基于PLC的远程水泵控制系统的设计与开发

蒋宝春

（渤海大学，辽宁 锦州121000）

0 引言

众所周知，水是生命之源，水泵作为日常供水的主要生产工具，在社会生活的各个领域都有着很高的使用度。如何提高水泵的工作效率，尤其是在国家关于建设节约型社会的大力提倡下，借助新科技，新技术实现水泵日常管理的自动化，是一个摆在科研工作者面前的一个重要课题。只有实现水泵的远程控制才能降低不必要资源的浪费水平，从而节省相应的人力、物力和财力。和其它相对比较发达的国家相比，我国的水泵管理和控制，特别是水泵的远程管理和控制还有着很大的发展空间。在一些发展比较落后的城市和地区，水泵的日常管理和维护，多数还是通过人工的方式来完成的，自动化的管理水平和水泵的有效利用率都处在一个比较低的发展阶段。所以，如何提高水泵的远程自动化控制水平是水泵生产使用者亟需解决的一个问题。

PLC是一种目前应用比较广泛的自动化控制装置。早在20世纪的50年代，这一技术在英美等工业技术比较发达的国家得到了大规模的推广和应用。随着计算机网络技术的日新月异。PLC的发展也在模拟运算、数字运算、人际互动、网络监控等方面取得了很大的进步。特别是在上个世纪的末期，随着PLC技术发展的不断成熟，这一时期，可编程逻辑控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。随着计算机技术的不断发展，其在生产、生活等诸多领域得到了极大地推广和应用。特别是，由于PLC技术所具备的自动化管理水平以及较强的人机兼容水平，在各个生产领域，该技术得到了很好地推广和使用，比如交通运输、生产加工，矿山开采、食品加工等等。本文从PLC的基本概念和我国的水泵控制管理现状入手，设计和开发了一套基于PLC的远程水泵控制系统。

1 PLC的基本概念

PLC是可编程逻辑控制器的英文缩写，它是计算机信息技术发展和继电器等常规的控制装置进行完美结合的结果。这一技术早在20世纪的70年代在信息技术发展比较发达的国家和地区产生并得到了大规模的推广和使用。尤其是在计算机科学技术水平的发展的今天，PLC在款型种类等方面也日趋完备，人们可以根据自己的生产控制需要来选择不同的PLC机型。无论是体积比较大的大型PLC,还是精巧细致，便携式的小型PLC都具有各种特殊的功能来满足使用者的不同需求。例如，在现在使用比较普遍的PLC机型中，特意增设了人机对话的界面，便于实现用户的操作和使用，也可以通过通信连接实现可编程控制器与其它控制元件的匹配和对接。所以，PLC的推广和使用条件日益成熟。

伴随着更多计算机技术在PLC的植入，PLC的工作性能包括其系统的安全性、稳定性、可靠性和自动化的管理和升级水平都有了很大的提高和改善。作为一种自动化的工业控制装置，PLC已经成为诸多工业领域的主要控制设备，这种自动化的控制装置通过对预期实现的控制效果进行相关程序的编写与设定，与传统的继电器控制装置相比，有着比较高的自动化控制水平和实时的处理能力，是一种比较理想的工业化控制装置，具有很高的推广和使用价值。基于PLC的控制系统可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获得现场监控数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础；通过远程监控，技术人员无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数，使受过专业训练的人员虚拟地出现在许多监控地点，方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控制，以维护设备的正常运营，从而减少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的。

2 我国的水泵管理和控制现状

中国是一个人口大国，也是一个用水大国。水泵的日常管理和维护水平直接影响着居民生活和社会生产的和谐与稳定。但从目前的管理水平来看，我国大部分地区，对于日常的水泵的维护和管理还停留在过往的“重效率，轻效益”的工作模式和状态中。为了实现对水资源的充分调度，降低在供水过程中，不必要的资源的浪费，很多地区的水泵管理呈现集中化管理态势。这种管理模式确实在控制能耗和提高资源利用率方面发挥了巨大的作用。但是，随着工农业用水量的不断增加，势必会加大水泵的日常工作压力，尤其是水泵维护人员的劳动量也越来越艰巨。同时，我们要看到，在集中化管理模式的引导下，很多泵站采取了“化多为简”的水泵安装思路。换句话说，用几台功率较大的水泵来替代以往数量较多，但功率较低的水泵。这样以来，水泵则成为能源消耗大户。根据国家最新的能源使用调查显示：水泵在日常的工业耗电领域中占有很大一份比重，据不完全统计，工业生产过程中，每产生10度电的能耗其中有1度是由水泵的工作而产生的。

