PLC在污水泵站群远程控制系统中的应用

杨启尧,项国云,徐柳娟

(1.浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018;2.浙江亚大科技发展有限公司,浙江 杭州 310012)

0 引 言

随着工业技术的发展和城市化进程的不断提高,目前产生的工业污水和生活污水越来越多.而城市的各级污水泵站存在数量多、距离远等问题,原先采用的倚靠人工进行对各级泵站进行控制管理的方法存在效率低下、安全性差、成本高等缺点,已经远远不能满足城市发展的要求.在国内近年来兴建的大型泵站中,大都设有微机数据采集系统,但一般情况下还不能实现对运行过程的计算机控制[1].随着PLC控制技术的发展,集散控制系统的广泛应用,采用集PLC自动控制技术及计算机技术于一体的自动化系统,才能将污水泵站的自动化管理水平提升到新的高度.

1 控制系统工艺概况

浙江绍兴县城区(开发区)泵站及中控系统自动化改造工程为绍兴县污水治理系统工程之一,是解决绍兴县城区(开发区)生活污水及部分印染污水排放问题而进行的一项技改项目,污水汇集后经柯西、中心、柯东等泵站输送到污水处理厂.现排水公司所属在运城区(开发区)泵站共计17座构成了污水泵群.

1.1 泵站工艺流程

污水泵站的主要功能是将污水提升输送到下一个泵站或污水处理厂.污水泵站内主要工艺设备有启闭机、格栅机、潜水泵、电动阀,主要检测工艺信号有集水池液位、出水总管压力及综合电量参数等.泵站运行的工艺流程见图1.

各企业排放的工业污水、城区的生活污水及上一级泵站输送来的污水进入集水池,在集水池和出水池之间通过一个启闭机连接,当启闭机开启时,集水池内的污水通过重力自流进入出水池,当该启闭机关闭时,集水井内的污水与出水池不连通.

图1 泵站控制工艺流程图

在启闭机后是格栅机,格栅机的主要功能是过滤从集水池进入出水池的污水,将漂浮在污水上的木条、布匹等杂物从污水中捞起,防止大体积的杂物进入出水池堵塞潜水泵.潜水泵是整个污水泵站的核心设备,它安装在出水池内,将出水池内的污水提升输送到下一级泵站.电动阀安装在每台泵的出水管上,当对应的潜水泵运行时,该阀开启,污水从出水池输送到下一级泵站去;当对应的潜水泵停止时,该阀需要关闭,防止出水管内的水倒流进入出水池.

1.2 控制系统结构

系统结构见图2,采用了第四代的集散控制系统(Distributed Control system简称DCS)的四层结构,分为现场级、控制级、车间级、管理级.该控制系统的结构如图2所示：现场级主要是17座泵站的各种泵、电磁阀门、传感器,同时还专门设计了图像监控系统,负责对现场信号的采集和监控.控制级针对每一个泵站都采用独立的PLC,负责对现场级的信号进行控制.车间级相当于中央监控室,所有泵站的信号都采集到中央监控室,由4台工况监控计算机负责监控.同时由3台计算机构成图像监控系统,负责各泵站现场的视频监控.最后一级是管理级,上级管理人员可以通过远程访问控制室了解现场各设备的运行情况.系统结构的优点是采用了虚拟专用网(VPN网络)的结构,向监控中心传送数据、网络和音频信号.同时监控中心通过该网络实现对泵站的远程监控[2].

2 控制系统的硬件组成

2.1 PLC的特点及配置

PLC采用美国A-B公司SLC 500系列的PLC模块,型号为1747-L551.每套PLC控制系统由电源模块、DI模块、DO 模块、AI模块、AO 模块、以太网通讯模块等构成.各泵站的受控工艺设备主要有启闭机、格栅机、潜污泵、电动阀等,受PLC控制的还有变频器等,PLC需要检测液位、压力、流量以及电量参数等[3].

图2 系统总结构图

由根据该泵站的实际I/O点配置如下的 I/O点,仅列举一个站点,即蓝宝石泵站各信号类型的冗余量和冗余系数见表1.

表1 蓝宝石泵站PLC配置点数

2.2 系统其他硬件

系统的其他硬件主要有图象监控服务器PowerEdge2800,图象监控机DELLPrecision380,泵站监控数据服务器PowerEdge2800,泵站监控机DELLPrecision470DT,屏幕控制PC机DELLPrecision380.现场还在每个污水泵站的控制柜上设立一个触摸屏,采用美国A-B公司生产的2711-T10C20型触摸屏.

3 控制系统的软件设计

程序采用模块化设计,先对污水泵站的运行工艺进行分解,针对不同的工艺设备和不同的操作功能编制不同的程序功能块.各个功能块之间相互独立,若要进行设备扩展时极其方便.编程采用梯形图(LAD)的方式.程序流程见图3.

3.1 通讯处理程序

该功能块主要用于实现PLC系统与多功能电量采集仪表间的通讯、与触摸屏间的通讯、与上位机间的通讯.

3.2 参数及状态检测程序

该功能块主要是采集工艺参数检测仪表(液位计、压力变送器等)检测的工艺参数值,和各工艺设备的状态值(如潜水泵的手/自动信号、运行信号等),并将这些检测值进行处理.对于采集的模拟量信号,该功能块首先要进行程序处理,将采集的整型转变成便于理解的实数型,然后放置在指定的内存中,供其它程序访问.本功能块主要检测的模拟量参数为出水池的液位信号和出水总管上的管压力信号.对于采集的设备状态信号,则直接存放到指定的内存区域,供其它程序访问.

