基于PLC的泵站监控系统改造
发布日期：2017-03-14 来源：《上海设备管理》
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泵站是水的唯一人工动力源， 由于其能效高、节能环保，已被广泛应用于各行各业。泵站控制系统经过多年使用，安装控制柜的低配室中腐蚀性气体浓度较高，夏天高温对设备影响显著，这些环境因素导致设备老化严重，近年来常发生控制系统元件故障，特别是PLC模块和智能电力参数测量仪的故障率非常高，且维修难度很大。考虑到系统已经整体老化，维修成本支出越来越大，为了更好地发挥泵站监控系统的优越性，减轻操作工人的工作强度，保证防汛泵站设备的正常运行，亟需对控制系统进行更新改造。以上海某泵站的改造设计为例，提出一种基于PLC的监控系统，提高泵站运行效率，实现泵站设备可用率高、长期稳定和自动化运行。
一、总体要求
改造PLC控制系统不再采用双机热备结构，而是更新其中一套PLC控制柜，保留另一套PLC柜壳体。更新的一套控制柜主要放置PLC模块、主要输入输出信号接线端子、输出隔离继电器等；保留的一套PLC柜壳体放置UPS 电源系统、信号上传排水公司采集装置、网络交换器、部分输入输出信号接线端子。取消触摸屏，在原触摸屏安装位置上安装4 个液位数显表，便于对液位的观察。值班室更新工控机并重新开发新的远程操作界面， 工控机与PLC柜的通讯线缆重新布线，加快信息响应速度。在6 台水泵启动柜上增加18 套电流变送器，在2 台低压进线柜上增加6 套电压变送器，布置信号电缆与PLC连接，提高电流电压信号采集的可靠性。拟采用的控制系统如图1 所示。
图1 泵站控制系统示意图
计算机监控系统按标准进行总体设计，本着安全可靠、技术先进、经济、实用的原则进行设备配置，制定以下结构框架：所有进入PLC控制柜的开关量输入信号将采用光电隔离输入，输出信号采用继电器隔离输出，模拟量输入信号也采用相应的隔离模块输入；此外，考虑现场环境有腐蚀性气体，控制柜采用高档的施耐德品牌，密封性将达到较高防护标准。更新改造后的系统将能够满足未来5 年内设备稳定运行的要求，并预留一定数量的输入输出点做备用，可方便地进行系统扩容。
二、 PLC控制系统
泵站PLC控制分预留远程控制模式、就地控制模式和检修模式三种模式实现。
预留远程控制模式指通过有线PSTN 或无线数传电台等方式远程控制泵站设备运行/停止的模式。它由调度中心监控系统来实施，为泵站控制系统的上级监控系统，实现对泵站的远程控制、远程数据采集。
就地控制模式又分为手动和自动两种控制模式。就地自动控制模式能按预先约定的规则和调节方法自动控制现场设备，利用PLC的逻辑控制功能，提供设备的自动控制及关联设备的联动、连锁控制。在该模式下，就地控制系统在启动泵前要先判断各进水闸门、出水闸门是否处于相应合理位置，如果有闸门处于不合理位置，则要报警；然后根据预先设定好的控制参数（如液位、液位差、流量等），合理启动相关设备（如泵组、格栅除污机等）以达到自动控制的目的。就地手动模式就是在人机操作界面上通过点击屏幕上的启动/停止按钮对单台设备进行手动操作。
1、水泵的控制
对泵站内雨污水泵执行自动控制。启停泵的输出控制信号是脉冲信号，其幅值和宽度根据实际需要制定、调整。根据格栅后水位高度决定水泵的开机台数，入口水位高于上限时增开一台泵，延迟一定时间后，仍高于上限则再增开一台水泵，保证合理的分布启动。水位低于下限时自动停一台，延迟一定时间后，仍低于下限则再停开一台，如此类推。原则上使先启动的泵先停，以实现泵的循环使用，力求泵的运转时间均等，并避免一台泵开、停次数过多的现象发生。以预定时间间隔连续三次启动水泵失败，说明设备有故障，应自动启动下一台泵，同时将故障的泵号以状态字的格式建立标志。当格栅前后液位中任何一个数值低于泵站最低液位时，禁止启动水泵，正在运行的水泵立即停机。水泵在一定时间间隔内的启停次数将严格按照水泵特性要求执行。每台水泵的运行时间将累计并且记录，以保证各台水泵的运行时间均匀，同时根据泵组保养要求，提出保养维修建议。
2、闸门的控制
