PLC在泵站自动化中的应用

袁乾广 邓德满 胡家兴

（1武汉理工大学自动化学院 武汉市 430070；2汉寿县水利局 常德市 415900；3蒋家嘴电力排灌管理站 常德市 415904）

1 PLC的概念

PLC就是根据用户程序的命令要求，按照CPU的顺序在系统软件的控制下，扫描各个输入点状态的数据，它是以串行的方式进行工作，并且最后向各个输出点发出相应的控制信号。CPU在每个时刻只执行一条程序命令，并在此过程中周而复始地进行，直到最终程序的结束。因为PLC只有输入端和输出端采用的是实际的接线，可以说，它的系统接线量是相当小的，其他内部的线路都已经通过软件连接起来，在工作时PLC能够自动以程序的形式存储在内部的存储器当中。但是，如果控制的要求发生改变，只要通过修改存储器的控制程序就可以改变，而不用去变动接线，这个过程就体现了控制的通用性及灵活性。

PLC主要用于工业生产控制的计算机，它的结构主要包括：电源、CPU、接口电路、系统程序存储器、功能模块以及通信模块。其中，电源对于整个系统来说相当重要，如果电源出现问题，整个系统就无法正常工作，因此，供应商对电源的制作比较重视。

CPU能控制整个系统的数据处理，可以说，它是整个系统的大脑，可以判断系统的状态，并将寄存器的数据传送到相应的输出装置。其中，系统程序存储器主要存放系统软件，用户程序存储器存放应用软件。接口电路就是输入和输出数据，不同的接口电路由不同的接口组成，从而完成数据以及信号的输入和输出。它的功能模块主要包括计数以及定位等功能的模块，其中通信模块的工作过程一般分为输入采样阶段、用户程序执行阶段以及输出刷新三个阶段。这三个阶段互相衔接照应。PLC的主要特点包括使用方便以及灵活的系统结构和适应复杂的运行环境。

2 PLC的应用特点

（1）因采用大规模集成电路、严格的制造工艺、良好的屏蔽效果、可靠的抗干扰技术及硬件故障自我检测、报警功能，使之与传统的电磁继电器及分立元件构成的控制系统相比，PLC具有极高的可靠性和抗干扰能力。目前，市场上主流的PLC装置平均无故障时间大大超过了IEC规定的10万小时，而且为适应特殊场合的需要，许多生产商还采用了冗余设计和差异设计，进一步提高了其产品的可靠性。

（2）PLC流程从汇编语言上有指令码方式和梯形图，相对而言利用梯形图编程更直观、易于掌握、修改、调试和使用方便，不像编程器编程要记许多指令代码。PLC梯形图是从电磁继电器的控制电路图转化过来的，因而其图形符号和表达方式与传统电磁继电器电路图中的电气符号类似，对电气专业人员来说易懂易用，能快速提高其应用能力和管理水平。

（3）功能完善、配套齐全、适用性强。

（4）PLC控制系统设计周期短、占用空间小、外围接线少、并大大减小了控制电缆的铜芯截面和电缆投资，方便了设备维护，使机电设备控制系统的升级改造变得简单可行。

3 PLC在泵站自动化中的应用

泵站计算机监控系统主要包括叶片变角调节、辅助设备控制、闸门自动控制、机组开停机操作等，这些均严格按规定的顺序进行，它是典型的顺序、逻辑控制系统；传统的逻辑控制采用各种中间继电器构成，控制系统复杂，维修、维护很不方便。由于PLC具有逻辑功能强，控制灵活方便，可靠性高的特点，PLC开始取代传统的继电器控制方式，应用于泵站的信息化系统、闸门自动控制系统及计算机监控系统。

PLC虽然采用了计算机技术和微处理器，但是它与计算机相比又有区别，PLC采用面向操作的逻辑语言，以继电器逻辑梯形图为表达式，因此，从操作者的眼光来看，它已不具有计算机的特性和神秘莫测之感。并且，PLC要求能适用于恶劣的工业环境，因而它的设计着眼于可靠、高抗干扰、密封及坚固，采用模块结构，可以针对不同的控制对象进行组合和扩展，概括起来PLC有以下特点：控制程序可变，具有很好的柔性、功能完善、易于掌握,便于维修、具有高度可靠性，适用于工业环境、体积小，节能省电和节省投资。

