泵站自动控制系统分析

张建干

（福州市城市排水有限公司，福建 福州 350007）

0 引言

建立泵站自动化监控系统能有效提高泵站设备的可靠性、安全性、可维护性及控制操作的自动化水平，实现泵站管理人员在泵站监控中心远程监测站内格栅机的工作状态、污水池液位、提升泵组工作状态、出站流量、池内有害气体溶度，水质情况等[1]，为雨污泵站的日常管理提供依据，为水电站的重大工程决策提供数据支撑，减轻运行人员的劳动强度，基于动态数据的大数据研究与应用实践，提高泵站系统运行的智慧化水平，在泵站管理工作中达到用数据说话、用数据决策、用数据管理、用数据创新和“无人值班、少人值守”的运行管理要求。

1 泵站自动化监控系统

1.1 泵站自动化监控系统网络拓扑图

泵站自动化监控系统网络拓扑图如图1所示。

图1 泵站自动化监控系统网络拓扑图

1.2 泵站自动化监控系统组成

泵站自动化监控系统主要由以下几个部分组成。

（1）远程监控中心。通过泵站监控系统中的综合信息管理平台，泵站管理人员可以实时监测各排水泵站的运转情况和排水设备的运行参数，可以远程控制排水设备的启停、可以以图像的形式对泵站中的重要工位进行远程监控。

报警功能、参数设置功能、报表制定功能、趋势曲线绘制功能皆是监控中心综合监测功能。控制系统划分为系统工艺、监测异常、监测趋势、历史报表、参数设置5个部分，分别实现系统不同的功能。①系统工艺：展示泵站工艺和设备的监测信息。②监测异常：该功能可以对历史报警记录、历史操作记录以及设备启停记录进行检索，并设置检索条件，用户可以查询某一监测时段内的异常信息，系统提供打印和导出功能。监测趋势：由于数据信息采集系统中的工艺参数与泵站设备运行的电流参数不同，使得其趋势曲线及监测参数也会不同，因此可以将设备的运行趋势分化为“设备运行”“液位运行”。在每一个趋势页面都提供了曲线历史查询、曲线隐藏、坐标调整、曲线打印等功能。③历史报表：根据系统采集参数用途的不同，系统定制了不同功能的报表，包括日报表、月报表、年报表。日报表包括设备运行日报、产量日报表；月报表统计了泵站每天的提升量和提升泵每日的运行时间。系统报表提供历史查询操作、报表导出和报表打印功能。④参数设置：系统提供的设置参数有设备、工艺相关参数的报警限值设置。

（2）通信平台。通信平台通常有两种：一种是有线通信，每个泵站与管理处之间租用光纤实现通信，调度中心、泵站监控中心及各职能部门之间通过局域网实现通信；二是无线通信：每个泵站与管理处之间通过GPRS无线网络实现通信，调度中心、泵站远程监控中心、各职能部门之间通过局域网实现通信。

（3）泵站PLC控制和仪器仪表系统。PLC控制和仪器仪表系统安装在泵站中，用于监测水池液位，排水流量，泵的启停状态、控制模式、电压、电流、保护状态，监测安防报警、巡检，以及监测有害气体浓度。支持水泵启动设备手动控制、自动控制，还能远程控制排水泵的启停，支持远程切换控制模式。

泵站控制系统工作在“就地”和“远程”两种方式下。采用“就地”方式时，手动操作现场控制箱、控制柜上的启停按钮；采用“远程”方式时，分为二种情况，当开关处于“远程手动”时，现场控制站及中控室可远程启动提升泵，当开关处于“远程自动”时，泵组根据泵站进水液位高低进行控制。远程手动、远程自动两种控制模式应有控制选择和互锁功能。

现场控制站根据泵站液位计信号自动控制水泵运行。当进水泵房液位增加到某个设定值（启动水位）时，PLC将自动启动一台水泵投入运行，如果液位继续增加至另一个设定液位值（启动水位2），PLC又会自动增加一台水泵投入运行，直至2台水泵同时开启。如果进水泵房液位下降至某个液位值（停泵水位），PLC将自动停止一套水泵的运行，直至关闭所有水泵。现场控制站将实时记录每台水泵的运行时间，遵循等利用率原则，累计运行时间最短的水泵优先考虑启泵，累计运行时间最长的水泵优先考虑停止运行。当连续数次（可修改）启动水泵失败时，应自动启动备用水泵，同时对故障水泵的状态信息进行记录及报警。此外，现场控制站还要记录每台水泵每小时启动的次数，水泵在一定时间范围内的启停次数及时间间隔应符合水泵特效的要求，时间范围及时间间隔以分钟为单位，并可修改设定。由于停泵或启泵时会出现水位的浪涌现象，此时的液位为非正常值，为避免水泵误动作，设定每次的状态变化后应延迟2 min（可设定）后才进入水位控制程序。

2 PLC技术综述分析

2.1 PLC技术概念及原理分析

PLC技术是一种可以进行编程的逻辑控制器，也是一种可以借助数字运算操作对其进行编程的存储系统，可以将PLC技术简单地理解为是一台用于工业生产领域的微型计算机。工业生产中肩负着逻辑运算、控制顺序以及计算操作等指令[2]。电气工程及自动化控制中充分应用PLC技术，可以有效地提升控制机电系统的运行和管理性能，将PLC技术的优势充分发挥出来，使得当前的信息采集工作更加可靠、采集的信息更加真实，技术人员采用扫描的形式开展工作，可以提升工作人员的工作效率，特别是信息采集及样本数据的输入，运用PLC技术后，技术人员完成信息采集工作，系统就可以对信息进行自动存储，使工作人员的工作变得更加简便。

