孫中建

[中圖分類號(hào)] TM76

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]2095-6487 （2021） 02-0067-03

Design and Realization of Water Supply Automation System of Floating Dock

Pumping Station in Plateau Cold Region Based on PLC

Sun Zhong-jian

[ Abstract] In recent years， under the encouragement of policy measures such as the large-scale development of the wesrern region and thecountry's increased assisrance to Tibet， Tibet has actwely attracted investment from within and outside the region， and finally "activated" the long-sleeping mines. Tibet's potential huge mineral resource advantages have begun to transfonn into Realistic economic advantage. Many mimng compameshave begun to actively deploy to ease the contradiction between supply and demand in my country's metal industry. However， Tibet is a semi-arid alpineregion with a continental climate， with harsh natural environment， high altitude， thin air， large temperature difference between day and night， and lowminimum temperature. This is a very disadvantageous side. The tailings backwater water supply system of mining enterprises is an important infrastructurefor non-ferrous metal mining enterprises. The completeness of construction and the stability of operation directly affect the stable operation of mineproduction. This paper conducts in-depth research and analysis on the PLC-based design and realization of the water supply automation system of theplateau cold floating dock pumping station， and proposes some reasonable opinions and construction strategies to further improve the stability ofthe watersupply system in the cold plateau area reliabiliry.

[ Keywords] PLC， control concept; cold plateau area; floating dock pump station; water supply automation system

1 基于PLC的寒地浮塢泵站供水自動(dòng)化系統(tǒng)簡(jiǎn)介

基于PLC的高原寒地浮塢泵站供水自動(dòng)化系統(tǒng)，需要針對(duì)所有的控制沒備進(jìn)行全而的自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重新細(xì)化進(jìn)行選型，從而設(shè)計(jì)一套適用高原地區(qū)性的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，且增加安全運(yùn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)工作，保證該系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。浮塢泵站供水系統(tǒng)自動(dòng)化控制土要是通過PLC來(lái)控制實(shí)現(xiàn)的，通過PLC可編程邏輯控制器，經(jīng)過內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)以及計(jì)算等操作指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中的泵、閥及真空設(shè)備的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)泵閥聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)和停止。PLC模塊是整個(gè)供水系統(tǒng)的核心，因而PLC的選擇十分重要。

項(xiàng)目位于青藏高原昌都市，用戶環(huán)境條件為海拔高度4900m，最低環(huán)境溫度-25℃。在海拔1000～5000m之間，每增高100m，氣壓約降低0.8～1 kPa;氣壓降低容易使空氣電離而降低介電強(qiáng)度，同時(shí)冷卻效能下降。海拔升高，空氣溫度也會(huì)下降，溫度過低，又會(huì)使電氣設(shè)備內(nèi)的某些材料變硬變脆。日夜溫差過人，易產(chǎn)生凝露。因而，高原地區(qū)的設(shè)備選型有其特殊的要求，需要校驗(yàn)其電氣參數(shù)或選用高原型的電氣發(fā)備產(chǎn)品。

2 控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 浮塢泵站自動(dòng)化供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)選擇

研究項(xiàng)目選擇德國(guó)西門子公司生產(chǎn)SIPLUS S7-300型CPU3 14C作 為 土PLC，SIPLUS S7-300型SM321、SM322、SM331、SM332M輸入輸出模塊、SIPLUS S7-300型PS307電源模塊組成硬件系統(tǒng)。SIPLUS S7-300模塊的擴(kuò)展溫度范圍從-25 - 70c，允許短時(shí)冷凝完全滿足高原的環(huán)境條件。

由SIPLUSS7-300模塊組成的微型PLC系統(tǒng)完全滿足中，小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的性能要求，各種性能的模塊可以非常好地滿足和適應(yīng)自動(dòng)化控制任務(wù)，可以十分靈活地組成簡(jiǎn)單實(shí)用的分布式結(jié)構(gòu)，同時(shí)也具有多界而網(wǎng)絡(luò)能力。該系統(tǒng)開關(guān)量輸入輸出點(diǎn)共128點(diǎn)（輸入96點(diǎn)，輸出32點(diǎn)），模擬量輸入輸出點(diǎn)共32點(diǎn)（輸入16點(diǎn)，輸出8點(diǎn)）。SIPLUS S7-300通過分布式的主機(jī)架和3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，最多可以配置32個(gè)信號(hào)模塊、功能模塊和通信處理器。供電電源為24V直流電。硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.2 浮塢泵站自動(dòng)化供水系統(tǒng)低壓元器件的要求