PLC控制系统的基本组成包括：中央处理单元（CPU）、输入模块及输出模块等。不同的控制系统只要改变输入/输出模块型号，并通过修改控制程序软件，就可方便地实现各种不同的功能。

3.1 应用示例

蒋家嘴泵站位于湖南省汉寿县蒋家嘴镇，南湖撇洪河末端，距汉寿县城约25km，始建于1991年10月，装机容量2×1250kW。2008年10月，蒋家嘴泵站扩建新增装机3×1250kW，设计总排水流量180m3/s，设计扬程 2.5m，年单机最大运行时间1650h。该泵站与蒋家嘴排水闸联合运用，共同担负南湖撇洪河968km2流域面积集水的撇、排、削峰任务，并兼顾沿河两岸的灌溉、航运等功能。

本站计算机监控系统由站级计算机层（主控级）和现地控制单元层组成，现地控制级有6套LCU，分别对5台机组和全站公用设备实时监控，LCU采用GEPACRX3iPLC向站级上行发送采集的各种数据和事件信息，接受站级的下行命令对设备进行监控，又能脱离站主控级独立工作。PLC型泵站计算机监控系统的结构如图1所示。

图1 蒋家嘴泵站计算机监控系统结构图

泵站计算机监控系统的主要功能和特点。

（1）厂站层监控系统组成与配置。

●由PLC组成的计算机监控系统具有远动的全部功能，满足泵站运行的实时性、安全性、可靠性和实用化；

●远动工作站利用KLD—8002中央总通讯装置实现远动功能，接受信息采用直采直送方式；

●远动通讯规约满足三级调度主站的不同要求，采用部颁CDT规约同时兼容101规约，双通道自动切换；

●远动接口设备可通过GPS进行时钟校对，也可实现与调度的时钟同步；

●远动接口设备具有运行维护接口，具有在线自诊断、远方诊断、远方组态及通讯监视功能；

●对各级母线进行电力平衡计算，结果上传远动；

●后台监控系统配置计算机4台，安装后台监控系统软件，并配置打印机完成综合自动化的当地监控功能；

●与其它设备的接口采用综合自动化系统生产厂家配套提供的以太网系统；

●泵站自动化系统的硬件及软件具备自检和联机诊断校验的能力，并提供完善的检测维护手段，以便快速、准确进行故障定位；

●泵站自动化系统软、硬具有良好的容错能力；具有足够的抗干扰能力，符合有关IEC、ISO、GB、DL标准。

（2）控制功能。

监控系统具有密码保护系统，当输入正确操作口令和监护口令才有效进行操作控制、参数修改，并将信息进行记录。

（3）数据采集功能。

自动采集各现地控制单元的种类实时数据；来自上级调度部门的数据；火灾自动报警系统的数据；并且所有电量均采用交流采样，历史数据根据时间间隔自动存储。

（4）数据处理功能。

实时数据库：历史数据库和历史文件处理。

（5）统计计算。

对实时数据进行统计、分析、计算、产生各种数据，并进行逻辑运算、条件判断。

（6）人机界面。

厂站控制级提供人机接口功能，使泵站运行操作人员、维护人员和系统管理工程师通过操作员工作站、工程师、培训站等的人机接口设备，实现对泵站的监视、控制及管理功能。

（7）报表显示和打印。

（8）控制和调节。

运行人员可通过厂站级人机接口设备，完成对全厂被控制设备的控制与调节。它包括机组、辅助设备、开/停机顺序、油/气/水、高压电气设备、厂用公共设备等的控制与调节。

（9）事故追忆。

（10）故障和事故报警。

（11）电气主接线图及日报表的制作及编辑。

（12）安全性、维护功能等。

3.2 泵站自动化在选用PLC时应该注意的问题

（1）合理选取PLC的输入/输出单元，并留有一定的余量。

根据泵站控制系统的不同，可以确定相应点数的输入和输出单元，并且留有一定的余量以便进行扩展。一般来说，PLC的输出单元有三种常见的形式：一种是晶体管输出型，它是通过光耦合使得开关晶体管能够截止或者饱和导通以便能够控制其外电路；一种是继电器输出型，当CPU输出时，可以接通或者断开继电器的线圈，通过继电器触点控制外电路的通断；第三种就是双向晶闸管输出型，它采用的是光触发型双向晶闸管。在这三种输出中，继电器输出型的响应最慢。当控制系统要求响应速度较快时，应尽可能采用晶体管输出型单元。

