基于PLC的高原寒地浮坞泵站供水自动化系统的设计实现

2021-10-14孙中建

今日自动化 2021年2期

关键词：元器件泵站子系统

孙中建

[中图分类号] TM76

[文献标志码]A

[文章编号]2095-6487 （2021） 02-0067-03

Design and Realization of Water Supply Automation System of Floating Dock

Pumping Station in Plateau Cold Region Based on PLC

Sun Zhong-jian

[ Abstract] In recent years， under the encouragement of policy measures such as the large-scale development of the wesrern region and thecountry's increased assisrance to Tibet， Tibet has actwely attracted investment from within and outside the region， and finally "activated" the long-sleeping mines. Tibet's potential huge mineral resource advantages have begun to transfonn into Realistic economic advantage. Many mimng compameshave begun to actively deploy to ease the contradiction between supply and demand in my country's metal industry. However， Tibet is a semi-arid alpineregion with a continental climate， with harsh natural environment， high altitude， thin air， large temperature difference between day and night， and lowminimum temperature. This is a very disadvantageous side. The tailings backwater water supply system of mining enterprises is an important infrastructurefor non-ferrous metal mining enterprises. The completeness of construction and the stability of operation directly affect the stable operation of mineproduction. This paper conducts in-depth research and analysis on the PLC-based design and realization of the water supply automation system of theplateau cold floating dock pumping station， and proposes some reasonable opinions and construction strategies to further improve the stability ofthe watersupply system in the cold plateau area reliabiliry.

[ Keywords] PLC， control concept; cold plateau area; floating dock pump station; water supply automation system

1 基于PLC的寒地浮塢泵站供水自动化系统简介

基于PLC的高原寒地浮坞泵站供水自动化系统，需要针对所有的控制没备进行全而的自动化控制系统设计，重新细化进行选型，从而设计一套适用高原地区性的自动化控制系统，且增加安全运行动态检测工作，保证该系统中的各子系统的稳定性。浮坞泵站供水系统自动化控制土要是通过PLC来控制实现的，通过PLC可编程逻辑控制器，经过内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时以及计算等操作指令，实现对系统中的泵、阀及真空设备的自动化控制，实现泵阀联动启动和停止。PLC模块是整个供水系统的核心，因而PLC的选择十分重要。

项目位于青藏高原昌都市，用户环境条件为海拔高度4900m，最低环境温度-25℃。在海拔1000～5000m之间，每增高100m，气压约降低0.8～1 kPa;气压降低容易使空气电离而降低介电强度，同时冷却效能下降。海拔升高，空气温度也会下降，温度过低，又会使电气设备内的某些材料变硬变脆。日夜温差过人，易产生凝露。因而，高原地区的设备选型有其特殊的要求，需要校验其电气参数或选用高原型的电气发备产品。

2 控制系统的软硬件设计

2.1 浮坞泵站自动化供水系统硬件设计选择

研究项目选择德国西门子公司生产SIPLUS S7-300型CPU3 14C作为土PLC，SIPLUS S7-300型SM321、SM322、SM331、SM332M输入输出模块、SIPLUS S7-300型PS307电源模块组成硬件系统。SIPLUS S7-300模块的扩展温度范围从-25 - 70c，允许短时冷凝完全满足高原的环境条件。

由SIPLUSS7-300模块组成的微型PLC系统完全满足中，小规模控制系统的性能要求，各种性能的模块可以非常好地满足和适应自动化控制任务，可以十分灵活地组成简单实用的分布式结构，同时也具有多界而网络能力。该系统开关量输入输出点共128点（输入96点，输出32点），模拟量输入输出点共32点（输入16点，输出8点）。SIPLUS S7-300通过分布式的主机架和3个扩展机架，最多可以配置32个信号模块、功能模块和通信处理器。供电电源为24V直流电。硬件系统的结构框图如图1所示。

2.2 浮坞泵站自动化供水系统低压元器件的要求

海拔升高，空气密度降低，空气的介电强度也相应下降。PLC控制柜内的开关器件和元件，有两种选择方法：①选择高原型开关器件和元件，按高原型标定的额定参数进行设计。②选用常规开关器件和元件，充分考虑高海拔对常规型产品影响进行设计。受产品供货剧期和数量的要求，常常选用常规元器件，但目前人部分低压元器件都是按海拔不高于2000m （1000 m）的使用环境设计的，需要测算高原环境对低压电器产品的影响，主要体现在对额定电压（额定工作电压，短时工频耐受电压）的影响。

海拔升高，空气密度降低，空气的介电强度也相应下降，使空气间隔的放电电压明显降低，造成不利影响。①导致元器件绝缘强度降低，额定工作电压下降。②元器件内部不同电位的带电间隙容易击穿，额定耐受电压降低。

在高原地区采用通用低压元器件，如何确定工作電压？著名的帕中定律给出了压力与气体击穿电压的关系：当气体材料和电气材料一定时，电气间隙的击穿电压与电气间隙长度和气体压力的乘积有关，即U=f （P 6）曲线。该曲线表明，当电气间隙一定时，击穿电压只与气压有关。在人气条件下，主要应用谷底右侧部分，这说明空气的击穿电压与人气压成正比。在高海拔地区，以空气为绝缘的电气设备的绝缘强度将降低，海拔每升高100m，绝缘强度下降1%。因此对于低压元器件，在超过2000m海拔使用时，应降低额定电压使用。