PLC技术的通用模拟量换算公式如下：

上述公式中，Ov表示最终的换算结果，Iv为公式换算的主体，Osh为换算结果的最高上限，Osl为换算结果的最低下限，Ish为换算主体的最高上限，IsI为换算结果的最低下限。

模拟量信号是当前自动化过程控制中的基本过程信号，过程信号经由变送器，将其转化成为统一的电压及电流信号，同时将该信号传输至控制器，借助上述公式可以直接将模拟量信号转换成为数值信号，以此来实现对泵站的自动监控与控制。

2.2 PLC的特点

PLC控制系统将传统的继电器控制技术、计算机控制技术、通信技术融为一体，具有可靠性高、编程方便、对运行环境要求低、与其他装置配置连接方便等优点[3]。将PLC控制系统与继电顺序控制系统进行比较发现，PLC控制系统大部分为软件控制，系统结构紧凑、体积小；内部全部为“软接点”，速度更快，系统的控制功能改变一般需要修改程序；系统的设计、施工、调试周期短；系统具有较强的自检、监控功能，可靠性高、适用范围广。

2.3 PLC的基本组成

（1）中央处理器。主要用途为处理和运行用户程序，针对外部输入信号做正确的逻辑判断，并根据结果输出给各模块，以控制生产机械按既定程序工作。此外，可以对其内部工作进行自动检测，并协调各部分工作，如有差错，则立即停止运行。

（2）存贮器。ROM指只读存储器，主要存贮系统管理和监控程序，并能对用户程序做编译处理。RAM指随机存取存储器，用来存放由编程器输入的用户控制程序。

（3）电源部件。电源部件将交流电源转换成供PLC的中央处理器、存贮器等电子电路工作所需要的直流电源，使PLC能正常工作。为提高系统可靠性，目前大部分PLC采用开关式稳压电源供电，用锂电池作停电时的后备电源。

（4）输入、输出模块部分。这是PLC控制设备和被控设备相连接的接口电路，包含开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块。开关量输入模块接收各种控制信号，如按钮、选择开关、行程开关以及一些传感器输出的开关量等，通过输入接口电路将这些信号转换成中央处理器能够接收和处理的信号。开关量输出模块将中央处理器送出的弱电控制信号转换成现场需要的以驱动阀门、接触器、电机等被控设备的执行元件。模拟量输入输出模块采集和输出模拟量信号，比如水泵的电流和频率。

（5）通信模块及变频模组。技术人员可以借助软件编程的形式将通信模组以及变频模组写入，便于使用人员对PLC设备进行数据检查、信息修改以及用户调试等一系列操作，也可以实现对PLC设备的实时监管。

2.4 PLC运行机理

PLC技术的实际运行机理主要可以分为三个部分，分别为输入采样、用户执行以及输出刷新[4]。

（1）输入采样阶段也是PLC技术运行的第一阶段，技术人员借助PLC技术对数据主体进行分析扫描，并通过单元的形式对其进行存储，将其放置在I/O的映像区域内，之后便可以进入下一个处理阶段，在后续的两个处理阶段中，即便是所输入的数据发生了变化，在第一阶段输入I/O映像区的数据也不会随之改变，只有在脉冲信号被输入后，其后面的输入数据才能被再次扫描读取。

（2）用户执行阶段是PLC技术运行的第二阶段，技术人员会借助PLC技术对用户的使用程序进行由上至下的扫描，并对其进行运算[5]。在得到运算结果后，就可以在逻辑线圈的运行存储区域中的对应位置进行系统刷新，在这个刷新的过程中，技术人员如果使用I/O编程指令，是可以直接对I/O点记性读取，但是映像区中的数据不会发生改变，系统程序可以在I/O模块中对数据进行截取，同时寄存器的刷新会对输出过程产生一定的影响，这一阶段的处理与执行过程与输入数据是存在不同的。

（3）当PLC技术的第二阶段运行完成后，就可以直接来到运行的第三阶段。PLC技术的刷新阶段，在刷新阶段中系统CPU会依照I/O映像区内与之对应的数据，对输出电路进行刷新，对输出电路的实际驱动的运行进行有效的控制，进而达到对电气自动化控制的真实目的。

2.5 顺序控制技术

顺序控制技术是当前PLC技术在电气工程及自动化控制中应用的重要代表，也最早应用于电气工程及自动化控制中的PLC技术。顺序控制是指对正在运行的电气设备进行顺序控制，使其可以按照技术人员预设的流程与顺序运行，顺序控制技术对于当前的企业生产流程有着极大的推动作用，不但可以为企业节约一定的成本，也便于管理人员对实际的生产流程进行有效的控制[6]。PLC技术中的顺序控制技术能够有效地实现电气工程自动化控制，进而充分促进我国工业领域的发展与进步。分组电机顺序控制图如图2所示。

图2 分组电机顺序控制图

3 结论

通过多年的实践应用，泵站自动控制系统多优势已经显现，可以减少人员投入，提高维护质量，减少事故发生，提高设备的使用率，保证安全生产，它具有完善的监控功能，能满足泵站安全运行及运行参数实时监控的需要，操作方便，可靠性强，实现了泵站设备远程监控，全面感知现场状态，数据可测、设备可控，过程可回溯，为泵站运行实现“无人值班，少人值守”创造了有利条件。