所以，随着我国环境资源的日益紧张，缺水是目前很多地区发展的一大瓶颈。与此同时，由于水泵的日常管理需要大量的人力，而人力资源的用工成本也越来越高，很多供水企业通过削减人员数量的方式来实现降低用工成本的问题，为未来的水泵的日常维护埋下了很多安全隐患。以污水泵站为例，其日常运行及维护按照传统的管理方式需要很大的工作量，目前国内很多企业仍然采用人工巡查的办法，具有工作量大、效率低、反应慢的特点，所以，借鉴西方比较发达的远程水泵控制系统，具有很重要的现实意义。这种远程控制系统，不仅可以实现不在现场的远程自动化的水泵控制。更可以，通过对相关数据的采集和分析来合理调度水泵的有效使用率，避免水泵资源的浪费，有助于我国节能社会的建立和实现可持续的发展。

3 基于PLC的远程水泵控制系统的设计

远程控制系统并不是一个新鲜的概念，虽然在学术界关于它的界定还众多纷纭。但是一些有关远程控制系统的内涵元素还是得到业界普遍共识的。例如，远程控制系统是在计算机网络技术的支持下，通过相关控制程序的预先设定，来实现对工业生产或加工的一种远程的操作和控制技术。这种技术对操作系统的稳定性有着较高的要求。所以，在本文的基于PLC的远程水泵控制系统的设计中，对于可编程控制器的选择以及相关指令的输入和设定是实现水泵远程控制的重要一环。

3.1 选择匹配远程水泵控制系统的PLC

可编程控制器在整个水泵的远程控制系统中，扮演者非常重要的角色。目前在PLC市场中主要有两种样式，按照结构形式的不同，可以把其归纳为整体式PLC和模块式PLC.在加工或控制要求不高的领域，一般采用的是整体式PLC，这种可编程控制器的价格相对来说比较低，但体积较小，本身的灵活性较差。相比较而言，模块式PLC的功能比较全面，能够满足不同层次的控制和管理要求。

我们从水泵远程控制的实际需求出发，在多方面的参考和比对下，最终采用了目前技术条件比较成熟的韩国三星公司生产的一款可编程控制器，这一款PLC比较匹配我国当前的水泵的技术水平和特点。这一款可编程的控制器的技术参数比较匹配本文所设计的远程水泵控制系统。它包含30个点数，其中包括18个数据输入点，12个数据输出点，以及1个RS-232通讯/编程口，一个RS-485通讯/编程口。在该可编程控制器中，韩国三星公司特意编写了相关编程软件方便我们在日常系统使用过程中，进行必要的连接和调试，操作性比较强。

3.2 选择匹配远程水泵控制器的文本显示器

在实现对可编程控制器的编程和使用过程中，选择一款性能良好的编程终端有着非常重要的意义。一款性能良好的文本显示器可以有效的提高整体系统的操作水平，该文本显示器应该具备比较强的稳定性，特别是抗干扰能力要强，除此之外，这一文本显示器的可操作性以及交互性都应该在一个比较理想的水平。本文在设计基于PLC的远程水泵控制系统时，借鉴同行业的研究成果和指导建议，最终采用了由德国西门子公司研发的一款文本显示器。这一款文本显示器的市场美誉度比较高，蓝色底屏设计，人机交互能力比较强。更主要的是它的兼容能力比较强，可以和市场中大多数的PLC进行对接和连线监控，价格也相对来说处于中等水平，机身的设计，显示器的通讯性能和画面的优质程度都比较令人满意，可以说是一款性价比比较高的文本显示器。

3.3 基于PLC的远程水泵控制系统的设计

在基于PLC的远程水泵控制系统的设计中，我们采用的是系统设计领域中比较盛行的分层设计法。根据远程水泵的实际控制需要，我们把该水泵控制系统分为三层。

首先，设计现场控制层。在这一控制层中，发挥主要控制作用的可编程控制器。在启用可编程控制器以前，我们会根据事先调查的相关有效数据进行编程数据的扫描和输入。具体来说，在水泵的远程控制系统中，首先将相关检测指令进行输入扫描，在这个过程中，编程控制器会按扫描方式读入该可编程控制器所有端子上的输入信号，并将这些输入信号存入输入映像区。在本工作周期的执行和输出过程中，输入映像区内的内容不会随实际信号的变化而变化。

