PLC在泵站自動化中的應用

袁乾廣 鄧德滿 胡家興

（1武漢理工大學自動化學院 武漢市 430070；2漢壽縣水利局 常德市 415900；3蔣家嘴電力排灌管理站 常德市 415904）

1 PLC的概念

PLC就是根據用戶程序的命令要求，按照CPU的順序在系統軟件的控制下，掃描各個輸入點狀態的數據，它是以串行的方式進行工作，并且最后向各個輸出點發出相應的控制信號。CPU在每個時刻只執行一條程序命令，并在此過程中周而復始地進行，直到最終程序的結束。因為PLC只有輸入端和輸出端采用的是實際的接線，可以說，它的系統接線量是相當小的，其他內部的線路都已經通過軟件連接起來，在工作時PLC能夠自動以程序的形式存儲在內部的存儲器當中。但是，如果控制的要求發生改變，只要通過修改存儲器的控制程序就可以改變，而不用去變動接線，這個過程就體現了控制的通用性及靈活性。

PLC主要用于工業生產控制的計算機，它的結構主要包括：電源、CPU、接口電路、系統程序存儲器、功能模塊以及通信模塊。其中，電源對于整個系統來說相當重要，如果電源出現問題，整個系統就無法正常工作，因此，供應商對電源的制作比較重視。

CPU能控制整個系統的數據處理，可以說，它是整個系統的大腦，可以判斷系統的狀態，并將寄存器的數據傳送到相應的輸出裝置。其中，系統程序存儲器主要存放系統軟件，用戶程序存儲器存放應用軟件。接口電路就是輸入和輸出數據，不同的接口電路由不同的接口組成，從而完成數據以及信號的輸入和輸出。它的功能模塊主要包括計數以及定位等功能的模塊，其中通信模塊的工作過程一般分為輸入采樣階段、用戶程序執行階段以及輸出刷新三個階段。這三個階段互相銜接照應。PLC的主要特點包括使用方便以及靈活的系統結構和適應復雜的運行環境。

2 PLC的應用特點

（1）因采用大規模集成電路、嚴格的制造工藝、良好的屏蔽效果、可靠的抗干擾技術及硬件故障自我檢測、報警功能，使之與傳統的電磁繼電器及分立元件構成的控制系統相比，PLC具有極高的可靠性和抗干擾能力。目前，市場上主流的PLC裝置平均無故障時間大大超過了IEC規定的10萬小時，而且為適應特殊場合的需要，許多生產商還采用了冗余設計和差異設計，進一步提高了其產品的可靠性。

（2）PLC流程從匯編語言上有指令碼方式和梯形圖，相對而言利用梯形圖編程更直觀、易于掌握、修改、調試和使用方便，不像編程器編程要記許多指令代碼。PLC梯形圖是從電磁繼電器的控制電路圖轉化過來的，因而其圖形符號和表達方式與傳統電磁繼電器電路圖中的電氣符號類似，對電氣專業人員來說易懂易用，能快速提高其應用能力和管理水平。

（3）功能完善、配套齊全、適用性強。

（4）PLC控制系統設計周期短、占用空間小、外圍接線少、并大大減小了控制電纜的銅芯截面和電纜投資，方便了設備維護，使機電設備控制系統的升級改造變得簡單可行。

3 PLC在泵站自動化中的應用

泵站計算機監控系統主要包括葉片變角調節、輔助設備控制、閘門自動控制、機組開停機操作等，這些均嚴格按規定的順序進行，它是典型的順序、邏輯控制系統；傳統的邏輯控制采用各種中間繼電器構成，控制系統復雜，維修、維護很不方便。由于PLC具有邏輯功能強，控制靈活方便，可靠性高的特點，PLC開始取代傳統的繼電器控制方式，應用于泵站的信息化系統、閘門自動控制系統及計算機監控系統。

PLC雖然采用了計算機技術和微處理器，但是它與計算機相比又有區別，PLC采用面向操作的邏輯語言，以繼電器邏輯梯形圖為表達式，因此，從操作者的眼光來看，它已不具有計算機的特性和神秘莫測之感。并且，PLC要求能適用于惡劣的工業環境，因而它的設計著眼于可靠、高抗干擾、密封及堅固，采用模塊結構，可以針對不同的控制對象進行組合和擴展，概括起來PLC有以下特點：控制程序可變，具有很好的柔性、功能完善、易于掌握,便于維修、具有高度可靠性，適用于工業環境、體積小，節能省電和節省投資。