闸门的位置信号、升降动作信号、报警信号送至PLC。闸门的控制有检修和就地控制两种模式，由闸门控制箱面板上的转换开关来选择，检修控制模式的优先级高于就地控制模式，模式转换开关的状态应反馈给PLC。
检修模式：人工操作闸门或闸阀控制箱面板上的按钮，控制闸门的开启和关闭。
就地控制模式：闸门或闸阀执行来自PLC的启闭控制命令。操作人员可以在PLC的操作界面上手动控制闸门的开启和关闭。
系统在转换成自动模式时，将自动检测各闸门所处状态，当有闸门处于不合理状态时，系统在开泵时将自动产生报警。
3、格栅除污机及压榨机输送机的控制
格栅除污机、压榨机、输送机的状态信号（运行、停止、报警）以及格栅前后液位信号均应送至PLC。格栅除污机和压榨机、输送机的控制有检修和就地控制两种模式，控制箱面板上设置检修和就地控制转换开关，由人工切换控制模式，检修模式的优先级高于就地控制模式，模式转换开关的状态要反馈给PLC。
检修模式：人工操作设备控制箱面板上的按钮，控制相对应设备的启动、停止。
就地控制模式：PLC按格栅前后液位差及预先编制的程序控制格栅除污机的启动和停止，格栅前后液位差不能大于0.2m。
4、阈值监视及报警
对设备运行工况进行监视，其中包括电量阈值与工艺阈值的监视。电量阈值主要有进线电压，泵站低压侧总电流、总功率、总电量、水泵电机电流等；工艺阈值有上下限水位、总出水流量等。对阈值的越限值及越限时刻将作为报警记录储存，并由PLC输出报警信号。报警信号类别如下：进线断路器跳闸；低压进线柜过电流；水泵电机过电流；水泵电机启动失败和泵组故障；闸门故障和控制失败；超高液位、超低液位；格栅除污机故障和启动失败；压榨机、输送机故障和启动失败；仪表、变送器故障。
三、工控机人机交互界面设计
工控机人机界面为中文界面，操作简便、灵活、可靠，对话提示清楚准确，具有一致性。运行组态王的泵站计算机监控系统采集现场设备数据，生成整个泵站的生产工艺流程、电力系统实时动态图，为泵站生产操作人员提供清晰、友善的人机监测界面。界面主要功能的设计将按照目前排水泵站的管理需求进行，主要的功能包括泵站设备远程操作、设备运行工况实时监视、值班人员设备操作记录、泵站各设备运行记录、泵站运行工况三线图记录等，并能保存一年以内的运行历史数据供查阅。
根据系统操作权限设计，操作员等级权限只能对系统设备进行监视、控制调节和参数设置，而只有工程师权限才允许安装、修改或测试各种应用软件，保证了系统日常运行中的稳定性。以组态王为系统平台，编写上位监控系统。
根据整个监控系统的要求，系统功能模块结构如图2 所示。
图2 系统功能模块结构
1、工艺流程画面
根据泵站设备的实际布置位置，建立泵站运行工艺总图，准确显示水位、各水泵运行状态以及闸门位置状态等设备信息。
2、事件顺序记录
根据开关信号及设备故障等信息的发生时间，监控系统将及时记录事件或事故的发生地点及时间，方便进行查询。工程开发人员可根据事件或事故记录的事件顺序，分析事故原因，并对开关量信号输入有相应的信号过滤程序，以防止抖动信号的多次输入。
3、配电系统图
系统配电图负责实时显示各项电力参数，例如泵站配电柜的状态、电力测量参数等。
4、报警处理
监控系统具有监视生产过程、设备状态及运行参数变化的能力， 并能对超时超限等报警进行相应的安全处理。能自动诊断出泵站运行过程中的异常状态，以及现场控制设备或通信系统产生的故障并发生的报警信号， 当过程检测或运转设备出现越限或故障时，工艺流程图上相应的图例将闪烁红灯并以报警声响加以提示。可通过键盘或触摸屏解除报警声响，故障消除之后，状态颜色恢复正常。对于已确认的报警应标记报警发生时标，并存入报警数据库。
5、趋势记录
监控系统具有实时趋势和历史趋势图查询功能，记录长时间内的雨量及水位变化曲线，方便泵站管理需求。
四、结语
以上海某泵站为例，针对自控系统随着使用年限增加、软硬件老化严重、故障率不断增加对泵站的影响问题，提出一种基于PLC的监控系统，提高泵站运行效率，实现泵站设备可用率高，长期稳定和自动化运行。最后设计了监控系统的人机交互平台，实现了关键设备的实时监控。
作者：王浩清 陶佳丽 王致杰 吕金都 黄麒元 单位：上海电气自动化设计研究所有限公司
