基于罗克韦尔PLC的污水泵站自动控制系统研究与设计

吴茹石，王俊美

（无锡机电高等职业技术学校，江苏无锡 214028）

0 引言

随着我国城镇规模的不断扩大、城市人口地迅速增长以及经济地快速发展，导致了城市污水量的迅速增加。传统的污水泵站一般由各种设备相互独立构成，值守人员很难准确无误地操作各个设备，操作失误的可能性很大。因此原有的污水泵站已经无法满足无人值守，节能高效等现代自动化系统控制要求。

随着通信信息技术的高速发展，目前的自动控制系统正逐步转化为普遍采用PLC控制、HMI人机界面和视频监控，以工业以太网络为主的企业信息集成系统。本文以一污水泵站为应用背景，设计了基于罗克韦尔PLC控制、工业以太网通信的污水泵站自动化控制系统。

1 污水泵站工艺流程

城市的生活污水通过污水管网首先流入污水泵站集水池。集水池中分布多台格栅机用于固体垃圾的过滤。每台格栅机前后装有一组启闭机。启闭机主要用于切断水流，方便故障格栅机的维修及维护。格栅机过滤出来的固体垃圾将通过压榨机输送到垃圾箱。经过过滤的污水储存在集水池中，当水位到达设定水位时，控制系统自动启动排污泵将污水送至下级泵站或者污水处理厂。具体工艺流程如图1所示。

2 污水泵站的总体设计方案

泵站一般可分为三大部分：（1）主控室——主要包括上位机、PLC柜、配电柜、视频监控设备及相关保护装置；（2）高低压配电室——高压配电室主要为格栅机、启闭机、排污泵等设备提供工作电源。低压配电室为传感器、仪器仪表、现场控制箱等低压设备提供工作电源；（3）现场执行设备——主要包括排污泵、格栅机、启闭机、各个阀门等。

本文主要研究内容包括以下几点：（1）根据泵站设备分布和用电情况，确定泵站供配电方案。（2）根据泵站流量具有非线性和滞后性的特点，实现集水池水位控制。（3）根据水泵运行情况设计最佳水泵轮换工作方案，实现水泵均衡磨损。

图1 污水泵站工艺流程

本文设计的污水泵站自动控制系统需要实现的主要功能有：（1）实时监控泵站运行状况——包括水泵启停、电压电流、轴承温度，格栅机工作状态，集水池液位，累计排水量，启闭机阀门的开关位置等监测数据。（2）实时进行设备控制——包括手动控制、自动控制、远程控制3种控制方式。（3）故障诊断和报警功能——包括水泵自身故障、水泵过载和外部供电故障及集水池液位超警戒水位告警。（4）网络视频监控。（5）信息查询生成报表功能——包括所有监测信息、报警事件和操作信息的查询、生产报表及打印功能。（6）人机界面友好，便于用户操作。（7）具有扩展功能。

因此，该污水泵站的自控系统具有较高的可操作性、可靠性和可扩展性。

3 供配电设计

污水处理厂泵站负荷为AC380V/220V低压负荷，供电电源按照二级负荷配置，2路10 kV电源来自污水处理厂变电站。在泵站高低压配电室设高压柜、干式变压器及低压负荷中心。低压负荷中心为泵站内各设备提供低压电源，采用两段母线，两段母线之间设母联，当一路电源失电后，母联开关合上，由另一路电源供电，两路进线之间有连锁，确保供电的可靠性。低压配电系统采用TN-S接地形式。

4 自动控制系统硬件设计

4.1 控制系统结构

污水泵站自动控制系统主要由上位机监控系统、PLC控制部分、测量仪表和被控设备组成。根据泵站控制要求和现场设备安装地点，系统分为控制管理级和泵站现场监控级两级网络。第一级（上层）控制管理级在中控室，带有视频监控，主要监控整个泵站内格栅机和每台泵的运行状态，显示重要参数和传递控制信息。第二级（下层）泵站现场监控级，以PLC作为底层控制中心控制和驱动泵站设备、采集存储信息，供上层管理级调用。控制系统结构图如图2所示。两级之间通过高速EtherNet实现控制信息和相关数据的传输。

