基于PLC 技术的水利泵站自动化运行控制策略

柴 威

（山西万家寨水控水资源有限公司调度分公司，山西 太原 030000）

PLC 技术是基于现代工业生产所产生的一种全新控制手段，其在计算机技术、数字控制等技术的支撑下，通过数字运算实现电子系统的控制。从PLC 技术系统结构来看，其内部设置有可编程序存储器，该存储器不仅为逻辑运算、顺序控制的执行奠定了良好基础，而且为定时、计数等操作指令的实现提供了支撑，在可编程序存储器的作用下，通过输入各种数字或模拟式的控制指令可实现工业生产中各类设备的有效控制[1]。随着信息化技术的飞速发展，通过计算机控制PLC 技术已经几乎涵盖了整个工业领域，随着市场经济的不断深入，顾客对产品的需求也在向着小批量、个性化、低成本和高质量方向发展，为了适应市场需求，工业生产设备就必须满足自动化、可靠性和灵活性，PLC 技术的出现正好能够满足以上这些功能的需求。本文就PLC 技术在水利泵站自动化运行控制中的应用要点展开分析。

1 PLC 技术的特点

现代工业生产模式下，工业技术的应用已经从过去粗犷式的生产方式，逐渐转变成更加自动化、精细化、高效率的生产方式。PLC 技术就是为了满足上述需求而设计和生产出来的，其主要功能包含有定时、存储、逻辑运算等，能够满足工业生产过程中所需的各种操作，用户在使用过程中可以按照自身需求进行逻辑编程和灵活调整，并通过采样录入、执行操作、完成刷新共同构成PLC自动控制系统功能的实现步骤，从而形成一个多功能、高效率、复杂而统一的自动控制模块[2]。这些模块具有与工业设备紧密相连的输入输出程序和信息网络，能够快速、高效地完成工业生产所需的各种操作，从而实现工业生产设备的自动化运行，且能够达到各项功能间紧密结合、相互补充的完整体系。PLC 技术下的工业设备配套齐全，功能完善，其不仅具有较强的抗干扰能力，而且整体的适应性较强，有效保证了工业生产的可靠性。现阶段，凭借着简单易学易用的优势，PLC 技术在工业生产中的应用极为广泛。

2 PLC 的主要功能描述

PLC 控制技术最早产生于上世纪60 年代，其在改变工业生产模式的基础上，有效提升了工业生产的效率和质量。相比传统的工业设备控制技术，PLC 控制技术本身的可靠性较高，实用性较好，而且在实际应用中，其具有接口功能强，编辑简单的特点，能有效满足工业设备直观化、模块化控制需要。

从PLC 控制技术应用过程来看，其控制功能的实现与计算机系统的应用有较大关系。在与计算机系统衔接中，PLC 承担下位机的职能，在PLC 系统作用下，工业生产人员能快速地完成输出控制，实现数据的采集和设备运行状态的判断。微型计算机或工业控制器在整个控制系统中承担上位机角色，这些上位机不仅要进行数据分析、计算，还要进行相关信息存储和状态现实，此外其需要根据生产需要完成打印输出工作，实现被控制系统的实时监控。

水利工程项目建设中，人们对于水利泵站的自动化控制要求不断提升，基于这一要求，PLC 技术在水利泵站实时监控中得到了广泛应用。在实际应用中，通过PLC技术与微机监控系统、自动化控制系统的集合，有效地实现了水利泵站实际运行状况的分析和监测。在水利泵站运行中，基于PLC 技术能实现多个项目的自动化检查。其中较为常见的检查项目不仅包含设备规格型号检查，还需开箱检查，而且涉及产品说明书判断、合格证、资料和附件检查，此外设备外观是否有损伤、紧固件是否松动等都是PLC 技术下水利泵站自动化检查的重要内容。实际检查中，为提升PLC 技术的应用水平，还应注重以下要点控制：其一，应通过手动实验，确认盘面触摸屏显示正常，操作灵敏，同时应判断空开分合闸是否灵活、可靠。其二，在静态试验过程中，应确保输入、输出开关信号是否正确，保证中间继电器正常动作，此外应确保接地/接零牢靠，满足设计要求。其三，主站安全检查中，应判断其接地电阻，要求接地电阻小于4 Ω，在此基础上，应保证输入输出信号正确，反应灵敏，尤其是在上位机通信控制中，要求以太网按照10 MB/s 的速率运行，数据传输正常。