海拔升高，空氣密度降低，空氣的介電強(qiáng)度也相應(yīng)下降。PLC控制柜內(nèi)的開關(guān)器件和元件，有兩種選擇方法：①選擇高原型開關(guān)器件和元件，按高原型標(biāo)定的額定參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。②選用常規(guī)開關(guān)器件和元件，充分考慮高海拔對(duì)常規(guī)型產(chǎn)品影響進(jìn)行設(shè)計(jì)。受產(chǎn)品供貨劇期和數(shù)量的要求，常常選用常規(guī)元器件，但目前人部分低壓元器件都是按海拔不高于2000m （1000 m）的使用環(huán)境設(shè)計(jì)的，需要測(cè)算高原環(huán)境對(duì)低壓電器產(chǎn)品的影響，主要體現(xiàn)在對(duì)額定電壓（額定工作電壓，短時(shí)工頻耐受電壓）的影響。

海拔升高，空氣密度降低，空氣的介電強(qiáng)度也相應(yīng)下降，使空氣間隔的放電電壓明顯降低，造成不利影響。①導(dǎo)致元器件絕緣強(qiáng)度降低，額定工作電壓下降。②元器件內(nèi)部不同電位的帶電間隙容易擊穿，額定耐受電壓降低。

在高原地區(qū)采用通用低壓元器件，如何確定工作電壓？著名的帕中定律給出了壓力與氣體擊穿電壓的關(guān)系：當(dāng)氣體材料和電氣材料一定時(shí)，電氣間隙的擊穿電壓與電氣間隙長(zhǎng)度和氣體壓力的乘積有關(guān)，即U=f （P 6）曲線。該曲線表明，當(dāng)電氣間隙一定時(shí)，擊穿電壓只與氣壓有關(guān)。在人氣條件下，主要應(yīng)用谷底右側(cè)部分，這說(shuō)明空氣的擊穿電壓與人氣壓成正比。在高海拔地區(qū)，以空氣為絕緣的電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度將降低，海拔每升高100m，絕緣強(qiáng)度下降1%。因此對(duì)于低壓元器件，在超過2000m海拔使用時(shí)，應(yīng)降低額定電壓使用。

降容系數(shù)Ku=l-（△H/100 m）×1%，在海拔5000m時(shí)，降容系數(shù)Ku=0.7，對(duì)于額定電壓為AC690V的低壓斷路器而言，計(jì)算降容后的額定電壓為552V，在AC400V的低壓供電系統(tǒng)中是沒有問題。對(duì)于額定電壓為AC250V的控制元器件和儀表，例如施耐德的RXM2AB系列中間繼電器，其額定電壓AC250V在海拔5000m降容后，額定電壓為AC，175V，完全不能滿是低壓AC220V的使用要求。因而，在5000m高原環(huán)境下，對(duì)于控制元器件應(yīng)選用額定電壓為AC400V以上的元器件，對(duì)于儀表的供電應(yīng)優(yōu)先選用直流24V供電，這樣運(yùn)行更可靠。

3 基于PLC的寒地浮塢泵站供水自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法分析

浮塢泵站自動(dòng)化系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控模式，以通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)結(jié)合PLC、繼電器控制、數(shù)字化視頻技術(shù)等構(gòu)成。通過自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)浮塢泵站機(jī)電設(shè)備的集中監(jiān)控，并與相關(guān)業(yè)務(wù)管理單位聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

整個(gè)浮塢泵站自動(dòng)化系統(tǒng)按功能劃分為泵組峪控子系統(tǒng)，高低壓繼保電氣監(jiān)控子系統(tǒng)，輸水管路壓力監(jiān)控子系統(tǒng)，視頻安防子系統(tǒng)。

3.1 浮塢泵站泵組監(jiān)控子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

浮塢泵站機(jī)電設(shè)備均采用現(xiàn)地控制，計(jì)算機(jī)集中控制及遠(yuǎn)方控制相結(jié)合的方式，計(jì)算機(jī)集中控制作為系統(tǒng)的正常工作模式，泵站計(jì)算機(jī)集控系統(tǒng)通過接受上級(jí)調(diào)度指令，下發(fā)控制命令，通過PLC，實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)，電動(dòng)蝶閥，真空泵組，真空電磁閥等相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行控制，采集相關(guān)參量及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)上傳。系統(tǒng)中的各水泵電機(jī)，電動(dòng)蝶閥，防凍裝置，加熱循環(huán)系統(tǒng)設(shè)有就地控制箱，現(xiàn)地控制采用繼電器控制原理，不依賴PLC工作。泵組控制流程見圖1。