图2 泵站控制系统结构

4.2 系统硬件配置

为保证污水泵站的高可靠性和高稳定性，本文选用罗克韦尔PLC产品。

根据泵站系统控制要求选用Control Logix5000系列PLC，根据系统I/O总点数和系统互联要求，控制器选用模块1756-L61；电源模块选用1756-PA72，220V供电，电流容量为2 A；机架选用提供13槽的1756-A13；机架中插入采集现场数字量信号的DI输入模块1756-IB32，采集现场模拟量信号的AI输入模块1756-IF16，控制现场设备的数字输出信号DO输出模块1756-OB32；泵站内的信息传送以及与污水厂之间的通信都通过工业以太网实现，因此选用1756-ENBT以太网组网模块；同时可在机架内插入一块MODBUS通信接口模块MV156-MCM。该模块可实现PLC控制器与MODBUS现场设备之间的通信，增强PLC通信能力以便完成复杂的控制要求。

5 系统软件设计

5.1 系统软件

系统的软件主要由泵站PLC编程软件和中控室上位机监控组态软件组成。PLC编程软件使用AB公司的Sutdio5000，Sutdio5000除了进行PLC编程，也可以进行触摸屏编程。上位机使用Factory Talk view SE组态软件。上位机与PLC建立通讯采用AB公司统一的通讯软件为RSLinx，RSLinx软件集成了OPC协议，因此与第三方软件进行数据交换也非常方便。

根据控制系统需求，具体程序中主要包括格栅机启停程序、排污泵控制程序、数据处理程序及上位机监控程序。

5.2 格栅机自动控制程序设计

格栅机的启动控制分为现场和远程两种方式。现场可通过转化开关就地控制；远程状态时可根据需要手动或自动控制。手动方式可通过上位机或触摸屏进行启停控制。当选择自动方式时，格栅机将按照PLC程序设定运行，控制流程如图3所示。

每台格栅机前后装有液位差计，当格栅前后水位差达到设定值后，PLC控制格栅机运行，运行时间到自动停止；停止时间到或液位差再次到达设定值，则格栅机再次运行一个周期。运行过程中随时监控设备情况，如有设备故障情况或者格栅机前后水位达到警戒值，则发出警报，提醒值班人员检查设备排除故障。

图3 格栅机自动控制

5.3 排污泵控制程序设计

排污泵的启停分为本地和远程两种方式，远程控制方式也可分为手动和自动两种。自动控制模式是通过集水池中的液位计将采集到的水位信号送到PLC，PLC根据程序自动控制排污泵的启停和报警。全自动控制流程如图4所示。排污泵控制程序有几个问题需要考虑：（1）为保证排污泵均衡磨损，应根据每台泵的累计运行时间设计排污泵轮换工作方案，确定每台泵机的优先度；（2）从节能和保护设备方面考虑，需要根据泵站电机在不同水位工作时的扬程，流量、功率和效率多方面确定泵站最佳耗能水位。自动控制的最佳方案应该使水位保持在最佳耗能水位。（3）排污泵的运转台数根据集水池液位控制需要确定启动台数，并根据轮换优先度延时错开启动，如遇当前设备故障，则启动接下优先度设备。

5.4 上位机监控管理

上位机组态软件是采用AB公司的Factory Talk view SE组态软件，实现远程监视控制、报警、日志记录和等功能。操作人员可方便的设置格栅前、后液位差，排污泵开停的水位值，排污泵运行电流上下限及进线电压上下限等，以确保泵站可靠运行，并使泵站运行情况一目了然。上位机主窗口操作界面如图5所示。

6 结语

本文所研究设计的基于罗克韦尔PLC的城市污水泵站自动控制系统通过方案设计、软件设计及硬件设计等过程，实现了预期的功能。该系统改变了传统手工操作方式，减少人员使用，降低运营成本，泵站的日常运行也更加安全可靠，本次设计符合实际需要。希望通过本文研究，能将自动控制技术更好地用于完善污水泵站的运行控制，为污水处理产业创造更大的效益。

图4 排污泵自动控制

图5 主窗口操作界面示意