PLC控制系統的基本組成包括：中央處理單元（CPU）、輸入模塊及輸出模塊等。不同的控制系統只要改變輸入/輸出模塊型號，并通過修改控制程序軟件，就可方便地實現各種不同的功能。

3.1 應用示例

蔣家嘴泵站位于湖南省漢壽縣蔣家嘴鎮，南湖撇洪河末端，距漢壽縣城約25km，始建于1991年10月，裝機容量2×1250kW。2008年10月，蔣家嘴泵站擴建新增裝機3×1250kW，設計總排水流量180m3/s，設計揚程 2.5m，年單機最大運行時間1650h。該泵站與蔣家嘴排水閘聯合運用，共同擔負南湖撇洪河968km2流域面積集水的撇、排、削峰任務，并兼顧沿河兩岸的灌溉、航運等功能。

本站計算機監控系統由站級計算機層（主控級）和現地控制單元層組成，現地控制級有6套LCU，分別對5臺機組和全站公用設備實時監控，LCU采用GEPACRX3iPLC向站級上行發送采集的各種數據和事件信息，接受站級的下行命令對設備進行監控，又能脫離站主控級獨立工作。PLC型泵站計算機監控系統的結構如圖1所示。

圖1 蔣家嘴泵站計算機監控系統結構圖

泵站計算機監控系統的主要功能和特點。

（1）廠站層監控系統組成與配置。

●由PLC組成的計算機監控系統具有遠動的全部功能，滿足泵站運行的實時性、安全性、可靠性和實用化；

●遠動工作站利用KLD—8002中央總通訊裝置實現遠動功能，接受信息采用直采直送方式；

●遠動通訊規約滿足三級調度主站的不同要求，采用部頒CDT規約同時兼容101規約，雙通道自動切換；

●遠動接口設備可通過GPS進行時鐘校對，也可實現與調度的時鐘同步；

●遠動接口設備具有運行維護接口，具有在線自診斷、遠方診斷、遠方組態及通訊監視功能；

●對各級母線進行電力平衡計算，結果上傳遠動；

●后臺監控系統配置計算機4臺，安裝后臺監控系統軟件，并配置打印機完成綜合自動化的當地監控功能；

●與其它設備的接口采用綜合自動化系統生產廠家配套提供的以太網系統；

●泵站自動化系統的硬件及軟件具備自檢和聯機診斷校驗的能力，并提供完善的檢測維護手段，以便快速、準確進行故障定位；

●泵站自動化系統軟、硬具有良好的容錯能力；具有足夠的抗干擾能力，符合有關IEC、ISO、GB、DL標準。

（2）控制功能。

監控系統具有密碼保護系統，當輸入正確操作口令和監護口令才有效進行操作控制、參數修改，并將信息進行記錄。

（3）數據采集功能。

自動采集各現地控制單元的種類實時數據；來自上級調度部門的數據；火災自動報警系統的數據；并且所有電量均采用交流采樣，歷史數據根據時間間隔自動存儲。

（4）數據處理功能。

實時數據庫：歷史數據庫和歷史文件處理。

（5）統計計算。

對實時數據進行統計、分析、計算、產生各種數據，并進行邏輯運算、條件判斷。

（6）人機界面。

廠站控制級提供人機接口功能，使泵站運行操作人員、維護人員和系統管理工程師通過操作員工作站、工程師、培訓站等的人機接口設備，實現對泵站的監視、控制及管理功能。

（7）報表顯示和打印。

（8）控制和調節。

運行人員可通過廠站級人機接口設備，完成對全廠被控制設備的控制與調節。它包括機組、輔助設備、開/停機順序、油/氣/水、高壓電氣設備、廠用公共設備等的控制與調節。

（9）事故追憶。

（10）故障和事故報警。

（11）電氣主接線圖及日報表的制作及編輯。

（12）安全性、維護功能等。

3.2 泵站自動化在選用PLC時應該注意的問題

（1）合理選取PLC的輸入/輸出單元，并留有一定的余量。

根據泵站控制系統的不同，可以確定相應點數的輸入和輸出單元，并且留有一定的余量以便進行擴展。一般來說，PLC的輸出單元有三種常見的形式：一種是晶體管輸出型，它是通過光耦合使得開關晶體管能夠截止或者飽和導通以便能夠控制其外電路；一種是繼電器輸出型，當CPU輸出時，可以接通或者斷開繼電器的線圈，通過繼電器觸點控制外電路的通斷；第三種就是雙向晶閘管輸出型，它采用的是光觸發型雙向晶閘管。在這三種輸出中，繼電器輸出型的響應最慢。當控制系統要求響應速度較快時，應盡可能采用晶體管輸出型單元。