在相关的指令编写过程中，PLC的控制系统首先会对预先输入的数据和信息进行扫描。这种扫描的顺序是按照上下左右的顺序来完成。扫描指令要求用户编写要符合程序的语言编写要求，一般是默认用户以梯形图的方式来完成的指令的编写。在完成对水泵日常使用的具体指令之后，PLC会根据系统的要求，来自主实现其内部的逻辑数字运算，通过对结果的分析来实现对相关指令的调整和优化。最后，在指令编写完成后，该系统会将相关指令传达到相关的数据输出端口。在输出端口，编程控制器的相关指令会转化为具体的水泵的操作。

其次，在基于PLC的水泵远程控制系统中，要设计一套中央控制层，来实现对整个水泵远程控制系统的监控和操作控制。这一中央控制系统和上文所述的现场控制层要独立分开来运作，来实现功能实现的抗干扰性和独利性。具体来说，在这一层系统之中，要建立专门的水泵运行管理枢纽，这其中包括专业的工控机服务器来负责相关整体数据的采集和分析。通过远程数据的传输系统来实现对现场操作层的监管和指导，必要时完成对水样、水量、水泵工作相关数据的分析和备份，实现对水泵运行的宏观监控。同时，为了实现水泵远程控制系统的顺利执行相关操作，现场控制层有一定的自主决定权。也就是说一旦由于通讯故障而引起的数据传输的错误时，现场控制层可以进行独立操作来实现水泵日常工作的有效运行。

最后，设计物理执行层。在这一层主要是实现远程水泵控制系统对各个具体机器的监控和操作。具体来说，在现场控制层根据预先设定好的操作指令，根据各监控信息和数据的扫描制定相应的执行命令来实现对水泵的远程控制，其中包括水泵工作的开启与停止，工作时间和工作周期的调整以及水泵工作功率的设计与调整等等。和传统的以人工进行现场操控的方式相比，在可靠的数据传输的保障下，各种指令都可以通过计算机的自动化管理来实现。例如，在以往的水泵维护过程中，各个水泵工作站一般需要安排专人来值守，每天对水泵的工作状况进行现场的监管，所有的水泵的操作都是值守人员在上级水泵管理的指示下，通过人工来完成。所有的数据和信息的交互效率比较低，一旦出现故障或事故，很难在第一时间实现对水泵设备的有效操作，更谈不上对相关数据的整理与分析。基于PLC的水泵远程控制系统可以有效的规避这一点。通过在物理执行层中相关物理数据的设定，在远程控制系统操作过程中，如果水泵的日常工作出现异常的变化，远程控制系统会自动对其数据进行跟踪和扫描，根据故障的分类来进行不同的预案来处理，在处理过程中还会实现对有关数据的上传与存储，便于系统维护性能的提高与升级。

通过上述三层的设计，我们在一些水泵工作企业进行了尝试性的使用，发现在水泵的日常维护方面，基于PLC的水泵远程控制系统的工作状态比较理想。但由于水泵自身所存在的技术问题影响了整个系统指令的顺利实施，但总体上来看，基于PLC的远程控制系统还有很大的推广价值。

4 结语

基于PLC的水泵远程控制系统在设计完成后通过在一些水泵使用比较密集的生产企业进行投入运行，取得了非常好的效果，极大的提高了水泵的自动化生产水平，改善了水泵的使用效果，降低了用工成本。与此同时，由于该远程控制系统具有操作简单、可靠性高、使用寿命长、节能高效等优点，在未来的企业中具有极大的推广价值。水泵作为一种重要的供水工具，关系着社会生活的方方面面。大力推行技术革新，提高水泵的日常工作效率和节能效益具有很大的社会、经济和生态效益。PLC作为一种先进的自动化的控制装置具有很大的推广价值。在本文设计的基于PLC的远程控制系统中，水泵的日常维护和管理水平有了很大的提高。一方面，通过远程控制可以在综合数据分析的基础上，实现水泵工作效率的提高，保证其产能的正常运行。另一方面，由于远程控制系统的存在，在第一线的水泵的日常管理中，节省了大量的人力、物力和财力为水泵企业的发展减轻了经济负担，增加了发展的活力。随着，PLC技术的不断推广和成熟，特别是在互联网技术的支持下，未来有可能实现更大地区的远程控制系统对水泵的日常的维护与管理。

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