基于大中型PLC的排水泵站控制系统的设计与平台搭建

杨明仁

摘 要：本文主要以西门子S7-300系列大中型的PLC为中央控制器，以PLC程序及算法设计为核心，介绍了基于排水泵站控制系统的设计与平台搭建的过程。基于西门子大中型PLC的排水泵站控制系统主要由硬件系统和软件系统两大部分组成。通过PLC硬件设计与制作、外部设备改造、PLC程序设计与运行调试、上位系统平台搭建、网络通信等步骤，从而完成了对排水泵站自动化控制系统的设计与平台搭建，本文将详细阐述这些内容。

关键词：排水泵站;PLC;自动控制;水泵自动调度;液位采集

1 前言

工业发展进入“万物互联”的工业4.0时代，随着信息技术与工业技术的高度融合，市政排水泵站的自动化与远程化智能运维调度和集中管理是保障城市排水系统正常运转，城市健康发展，市民正常生活的重要手段。

现阶段排水泵站常用的控制系统有现场级控制、中央级控制两种控制模式，其中，现场级控制多采继电接触器控制系统，然而继电接触器控制系统线路复杂，故障率高，不支持远程联网通信，运维管理困难，须人工操作，现场值守;中央级控制大部分采用PLC控制系统，少部分采用DCS系统，通过中央级控制系统，能实现对排水泵站的数据采集，现场数据上传远程监控中心，通过远程运维管理和智能调度，从而实现泵站的无人或少人值守。

因此，在排水泵站信息化、智能化过程中，PLC（可编程逻辑控制器 Program Logic Control）以其高可靠性、高稳定性等特点，得到广泛应用，从而使排水泵站由传统的“单站点模式”发展为“全程联网”的远程智慧排水方式，成为市政排水行业的新型管理模式和技术指标。

2 排水泵站控制系统硬件搭建

2.1 系统的输入与输出分析

此次排水泵站控制系统设计与平台搭建项目所选取的排水泵站内共有4台潜水泵、1台格栅除污机、1台输送机、1道闸门，通过对信号类型进行分析可知，排水泵站控制系统中共有38个输入信号和11个输出信号，具体分析过程如下所述：

因此，排水泵站控制系统中共有40个输入信号、11个输出信号、4个模拟量输入信、1个RS485通讯接口、1个RJ45通讯接口。

2.2 可编程逻辑控制器PLC选型

根据输入/输出信号类型，可选择西门子S7-200PLC搭建项目，但该项目为节约成本，使用拆旧的西门子S7-300PLC，该套PLC具备预留空间，可支持后续设备新增和扩展，其硬件组态方法如图1所示。

2.3 可编程控制器PLC I/O地址分配

根据排水泵站控制系统中的输入与输出信号的种类（见表1），对PLC的I/O端口地址进行分配。

2.4 可编程控制器PLC接线和网络通信

通过使用S7 TCP和MPI协议，对系统的网络拓扑进行设计，以保障现场数据不丢包，稳定上传至远程监控中心，同时，该项目使用博途V14 作为开发环境，在博途V14项目中，对PLC系统的网络拓扑进行组态。

3 系统程序设计

排水泵站的PLC控制程序设计采用模块化设计思想，根据泵站所实现的功能，将整个控制系统划分成以下几个模块。即主程序、液位采集程序、设备运行时间计算程序、设备开停机时钟计算程序、设备运行次数计算程序、设备（水泵、格栅机、输送机、闸门）控制程序、网络心跳包监测程序、实时流量与抽排量计算程序。根据排水泵站的运行工艺流程，PLC程序设计如下文所述。

3.1 集水池液位采集程序

液位采集程序段的功能是实现对集水池当前实际液位的采集，并于上位系统上进行远程监视。本段程序使用FC块，根据公式：测量值=量程×AI通道值/27648，进行液位的计算和采集。

3.2 设备运行时间计算程序

设备运行时间计算程序段的功能是计算排水泵站内的各类设备的运行时间，并于上位系统上进行远程监视，从而指导设备管理或维修工作。程序可通过利用S7-300PLC的系统资源，如定时器、计数器，M寄存器，DB块等，当PLC收到设备反馈的运行信号时，利用时钟60进制计数的原理，计算设备当前的运行时间，累计运行时间，存储该数据，并为水泵自动调度过程做好准备。

3.3 设备开停机时钟计算程序

设备开停机时钟计算程序通过读取PLC系统时钟来保存每一次设备开启或停机时的日期、时间，该数据为泵站运行管理者提供设备运行的有力依据。

3.4 设备运行次数计算程序

该程序计算设备的运行次数，存储于PLC系统中，并在上位软件系统中进行远程监视。

3.5 流量与抽排量计算程序

该程序计算泵站运行的实时流量、累计抽排量等数据，存储于PLC系统中，并在上位软件系统中进行远程监视，以便于运行管理人员对泵站进行调度或数据统计、分析。

3.6 網络心跳包监测程序

网络心跳包监测程序的功能是对PLC运行过程中，PLC主站与PLC从站，PLC与上位系统或远程监控中心的网络通讯的监测，当发生网络或通讯中断时，及时以预警的方式上报给值班人员。

3.7 设备控制程序

设备控制程序实现水泵、格栅除污机、输送机、压榨机的手动/自动运行调度。

3.8 主程序

主程序的功能是调用以上各子程序模块，在主程序模块中按照“液位采集→设备开停机时钟计算与获取→设备运行时间计算→设备控制→流量与抽排量计算→网络通讯处理”的步骤开始主程序的执行，使各个子程序模块相互协调工作，从而构建完整的排水泵站PLC控制系统。

该项目使用西门子Portal TIA（博途）V14 开发，项目已竣工验收，投入正常运转，由于篇幅限制，若读者须博途V14项目工程，可发邮件至2467324667@qq.com获取，此处不在详细解疑程序设计的细节。