（2）同一泵站尽可能采用同一型号的PLC。

目前，国内外生产PLC的厂家比较多，其中包括美国的GE、日本的三菱、立石（OMRON）和北京、上海的机床厂等。像泵站的信息化系统，闸门自动控制系统及计算机监控系统其应采用同一个型号的PLC，这样不仅有利于泵站技术人员的掌握和应用，还能够减少泵站的PLC设备，便于PLC硬件设备的互换。

（3）泵站PLC控制系统应在硬件和软件两方面采取抗干扰措施。

PLC在输出中，继电器的线圈在通断时产生的脉冲电压一方面可以对泵站其它微机控制系统产生干扰，一方面会引起PLC的电路冲击，从而导致硬件电路的损坏。为了避免这种情况出现，应该在继电器的线圈上并接反向二极管或阻容吸收电路。另外，PLC在进行软件编制时，应该采用数字滤波与软件容错技术。

（4）PLC内部电池的寿命问题。

一般来说，PLC的程序都会存放在EPROM或PROM内，这样在运行的时候就会跳到随机存储器里，如果遇到失电的情况，就只能靠电池保持运行程序和数据。泵站在任何情况下，PLC的程序和数据都不能丢失，而电池的寿命一般来说就是3～5年的时间，当电池容量不够的时候，PLC有1只指示灯会亮。因此，泵站PLC的控制系统在运行3年以后，应该注意电池的更换。

（5）泵站监控系统标准统一的问题。

由PLC构成的计算机监控系统在大、中型泵站中正逐步推广开来，而由于各类泵站装机容量、功能要求、运行工况均不尽相同，因此监控方式会千差万别。此外，因泵站计算机监控系统目前尚未制定统一的国家标准，各生产厂家及科研机构实现的方式也各有千秋，在一定程度上妨碍了设备系统的维护和升级改造，以及这一技术的推广运用。

（6）监控系统中PLC与其它系统设备间通讯的问题。

计算机监控系统与可控硅励磁系统、主变压器及母线保护、直流系统、公用设备、水位监测系统、通风空调系统等的通讯，通常因通讯协议的内容不同而对设备整合和调试带来很大的困扰，部份厂家的设备要更改参数和增加规约转换器。

（7）工作环境的问题。

我国大、中型泵站大多有专属变电站，工作电压等级一般在（35～10）kV，高压电气设备主要有变压器、互感器、电抗器等，其主要负载设备有高压同步电动机、异步电动机及各式低压电动机。这些设备均会产生工频电场、磁场、地电位和电磁辐射干扰，但220kV以下的工频电场、磁场的影响很小，主要是地电位、电磁辐射干扰，主要以电晕放电和间隙击穿为主。这种现象对高压设备和输电线路附近的微电子设备来说都是致命的；此外，大、中型水泵在运行过程中会产生很大的震动的燥声；因临近湖泊，条件有限，许多泵站工作环境温度高、湿度大；甚至工业区内的泵站还会受到粉尘、腐蚀和易燃气体的侵蚀等恶劣环境的影响，这都会造成PLC不能正常工作，从而造成设备失控或误动作。因此，PLC只有在环境温度（0～50℃之间）、湿度（应小于85%无凝露）、震动（10～55Hz的频繁或连续振动）、空气，以及电源等方面满足工作环境要求后才能正常工作。尤其是对于南方地区年运行时间极少的排洪、调水泵站，PLC电路板上极易产生凝露，需在中控室安装大功率空调设备，以保证在控制设备通电之前打开柜体门页、除湿控温、消除凝露后方可通电，否则容易出现控制设备工作不正常或烧毁电路板。

4 结 语

综上所述，PLC技术在大、中型泵站自动化控制中是一项先进的技术，它克服了传统泵站自动化控制系统的诸多缺点，减少了材料消耗，减少了维护工作，帮助泵站节省了资源，提高了泵站的工作效率。同时 PLC在泵站自动化控制中的应用又需要进一步的发展，要突破现有的技术瓶颈，适应各种苛刻环境，这样PLC在泵站自动化控制中才能得到充分的扩展和全面的开发利用。

[1]郑姝晟.PLC在电气自动化控制中的应用分析 [J].涟钢科技与管理，2012，（6）.

[2]徐锦才.PLC及其在小水电站中的应用 [J].计算机应用, 2011（7）.

[3]崔春涛.PLC在中小型水电站监控系统中的应用分析[J].科技创新与应用，2013（3）.