图3 程序流程图

3.3 控制策略运算程序

该功能块主要是将通讯程序块接收的控制命令和检测程序检测的结果,通过设定的控制程序运算,得出各受控设备需要执行的控制命令,然后将该控制命令传送到内存中指定的位置,供其它程序访问.

3.3.1 水泵控制程序

当系统处于自动时,水泵根据出水池的液位进行启/停控制,液位高开泵、液位低停泵.泵的启/停按累计运行时间排序,每次先启动累计运行时间最短的泵,每次先停止累计运行时间最长的泵,通过这样的排序控制,来平衡每台水泵的累计运行时间,使每台水泵的运行时间相互接近,延长水泵的运行寿命.每次启动水泵时,若已运行的水泵中没有变频泵,则优先启动变频泵;每次停止水泵时,若已运行的水泵中有工频泵,则优先停止工频泵.

对运行中的变频泵,系统采用PID连续调节的方式,若当前液位高于设定的液位时,则提高变频器的运行频率;若当前液位低于设定液位时,则降低变频器的运行频率.

当水泵处于上位机(触摸屏)手动控制时,水泵接收上位机(触摸屏)发送的控制命令进行开/停控制.

3.3.2 出水电动阀控制程序

当阀处于自动时,与对应的潜水泵进行联动控制.若某台水泵要启动时,先关闭对应的电动阀,当该泵完全启动后,开启该电动阀,直至全开.若某台泵要关闭时,先关闭对应的电动阀,当对应的电动阀全关后再停止该泵.

当阀处于上位机(触摸屏)手动控制时,接收上位机(触摸屏)发送的控制命令进行开/关控制.

3.3.3 启闭机控制程序

当启闭机处于自动时,若出水池液位达到报警的高限,则关闭该启闭机,若出水池液位低于报警液位时,开启该启闭机.当启闭机处于上位机(触摸屏)手动控制时,接收上位机(触摸屏)发送的控制命令进行开/关控制.

3.3.4 格栅机控制程序

当格栅机处于自动时,根据设定的定时时间进行启动/停止控制.当格栅机处于上位机(触摸屏)手动控制时,接收上位机(触摸屏)发送的控制命令进行启动/停止控制.

3.4 输出执行程序

该功能块是将PLC系统的控制命令发送到受控设备的程序,用于控制受控设备的开/停和变频器的运行频率.

3.5 故障处理程序

该功能块主要是处理各种报警和故障,用于在发生故障的情况下保护系统的安全运行.诸如通讯中断后的设备保护,不正常操作的识别和保护,紧急液位的处理、设备故障发生的处理等.

4 上位监控及其他功能

4.1 上位监控功能

工况监控计算机安装的是美国WONDERWARE公司上位管理软件INTOUCH,主要由监视画面、系统图、泵站运行图、参数设置、数据库管理等构成.通过工况监控,可以看到17座泵站,以动画的形式反应泵站中设备的运行状况及液位指示,同时提供了与中央控制室是否连通的故障提示画面,同时提供良好的人机交互,操作员可根据实际情况方便地设置各项参数,保存各项数据.

4.2 图像监控系统

为了更直观地看到现场泵站的运行状态,该监控中心安装有一台图像服务器,三台图像监控计算机,各泵站安装的摄像头拍摄的视频信号通过网络视频服务器传送到监控中心的图像服务器上,各图像监控计算机通过网络访问图像服务器,对各泵站的图像信号进行显示.这样双重的监控设施使得监控人员可以快速、直观地了解17座泵站的状态.

系统将目前国际上顶尖技术的DLP大屏幕显示系统应用在排水行业,系统由18块60寸的投影单元组成.该大屏幕可以显示各泵站工况监控画面以及图像监控画面等画面,同时可对显示的画面进行拖动和缩放,实现对泵站系统的综合调度和重点调度.在该监控中心内还有GPRS系统监控计算机以及大屏幕控制电脑.整个监控室能全方位显示各座泵站的现场运行情况.

4.3 触摸屏控制系统

由于各级泵站距离远,各泵站有专门的管理人员,为了在现场能方便地控制17座泵站,每个污水泵站的控制柜上设立一个触摸屏,采用美国A-B公司生产的2711-T10C20型触摸屏.根据工艺流程开发了基于该触摸屏的一套污水泵站控制程序.该控制程序主要由以下界面和一些脚本运行程序构成.有主界面、工艺流程界面、参数设置界面、设备操作界面等.工艺流程界面见图4.

图4 触摸屏控制工艺流程图

5 结 论

PLC作为远程污水泵站的控制核心,实现了自动和现场手动两种控制模式,并根据工艺流程,对各级泵站在现场和远程设计了合理的程序.同时配套设计了上位机监控、图像监控、大屏幕显示、触摸屏控制等,整个系统能基于虚拟专用网成为一个有机的整体,系统投入运行近三年,极大提高了工作效率和系统的安全性,而运行成本也大大降低.随着国内对水污染的防治的重视,该PLC控制系统也可广泛推广到泵站群中使用.

[1]余 军,钟 山.大型泵站计算机监控系统研究 [J].中国农村水利水电,2007(11)：116-117,119.

[2]王树东,靳 雷,高敬更,等.基于工业以太网和无线通信的水厂SCADA系统[J].电气传动,2009(6)：65-69.

[3]颜全生,杜 江.PLC在压力机控制系统的应用[J].电气传动,2009(3)：65-68.