3 PLC 技术在水利泵站自动化运行系统中的应用

3.1 选择合适的型号

PLC 在其应用过程中需要根据工业生产使用的实际需求进行选型，不同型号的PLC 产品具有不同的价格、操作系统、市场价格、编程和结构方式，企业必须根据自身的实际使用需求来选择和组建能够满足使用需求且性价比高的组合方案。在选择PLC 型号时需要参考以下几点技术参数：（1）PLC 的容量，该项技术参数能够直接决定其能够设置的最大编程步数，企业在选择时一定要选择大于自身编程步数需求的产品，以满足工业生产和使用的需求；（2）电源模块，该模块不仅为CPU 模块的运行提供了可靠的电源，而且为I/O 模块等其他扩展模块的运作提供了动力支撑。要注意的是，PLC 主机用电电源具有有限性，如果在使用过程中根据实际需求增加扩展或外设单元，并且新增的扩展或外设单元和原有单元模块的用电量超出主机电源额定值时，这个PLC 主机就需要增加电源模块；（3）I/O 模块，主要功能是作为PLC和工业生产现场相互联系的桥梁，其中输入模块是用来接收和采集输入信号的，输出模块是用来接收CPU 模块处理过的数字信息的；（4）通信联网能力，在通信联网作用的支撑下，不仅能实现PLC 与PLC 之间的信息交互，而且实现了PLC 与上位计算机以及其他智能设备的数据流通，在一定程度上，通信联网使得PLC 与控制单元形成了一个统一的整体，实现了个单元的分散集中控制。要注意的是，几乎所有的新一代PLC 产品都有通信联网功能，在RS-232 接口的作用下，通过与双绞线、同轴电缆或光缆的应用，PLC 新产品可实现较大范围内的信息交换，满足了实际应用需要；（5）特殊功能模块，主要功能是为了满足PLC 在工业生产过程中的某些特殊需求而增加的对应扩展模块，主要用于实现CPU 无法实现的特定功能单元，其功能的实现独立于CPU 之外。

3.2 运行系统中的设置

水利泵站运行中，泵站主控室不仅包含了PLC 柜、配电柜，而且涉及上位机、监控系统和保护装置等单元的应用，其中以主控制室内上位机监控和PLC 系统为主，其电源由低压配电室进行供电，现场设备由低压和高压配电室根据设备自身的运行需求情况进行供电。

3.3 现场控制单元设计及结构

公用设备控制系统外，PLC 现场控制单元包含了机组辅助系统的应用，此外泵机闸门启停控制系统也是PLC 现场控制单元的重要组成。从现场控制单元结构布局来看，其在一个控制柜当中集中装入各个机组控制系统，这些机组控制系统不仅包含回油箱油泵、发电机冷却风机，而且涉及轴承油泵、高压油顶起装置，此外调速器油压装置等都是机组控制系统的重要组成。为保证主控制回路运转的高效性、稳定性，在其设计阶段，应在控制系统中考虑各个泵站的软启动设计，同时对热继电器、接触器、断路器的应用进行系统管理，此外应考虑中间继电器、隔离变压器、信号灯的使用过程控制，值得注意的是，在控制系统设计中，还应对转换开关、空气开关、按钮及可编程控制的回路进行优化，提升整体设计质量。

PLC 现场控制单元系统设计包含了较多的内容，其中除程序设计、硬件配置外，安全回路设计、任务分解也是PLC 现场控制单元极为重要的内容，另外人们在系统设计中还需考虑泵站功能分析，继而在控制室面板的作用下，实现各个结构远程控制单元的有效分析。要注意的是，在PLC 现场控制单元系统设计中，应注重各个设计单元之间的连锁管理，以此来保证各控制单元相互作用功能的实现。机体的电气控制系统除了驱动电机运转之外还包含了润滑油泵、制动器控制、电机速度控制、电机温度控制、冷却风机控制等功能。

3.4 组建现场控制单元的PLC 网络

PLC 网络在现场控制单元功能发挥中起到关键作用，就PLC 各控制单元而言，其主要是借助计算机网络来实现系统连接中，在这些系统连接下，现场控制单元形成了一个分布式的集散控制系统，有效地保证了各单元通信功能传输功能的实现。现阶段，计算控制系统应用于水利泵站自动化运行控制当中是开展工业控制，该系统就需具备一些特定功能。首先，应确保其网络实时性，需结合现场实际通讯，实时地将现场过程信息传送至控制系统当中，并要将系统所发出的操作管理信息实时地传送至现场；其次，考虑到集散控制系统通信的连续性，要求PLC 网络具有良好的可靠性，最大可能地避免端口故障对整个系统运行效果的影响。同时应尽量避免设备、系统运行失常对工作人员人身安全的威胁；此外，所建立的集散控制系统网络还应具备易维护的特点，因其发生故障可能会导致整个网络瘫痪等严重后果，所以，必须具备易维护的特点，一旦发生故障应能够在短时间内得到修复，确保系统能够安全、高效地运行。

