基于PLC的防洪泵站监控系统设计

胡能文，张立辉

(吉林建筑大学，吉林 长春 130119)

0 引言

中国大部分地区常年受到季风气候的影响，导致了长时间的降水，有些城市处于低洼地区很容易发生洪涝灾害，若不及时排除，容易造成断电等危害。防洪泵站的水泵电机以前是半机械、半人工控制，排涝工作的开展受工作人员的影响较大，存在洪水阻挡工作人员操作、洪水期工作人员的工作强度过大、集中管理困难等问题，比较难满足现代机械化的控制要求。泵站的安全运行直接关系到防洪工作的进行，因此建设防洪泵站监控系统显得尤为重要。

1 系统整体设计

1.1 防洪泵站系统设计原则

系统的设计不但要满足具体需要，还要根据实际情况考虑设备故障、电路老化的影响，主要遵循可靠性、灵活性、先进性以及实时性原则。

可靠性：简化系统结构，避免环节出错，使中控系统的稳定性与真实性有所提升。

先进性：系统所使用的设备要随着科学技术的发展采用性价比较高的设备。

灵活性：系统采用模块化设计，应使得系统有冗余，能用于模块扩展，从而保持一定的灵活性。

实时性：系统能在不同的环境、不同的干扰情况下实时对设施进行监控和管理。

1.2 防洪泵站工作原理与需求设计

城市的内河或者下水道等低洼处通过水泵与管道相连，当防洪泵站进行排水工作时，液位传感器所输出的4～20 mA传输到PLC中的SM331模块转换成0～27648数值，在经过PLC中FC105模块得出所测的液位，根据模糊控制程序使得对应水泵电机进行动作，洪水由水泵抽入管道通往外河，从而使得内涝消除。当管道内水压过大时，开启冗余管道进行泄压。电机损坏时切换冗余的电机保证排涝工作能正常进行。系统需求如图1所示。

图1 系统设计需求

2 控制系统的硬件设计

根据防洪泵站现实需要，本系统采用西门子S7-300PLC作为核心控制元件，由诸多传感器、电机、按钮、指示灯、PLC触摸屏、模拟量采集模块等组成。

2.1 PLC硬件选型

中央处理单元：本文所选用的系统中央处理器为CPU315-2DP，所用的处理器存储容量相对其他处理器容量较大，适用于区域联动防洪系统，能够满足量大的需求，接口包括以太网接口、PROFIBUS-DP主接口以及从接口。在处理速度方面高于其他型号PLC，且具有较强的扩展能力。其中，机架可以扩展为4个，功能模块可以扩展为32个。

电源模块：具体设计过程中，电源包括主要服务于系统运行的能源供给，包括PS307-6A和PS307-12A两种电能来源必须安全可靠，经过转化之后又才可使用，形成DC25 V电源，供给CPU运行所需，可以借鉴有关方面的研究成果，使用双回路、双电源供电，应对一些突发情况，保证系统正常运行。

I/O扩展模块：这一模块是由2个模块组成，具体为模拟量I/O模块和数字量I/O模块，具体为数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出。功能发挥过程中，应将自身电路转换为标准的PLC信号。

2.2 传感器选型

根据防洪泵站现场采样需求，必须对主要参数(水泵电机温度、湖泊的液位)进行实时的监测和传输，所以在设计中要选用合适的传感器对上述的重要参数进行采样。

液位传感器：目前液位传感器有很多，如投入式液位变送器、水位非接触式电容传感器、超声波式液位传感器等。考虑到投入式液位传感器比较简单和使用普遍，本系统选用昆山川培仪表的投入式液位变送器。

温度传感器：考虑到测的是电机内部温度，本系统选用的温度传感器是联测仪表的引线式温度传感器，此传感器安装方便、尺寸小巧，引出线进行了镀银，具有防腐功能，可以广泛应用于各种测温的场合。

3 水位模糊控制程序设计

防洪泵站水泵电机的优化运行是在保障排水工作正常进行的情况下，利用编程优化水泵电机的开启数量，从而达到防洪泵站经济运行的目的。模糊控制是采用编程控制规则，再根据操作人员的经验，对被控对象模型进行模糊化，使得干扰和参数的变化影响缩小。洪水的水位变化是一个非线性的变化，模糊控制对此作为动态特性模糊的对象非常适用，所以本文采用模糊控制的方式，根据不同的洪水水位和水位变化率使用不同的规则对防洪泵站电机的开启数量进行优化。

本文使用MATLAB进行模糊控制器程序设计，再结合S7-300PLC进行水泵电机优化控制。在MATLAB的命令窗口输入fuzzy指令打开模糊控制器。 根据所需添加2个input窗口和1个output窗口，并分别将输入量名称改为洪水水位和洪水水位变化率，输出改为电机开启台数。依次完成洪水水位和洪水水位变化率的模糊化，并设定好规则。模糊控制规则如图2所示。

图2 模糊控制规则

在解模糊时使用的是最大隶属度函数法进行计算，例如在洪水水位到达2.82 m、湖泊液位上涨速率为0.035时根据计算得出输出数字为4.24，此时对应规则开启4台水泵电机。模糊控制输出界面如图3所示。

图3 模糊控制输出界面

对水泵电机控制的过程为：液位传感器将采集到的水位数据传送至S7-300PLC中，在模糊控制程序中对所传送上来的水位和水位变化率数据进行模糊决策，水泵电机控制程序在收到模糊控制程序决策时，对应开启不同水泵电机台数。水泵电机控制流程图如图4所示。

图4 水泵电机控制流程图

4 监控界面设计

在防洪泵站监控系统中需要对不同的数据进行监控并且进行管理，对于防洪泵站的信息要全面地展示出，在监控界面上要显示出各组电机的运行状况、湖泊的液位等信息。电机的运行状况以不同的颜色指示灯表示，绿色代表正常运行，红色代表断线或者出现故障。当水位超过一定限额，同时水位变化率超过一定数值，洪水预警灯将闪烁报警。防洪泵站监控界面如图5所示。

在防洪泵站的监控系统中，建立一个良好的数据库是很重要的，数据库所包含的功能应有数据的查询、数据的储存、数据的处理。数据的查询能提供各个电机以往的运行状态、故障发生的时间、湖泊液位等常用信息。数据的储存就是要将所收集到的数据进行储存方便让人查询。数据的处理是将收集到的信息进行管理，将以往的信息通过表格或者柱状图清晰地展示给用户。防洪泵站数据库程序如图6所示。

图5 防洪泵站监控界面

图6 防洪泵站数据库程序

5 结语

防洪泵站是城市基础建设的重要组成成分，基于PLC防洪泵站监控系统的设计在一定程度上保证了防洪泵站运行的可靠性。防洪泵站监控系统选用西门子PLC-300作为核心，利用模糊控制在不同洪水水位情况下对水泵电机工作台数进行优化，并利用LabVIEW作为上位机实现了防洪泵站远程监控、数据库历史数据查询等功能。通过对本文防洪泵站监控系统实验验证，该监控系统经济性好、可靠程度高，具有较高的实用价值。