降容系数Ku=l-（△H/100 m）×1%，在海拔5000m时，降容系数Ku=0.7，对于额定电压为AC690V的低压断路器而言，计算降容后的额定电压为552V，在AC400V的低压供电系统中是没有问题。对于额定电压为AC250V的控制元器件和仪表，例如施耐德的RXM2AB系列中间继电器，其额定电压AC250V在海拔5000m降容后，额定电压为AC，175V，完全不能满是低压AC220V的使用要求。因而，在5000m高原环境下，对于控制元器件应选用额定电压为AC400V以上的元器件，对于仪表的供电应优先选用直流24V供电，这样运行更可靠。

3 基于PLC的寒地浮坞泵站供水自动化系统设计实现方法分析

浮坞泵站自动化系统采用网络监控模式，以通信、计算机网络为基础结合PLC、继电器控制、数字化视频技术等构成。通过自动化监控系统可实现对浮坞泵站机电设备的集中监控，并与相关业务管理单位联网，实现远程监控。

整个浮坞泵站自动化系统按功能划分为泵组峪控子系统，高低压继保电气监控子系统，输水管路压力监控子系统，视频安防子系统。

3.1 浮坞泵站泵组监控子系统的设计实现

浮坞泵站机电设备均采用现地控制，计算机集中控制及远方控制相结合的方式，计算机集中控制作为系统的正常工作模式，泵站计算机集控系统通过接受上级调度指令，下发控制命令，通过PLC，实现水泵电机，电动蝶阀，真空泵组，真空电磁阀等相关设备的运行控制，采集相关参量及设备运行状态上传。系统中的各水泵电机，电动蝶阀，防冻装置，加热循环系统设有就地控制箱，现地控制采用继电器控制原理，不依赖PLC工作。泵组控制流程见图1。

浮坞泵站自动他供水系统泵组监控子系统主要具有以下儿个功能。

（1）监控中心设有操作员工作站，监测工作站等监控设备。通过网络下台，监控中心下发运行指令，实现对浮坞泵站的调水运行管理。①实时工况监测，通过PLC实时采集水位、流量、出水总管压力、每台水泵前压力、输水管路压力检测点、轴承温度、电机温度、转速、频率以及水泵、电动蝶阀、真空泵等机电设备的运行工况，并将其上传到监控系统。②实现“现地/PLC/计算机”三级控制方式对水泵、电动蝶阀、真空泵组的运行控制。

（2）数据处理、分析及存储。对接受各控制单元的实时数据，依据接受的时间顺序存入数据库，生成各种数据库，供显示、刷新、打印、检索使用。形成各类报警查询记录，生成各类运行报表，对重要监视量进行分析生成史时趋势曲线、历史趋势曲线图，对设备的动作或启停次数和运行时间进行统计处理。按照运行操作人员的管理和要求，自动生成泵组设备运行日志和各种年报表，月报表和日报表，形成各类棒图、饼图、曲线图。

3.2 浮坞泵站高低压继保电气监控子系统的设计实现

PLC提供与智能高，低压网络电力仪表，高压综合继电保护器，变压器温控仪等的MODBUS-RTU通信接口，与网络电力仪表，综合倮护器及温控仪通过MODBUS RIU进行通信，以实现对浮坞泵站高低压配电系统进行实时运行监视，PLC通过通信方式实时采集浮坞泵站高低压配电站运行过程输入信号，包括模拟量，开关量和脉冲量，经滤波检出事故故障，状态变位信号和模拟量参数变化，实时更新数据库，为监控系统提供运行状态的数据。电气监控子系统包括电气主接线图、电气潮流图、史时数据表格、各种趋势曲线。

3.3 浮坞泵站输水管路压力监控子系统的设计实现

为了实现对输水管线运行安全管理，在输水管线5处排气阀井，2处排空阀井处设立压力传感器，实现对输水压力的实时监测，保证输水管线安全。设立7处压力监控点，通过数据采集传输终端采用无线方式将监测数据传送到监控中心。由于输水管线压力监测点设备布置比较分散，西藏地区的太阳能资源比较丰富，采用太阳能供电系统供电是个不错的选择。

现场管线的压力信号通过数据采集终端采集压力信号，再通过物联网终端将压力信号传输到物联网下台，上位机监控系统通过以太网连接到物联网下台，读取压力信号。选用的物联网终端采用4G网络，直接连接基站，无需布设网络节点，接入广域网，有效地降低网络成本。

3.4 浮坞泵站视频安防子系统的设计实现

为加强对机电设备，水工建筑物的管理及安全保卫工作，提高运行管理人员分析，判断的准确性，建立视频监控系统，实时显示机电设备的运行工况和周围环境的图像。视频系统主要由高清网络摄像头，IP网络传输下台，视频集中管理下台和显示系统4部分组成。在浮坞泵站泵室设置2台室内摄像头，设备间设置2台室内摄像头，值班室没置1台室内摄像头，在栈桥设置2台室内摄像头，泵船取水口，泵船入口设置2台室内摄像头，实时监视机电设备运行工况，泵站安全及出水视频图像。

通过网络数字视频监控平台可以来管理，实时浏览、存储、转发整个系统的视频图像。