàn)了泵站無人值守運行，提高管理效率。

表1 水泵技術(shù)參數(shù)表

2）監(jiān)測功能。監(jiān)測分為泵站運行工況實時監(jiān)測和運行狀態(tài)實時監(jiān)測。運行工況監(jiān)測主要是對液位數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)、電氣信息數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，避免發(fā)生因進水池液位太低導(dǎo)致設(shè)備空吸造成事故。運行狀態(tài)實時監(jiān)測主要是監(jiān)測泵站各個硬件設(shè)備的運行情況以及泵站的運行狀態(tài)，分為現(xiàn)地監(jiān)測和遠程監(jiān)測，現(xiàn)地監(jiān)測通過控制柜指示燈及觸摸屏實現(xiàn)；遠程監(jiān)測通過手機APP完成[4]。

3）系統(tǒng)信息管理?？刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)泵站運行狀態(tài)的實時顯示、故障報警、實時趨勢顯示、報表的生成及打印，實現(xiàn)泵站信息化管理。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，常見的監(jiān)控系統(tǒng)主要分為集中式監(jiān)控系統(tǒng)和分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)設(shè)計采用分層分布式設(shè)計，共分為三個層次，依次為泵站現(xiàn)地監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)層和遠程監(jiān)控層。

1）現(xiàn)地監(jiān)控層。現(xiàn)地監(jiān)控層主要分為五個組成部分：可編程邏輯控制器（PLC）、模擬量采集模塊、智能三相電采集模塊、觸摸屏模塊和GPRS 無線傳輸模塊。

2）網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層利用無線遠傳模塊通過Modbus協(xié)議采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)平臺的服務(wù)器中，管理人員通過遠程控制終端訪問數(shù)據(jù)。

3）遠程監(jiān)控層。在遠程監(jiān)控層，管理人員通過電腦或手機APP 對泵站進行遠程監(jiān)控，實時了解泵站運行狀態(tài)。泵站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主要設(shè)備

在本設(shè)計中，選用了一款PLC，其輸入點數(shù)和輸出點數(shù)均為32 個，滿足系統(tǒng)使用要求。遠程模塊選擇某公司生產(chǎn)的GM10-DTU，液位、壓力、流量傳感器選用符合要求的高質(zhì)量產(chǎn)品，液位傳感器、壓力傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA 電流。智能三相電采集模塊，其中，可編程邏輯控制器（PLC）為控制核心，模擬量采集模塊采集機組運行壓力、流量、進出水池液位等數(shù)據(jù)，智能三相電采集模塊采集機組運行時的電氣數(shù)據(jù)信息，GPRS無線傳輸模塊實現(xiàn)泵站的遠程終端控制[1]。

2.2 系統(tǒng)電路設(shè)計

系統(tǒng)電路設(shè)計分為主電路設(shè)計和PLC 控制電路設(shè)計；主電路設(shè)計分為兩部分：電氣系統(tǒng)主電路設(shè)計和控制電路設(shè)計。在本系統(tǒng)中，硬件主電路的動力設(shè)備為兩個主電機和2 個輔助電機。主電路用作水泵電機、輔助電機連接，水泵電機采用軟啟動方式，其中，電氣元器件主要包括負(fù)荷開關(guān)F、熱繼電器FR、變頻器、斷路器及三相電采集儀器。圖2 為控制系統(tǒng)電氣原理圖。

圖2 控制系統(tǒng)電氣原理圖

PLC 控制電路設(shè)計分為輸入單元設(shè)計和輸出單元設(shè)計，輸入單元接收各種控制信號及故障信號的輸入，輸出單元輸出控制信號。為了避免PLC 受到大電流的作用而損壞，輸入和輸出公共端分別接熔斷器和熱繼電器作為保護措施。圖3為PLC端子接線圖。

圖3 PLC端子接線圖

2.3 PLC軟件設(shè)計

本系統(tǒng)共有3種工作模式：1號泵運行、2號泵備用模式，2 號泵運行、1 號泵備用模式，1、2 號泵并聯(lián)運行模式。PLC監(jiān)控系統(tǒng)總流程見圖4。

系統(tǒng)可實現(xiàn)泵站的智能啟動運行。在啟動時自動讀取系統(tǒng)參數(shù)，識別啟動模式，判斷有無故障信息，有故障則進行報警并停止啟動，無故障則根據(jù)啟動模式選擇單機啟動或同時啟動運行。如在兩臺泵互為備用模式下，若其中1 臺發(fā)生故障，系統(tǒng)會自動判斷切換至備用泵運行。在任何一種運行模式下，系統(tǒng)都會對故障信息及液位、壓力等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時采集，自動識別故障點，停止機組運行并通知管理人員。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)總流程圖

2.4 人機交互設(shè)計

本系統(tǒng)采用一款觸摸屏，圖5 所示為泵站智能監(jiān)控系統(tǒng)人機交互的主界面。主界面可顯示水泵的運行狀態(tài)、壓力、流量、液位等數(shù)據(jù)，通過控制界面，可以實現(xiàn)對泵站多種運行方式的選擇。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

除了主界面外，系統(tǒng)還設(shè)置有報警記錄、閥門控制、電量監(jiān)控數(shù)據(jù)、在線趨勢、參數(shù)設(shè)定5 個控制界面。圖6 為在線監(jiān)測界面，在線預(yù)測曲線圖模塊主要是顯示各項監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間變化的曲線圖，包括壓力、液位、流量等數(shù)據(jù)。在線預(yù)測曲線圖模塊更加直觀地顯示了數(shù)據(jù)的變化，對重要的數(shù)據(jù)進行趨勢記錄。泵站參數(shù)趨勢曲線的顯示可以及早發(fā)現(xiàn)故障點，在一定程度上保證泵站機組安全可靠運行。

圖6 在線監(jiān)測界面

報警記錄功能對泵站各類故障信息進行記錄，以便管理人員查看。在泵站運行過程中，當(dāng)泵機組或其他硬件設(shè)備由于一些不可測原因發(fā)生故障時，或者監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)的閾值時，泵站除了向管理人員報警，還會對故障信息進行詳細(xì)記錄，方便事故調(diào)查。

3 結(jié)語

本文介紹了攀枝花某提灌泵站基于PLC 的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了泵站在多種模式下的運行，經(jīng)過調(diào)試和運行，本系統(tǒng)基本達到了預(yù)期的控制要求，實現(xiàn)了無人化管理，降低了運行成本，滿足了農(nóng)業(yè)對提灌泵站的需求，保障了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。