4 PLC 技术与水利泵站自动化运行系统相结合的案例

4.1 案例介绍

某泵站位于深圳水库库尾，属于新建应急水利工程项目。本站总投资月200 万，建成后，泵站供水规模可达到50 万m3/d，有效地满足了深圳宝安区中西部片区供水需要。从泵站组成来看，该泵站包含3 套机组，其中正常工作机组为2 套，1 套为备用机组，3 套机组均属于异步机组。机组的总装机量为2 000 kW，设计流量和扬程分别为5.79 m3/s 和16.4 m。机组电器系统运作中，选用10 kV 专线保证供电系统运转质量。为提升泵站控制效果，将各系统与计算机系统连接起来，并在全微机控制的基础上，实现PLC 控制技术的融合应用，真正达到了泵站管理无人值班、少人值守的目的。

从本泵站PLC 控制系统来看，采用Modicon TSX Premium 系列的PLC 控制装置，该装置的浮点运算能力较为突出，在大、中型控制系统中的应用较为广泛。同时为保证控制功能的全面性，设计使用PL7Pro 编程软件，并基于该软件深化指令表、梯形图应用，实现泵站运行数据的有效分析，借助触摸屏人机界面开展操作管理，实现了泵站机组部分、公用部分的自动化、高效化控制。

4.2 PLC 运行程序的方案

本系统运行方案设计中，除机组高压柜外，在电容馈线柜中也配置一定的ALSTOM 智能保护装置，在这些装置的作用下，可通过MODBUS 总线将相应的I/O 参数传输到PLC 单元，随后实现机组、辅助设备各状态点与PLC 单元的衔接，可通过PLC 实现整个系统数据的处理，最后信息处理结构传输到上位机，可辅助操作人员完成相应的指令控制，实现PLC 控制与水利泵站应用实际的有效结合。

4.3 系统的主要功能和具体实现

4.3.1 报警功能

高压柜和电容馈线柜是水利泵站重要的应用单元，其在实际应用中容易出现故障，此时借助PLC 控制系统可控制触摸屏上弹出事故和故障报警界面，这为工作人员的故障发现和处理创造了有利条件，同时其能控制高压柜、风机停机，避免设备造成较大伤害。

4.3.2 机组启停

设备正常运作时，通过按开机或停机键可完成机组启停，而当设备故障时，PLC 控制单元可自动化完成机组停机。

4.3.3 机组辅助设备及蝶阀控制

结合机组启停程序可知，要实现水利泵站机组的启停控制，除控制辅助设备外，还需要加强对蝶阀装置的管理。PLC 控制系统在机组辅助设备及蝶阀控制中有广泛应用，其对于整个机组的安装、调试具有积极作用。

4.3.4 数据处理功能

PLC 数据处理包含了较多的模拟量，这里的模拟量不仅包含泵组进口压力、出口压力，而且涉及电机定子温度和油水温度。在这些模拟量控制中，采用专门的功能块进行数据处理，从数据处理过程来看，先需要进行数据赋值管理，将这些数据依次赋值给功能块，然后采集10 次运转数据进行公用变量求和，在剪去最大值和最小值后，计算数据平均值。此时功能模块的输出值为模拟量值，而功能模块对应的地址为该值在输出缓冲区中的地址，通过对这些模拟量值和缓冲区地址的管理，为触摸屏采集和显示提供了便利条件。

4.3.5 通信功能

本项目泵站通信系统包含串口通信和总线通信两个单元，其中串口通信与触摸屏相关，而总线通信与智能保护装置相关。从控制过程来看，触摸屏MT500 是专门针对PLC 的人机界面，本泵站EasyBuilder500 应用中，将触摸屏系统参数中的PLC 类型设置为TELEMECANIQUE UniTelWay，同时在PLC 系统进行相同的设置，基于触摸屏进行界面编制时，可有效促进串口通信功能的实现。在串口通信中，使用MODBUS 通讯协议，基于该协议可实现主从结构式网络的有效监控。同时在该协议下，选用RTU 通信模式，该模式下的信息帧包含了地址域、功能域和CRC 校验域三个基本单元，所有字符位由16 进制数组成。

实际通信中，PLC 作为主站通过轮巡的方式访问从站，实现了各泵站数据的读取。在PLC 控制过程中，借助READ_VAR 指令可完成从站的有效范围，并且在MODBUS 协议下，可完成从站相应数据的快速读取。基于泵站控制需要，PLC 读取的从站数据不仅包含网络号、从站地址号，而且涉及数据类型、数据首地址，此外数据个数、接收缓冲区地址等都是极为重要的内容。另外本项目泵站在执行CRC 校验前设有专门的子程序，该程序将Byte型消息段转化为高8 位为16 进制数00 的WORD 型数据段，为数据的读取和应用提供了便利，提升了泵站的控制效果。

5 结束语

通过PLC 技术组建自动控系统对水利泵站自动化运行控制项目产生深入影响，提升系统设计方案对实际现场操作的影响的效果。同时专业的相关人员通过PLC技术为水利泵站项目设计，提供的平台起到了优化设计方案，使设计方案在实际施工过程中具有能够合理施工的作用。PLC 技术与工业生产项目的协调发展是不可分割的关系，工业生产项目设计方案应充分利用PLC 技术，以充分优化设计方案。