（2）同一泵站盡可能采用同一型號的PLC。

目前，國內外生產PLC的廠家比較多，其中包括美國的GE、日本的三菱、立石（OMRON）和北京、上海的機床廠等。像泵站的信息化系統，閘門自動控制系統及計算機監控系統其應采用同一個型號的PLC，這樣不僅有利于泵站技術人員的掌握和應用，還能夠減少泵站的PLC設備，便于PLC硬件設備的互換。

（3）泵站PLC控制系統應在硬件和軟件兩方面采取抗干擾措施。

PLC在輸出中，繼電器的線圈在通斷時產生的脈沖電壓一方面可以對泵站其它微機控制系統產生干擾，一方面會引起PLC的電路沖擊，從而導致硬件電路的損壞。為了避免這種情況出現，應該在繼電器的線圈上并接反向二極管或阻容吸收電路。另外，PLC在進行軟件編制時，應該采用數字濾波與軟件容錯技術。

（4）PLC內部電池的壽命問題。

一般來說，PLC的程序都會存放在EPROM或PROM內，這樣在運行的時候就會跳到隨機存儲器里，如果遇到失電的情況，就只能靠電池保持運行程序和數據。泵站在任何情況下，PLC的程序和數據都不能丟失，而電池的壽命一般來說就是3～5年的時間，當電池容量不夠的時候，PLC有1只指示燈會亮。因此，泵站PLC的控制系統在運行3年以后，應該注意電池的更換。

（5）泵站監控系統標準統一的問題。

由PLC構成的計算機監控系統在大、中型泵站中正逐步推廣開來，而由于各類泵站裝機容量、功能要求、運行工況均不盡相同，因此監控方式會千差萬別。此外，因泵站計算機監控系統目前尚未制定統一的國家標準，各生產廠家及科研機構實現的方式也各有千秋，在一定程度上妨礙了設備系統的維護和升級改造，以及這一技術的推廣運用。

（6）監控系統中PLC與其它系統設備間通訊的問題。

計算機監控系統與可控硅勵磁系統、主變壓器及母線保護、直流系統、公用設備、水位監測系統、通風空調系統等的通訊，通常因通訊協議的內容不同而對設備整合和調試帶來很大的困擾，部份廠家的設備要更改參數和增加規約轉換器。

（7）工作環境的問題。

我國大、中型泵站大多有專屬變電站，工作電壓等級一般在（35～10）kV，高壓電氣設備主要有變壓器、互感器、電抗器等，其主要負載設備有高壓同步電動機、異步電動機及各式低壓電動機。這些設備均會產生工頻電場、磁場、地電位和電磁輻射干擾，但220kV以下的工頻電場、磁場的影響很小，主要是地電位、電磁輻射干擾，主要以電暈放電和間隙擊穿為主。這種現象對高壓設備和輸電線路附近的微電子設備來說都是致命的；此外，大、中型水泵在運行過程中會產生很大的震動的燥聲；因臨近湖泊，條件有限，許多泵站工作環境溫度高、濕度大；甚至工業區內的泵站還會受到粉塵、腐蝕和易燃氣體的侵蝕等惡劣環境的影響，這都會造成PLC不能正常工作，從而造成設備失控或誤動作。因此，PLC只有在環境溫度（0～50℃之間）、濕度（應小于85%無凝露）、震動（10～55Hz的頻繁或連續振動）、空氣，以及電源等方面滿足工作環境要求后才能正常工作。尤其是對于南方地區年運行時間極少的排洪、調水泵站，PLC電路板上極易產生凝露，需在中控室安裝大功率空調設備，以保證在控制設備通電之前打開柜體門頁、除濕控溫、消除凝露后方可通電，否則容易出現控制設備工作不正常或燒毀電路板。

4 結 語

綜上所述，PLC技術在大、中型泵站自動化控制中是一項先進的技術，它克服了傳統泵站自動化控制系統的諸多缺點，減少了材料消耗，減少了維護工作，幫助泵站節省了資源，提高了泵站的工作效率。同時 PLC在泵站自動化控制中的應用又需要進一步的發展，要突破現有的技術瓶頸，適應各種苛刻環境，這樣PLC在泵站自動化控制中才能得到充分的擴展和全面的開發利用。

[1]鄭姝晟.PLC在電氣自動化控制中的應用分析 [J].漣鋼科技與管理，2012，（6）.

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[3]崔春濤.PLC在中小型水電站監控系統中的應用分析[J].科技創新與應用，2013（3）.