浮塢泵站自動(dòng)他供水系統(tǒng)泵組監(jiān)控子系統(tǒng)主要具有以下兒個(gè)功能。

（1）監(jiān)控中心設(shè)有操作員工作站，監(jiān)測(cè)工作站等監(jiān)控設(shè)備。通過網(wǎng)絡(luò)下臺(tái)，監(jiān)控中心下發(fā)運(yùn)行指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮塢泵站的調(diào)水運(yùn)行管理。①實(shí)時(shí)工況監(jiān)測(cè)，通過PLC實(shí)時(shí)采集水位、流量、出水總管壓力、每臺(tái)水泵前壓力、輸水管路壓力檢測(cè)點(diǎn)、軸承溫度、電機(jī)溫度、轉(zhuǎn)速、頻率以及水泵、電動(dòng)蝶閥、真空泵等機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行工況，并將其上傳到監(jiān)控系統(tǒng)。②實(shí)現(xiàn)“現(xiàn)地/PLC/計(jì)算機(jī)”三級(jí)控制方式對(duì)水泵、電動(dòng)蝶閥、真空泵組的運(yùn)行控制。

（2）數(shù)據(jù)處理、分析及存儲(chǔ)。對(duì)接受各控制單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，依據(jù)接受的時(shí)間順序存入數(shù)據(jù)庫(kù)，生成各種數(shù)據(jù)庫(kù)，供顯示、刷新、打印、檢索使用。形成各類報(bào)警查詢記錄，生成各類運(yùn)行報(bào)表，對(duì)重要監(jiān)視量進(jìn)行分析生成史時(shí)趨勢(shì)曲線、歷史趨勢(shì)曲線圖，對(duì)設(shè)備的動(dòng)作或啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。按照運(yùn)行操作人員的管理和要求，自動(dòng)生成泵組設(shè)備運(yùn)行日志和各種年報(bào)表，月報(bào)表和日?qǐng)?bào)表，形成各類棒圖、餅圖、曲線圖。

3.2 浮塢泵站高低壓繼保電氣監(jiān)控子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

PLC提供與智能高，低壓網(wǎng)絡(luò)電力儀表，高壓綜合繼電保護(hù)器，變壓器溫控儀等的MODBUS-RTU通信接口，與網(wǎng)絡(luò)電力儀表，綜合倮護(hù)器及溫控儀通過MODBUS RIU進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)浮塢泵站高低壓配電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)視，PLC通過通信方式實(shí)時(shí)采集浮塢泵站高低壓配電站運(yùn)行過程輸入信號(hào)，包括模擬量，開關(guān)量和脈沖量，經(jīng)濾波檢出事故故障，狀態(tài)變位信號(hào)和模擬量參數(shù)變化，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)，為監(jiān)控系統(tǒng)提供運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)。電氣監(jiān)控子系統(tǒng)包括電氣主接線圖、電氣潮流圖、史時(shí)數(shù)據(jù)表格、各種趨勢(shì)曲線。

3.3 浮塢泵站輸水管路壓力監(jiān)控子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輸水管線運(yùn)行安全管理，在輸水管線5處排氣閥井，2處排空閥井處設(shè)立壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸水壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證輸水管線安全。設(shè)立7處壓力監(jiān)控點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)采集傳輸終端采用無(wú)線方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心。由于輸水管線壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備布置比較分散，西藏地區(qū)的太陽(yáng)能資源比較豐富，采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)供電是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

現(xiàn)場(chǎng)管線的壓力信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集終端采集壓力信號(hào)，再通過物聯(lián)網(wǎng)終端將壓力信號(hào)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)下臺(tái)，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接到物聯(lián)網(wǎng)下臺(tái)，讀取壓力信號(hào)。選用的物聯(lián)網(wǎng)終端采用4G網(wǎng)絡(luò)，直接連接基站，無(wú)需布設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，接入廣域網(wǎng)，有效地降低網(wǎng)絡(luò)成本。

3.4 浮塢泵站視頻安防子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

為加強(qiáng)對(duì)機(jī)電設(shè)備，水工建筑物的管理及安全保衛(wèi)工作，提高運(yùn)行管理人員分析，判斷的準(zhǔn)確性，建立視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行工況和周圍環(huán)境的圖像。視頻系統(tǒng)主要由高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，IP網(wǎng)絡(luò)傳輸下臺(tái)，視頻集中管理下臺(tái)和顯示系統(tǒng)4部分組成。在浮塢泵站泵室設(shè)置2臺(tái)室內(nèi)攝像頭，設(shè)備間設(shè)置2臺(tái)室內(nèi)攝像頭，值班室沒置1臺(tái)室內(nèi)攝像頭，在棧橋設(shè)置2臺(tái)室內(nèi)攝像頭，泵船取水口，泵船入口設(shè)置2臺(tái)室內(nèi)攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)視機(jī)電設(shè)備運(yùn)行工況，泵站安全及出水視頻圖像。

通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控平臺(tái)可以來(lái)管理，實(shí)時(shí)瀏覽、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的視頻圖像。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文詳細(xì)闡述了基于PLC的寒地浮塢泵站供水自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式，希望可以對(duì)我國(guó)北方寒冷地區(qū)城市供水自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)起到一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

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