PLC在隧道排水泵站自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用

蒲寧鋒 趙志翔

摘 要：針對某城市隧道排水泵站的工藝控制需求，設(shè)計一套以PLC為核心的自動化控制系統(tǒng)。PLC通過與設(shè)備傳感器實時通訊，采集處理的各項設(shè)備參數(shù)，實現(xiàn)對排水泵站自動化控制與調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：PLC 自動化;隧道排水泵站;通訊

1引言

隨著城市的快速發(fā)展，城市人口與機(jī)動車的不斷增加，地面交通出現(xiàn)了嚴(yán)重的擁堵情況。為了解決交通擁堵，這些年城市建設(shè)了許多城市隧道，城市隧道在解決交通擁堵方面發(fā)揮著重要作用。而隧道的排水泵站就是保證城市隧道安全正常運營的一種輔助設(shè)施。排水泵站在隧道中的主要作用是把從不同途徑匯入隧道集水井的水集中輸送到地面的市政雨水管網(wǎng)中。隧道在日常運營中會有大量的生活污水匯入，如：雨水、滲漏水以及日常保潔用水等。如果這些積水沒有及時的從隧道排出，隧道的交通安全就會受到影響，如果積水過多會導(dǎo)致隧道交通能力癱瘓，甚至?xí)l(fā)生嚴(yán)重交通事故。綜上所述，為隧道排水泵站設(shè)計一套安全可靠的控制系統(tǒng)尤為重要。

2現(xiàn)狀分析

（1）隧道排水泵站設(shè)置3臺潛水泵，安裝在泵房集水井內(nèi)，1號排水泵和2號排水泵為工作水泵，3號排水泵為備用泵。通過安裝在集水井內(nèi)壁上的浮球液位開關(guān)對排水泵進(jìn)行啟停控制。啟動順序為固定順序，即在集水井水位上升至1號排水泵啟動浮球液位開關(guān)時，1號排水泵啟動排水。集水井水位下降至1號排水泵停止浮球液位開關(guān)時，1號排水泵停止排水。如果在1號排水泵啟動排水情況下，集水井水位繼續(xù)上升，到達(dá)2號排水泵啟動浮球液位開關(guān)時，2號排水泵啟動排水。當(dāng)1號2號水泵發(fā)生故障或1號2號水泵啟動排水時集水井水位仍不能下降時，3號備用排水泵由工作人員現(xiàn)場應(yīng)急啟動排水。在正常工作中每次1號排水泵啟動，工作頻率最高，其次2號排水泵，再次3號排水泵只有在試機(jī)啟動。在這種控制方式下3臺排水泵工作時間的嚴(yán)重不平衡。導(dǎo)致1號排水泵在經(jīng)常使用，機(jī)械磨損加劇，使用壽命縮短。2號3號排水泵使用時間少，長期浸泡在水里，內(nèi)部容易受潮，增加了故障率。

（2）現(xiàn)場設(shè)備功能不全，未設(shè)置必要的自動化控制設(shè)備。對排水泵運行狀態(tài)信號、電氣參數(shù)、集水井水位、溫濕度等無法實現(xiàn)采集和記錄。

3控制流程分析

針對3臺排水泵的工作時間不平衡問題，設(shè)置3臺排水泵以周為循環(huán)周期進(jìn)行輪詢運行，即每年的第一周以1號2號3號排列順序運行;第二周以2號3號1號排列順序運行;第三周以3號1號2號排列順序運行;第四周時則執(zhí)行第一周的排列順序運行，以此類推。運行周期時間是通過獲取PLC的CPU時鐘實現(xiàn)。

在集水井上方安裝雷達(dá)液位計，實時監(jiān)測集水井積水的變化情況，通過mudbus rtu協(xié)議與PLC進(jìn)行通訊，對液位計的數(shù)值進(jìn)行采集。液位計數(shù)值在PLC經(jīng)過處理后在觸摸屏上顯示儲存。根據(jù)液位計采集到數(shù)值，給每臺排水泵設(shè)置啟動與停止對應(yīng)的數(shù)值。例如：1號排水泵啟動液位1.6米，停止液位0.8;2號排水泵啟動液位1.7米，停止液位0.9米;3號排水泵啟動液位1.8米，停止液位1.0米;液位設(shè)置通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)定，可以根據(jù)現(xiàn)場實際需求進(jìn)行修改。

同時在集水井內(nèi)壁安裝兩只浮球液位開關(guān)并接入3號排水泵的硬件控制回路中，作為3號排水排的啟動與停止動作開關(guān)。防止在液位計發(fā)生故障情況時，集水井的積水能及時排除。此回路為獨立回路，優(yōu)先等級最高。

說明：觸摸屏設(shè)置的排水泵啟動與停止液位值對應(yīng)每個運行周期排水泵運行順序編號，與實際排水泵編號無關(guān)。

4系統(tǒng)設(shè)計

4.1硬件設(shè)計

系統(tǒng)以PLC作為核心，采集、控制、統(tǒng)計、處理現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)與數(shù)據(jù);觸摸屏顯示、設(shè)置、記錄設(shè)備的運行參數(shù);各類現(xiàn)場儀表儀器實時采集運行數(shù)據(jù)上傳到PLC。

結(jié)合系統(tǒng)現(xiàn)狀、功能需求、控制對象及工程預(yù)算等因素，選用施耐德公司的M241系列PLC。M241是一款緊湊型設(shè)計的小型PLC產(chǎn)品，本體提供24點數(shù)字量輸入，16點數(shù)字量輸入，2路串行鏈路接口，1路以太網(wǎng)接口，采用AC220V電源供電。支持模塊擴(kuò)展。現(xiàn)場設(shè)備信號根據(jù)設(shè)計的控制原圖圖接入對應(yīng)的通道，如圖一所示。

4.2軟件設(shè)計

（1）PLC程序設(shè)計

M241系列PLC采用SoMachine軟件進(jìn)行編程，提供了強大的編程工具，支持IEC61131-3的全部編程語言，滿足不同用戶的編程習(xí)慣和需求。內(nèi)嵌種類眾的函數(shù)和功能塊庫，用戶僅需簡單調(diào)用即可，無需編制大量復(fù)雜的程序。仿真，單步執(zhí)行，斷點執(zhí)行，跟蹤等調(diào)試工具可供調(diào)試使用。本系統(tǒng)程序設(shè)計主要使用LD和CFC編程語言。由于設(shè)計程序過大，截取部分程序段進(jìn)行展示。如圖二（1號2號排水泵故障，把1號排水泵啟動水位賦給3號排水泵）所示。

（2）觸摸屏程序設(shè)計

觸摸屏是工作人員與PLC之間傳遞和信息交換的窗口。工作人員可以通過觸摸屏對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行瀏覽，歷史數(shù)據(jù)查詢，設(shè)備參數(shù)設(shè)置等操作，方便了工作人員的運行和維護(hù)。觸摸屏主要包括：登陸畫面、主監(jiān)控畫面、設(shè)備控制畫面、參數(shù)設(shè)置畫面、數(shù)據(jù)統(tǒng)計畫面、歷史查詢畫面等。主監(jiān)控畫面如圖三所示。

4.3安全保護(hù)設(shè)計

（1）設(shè)備本體保護(hù)

除了常規(guī)的電機(jī)過載、超溫、滲漏保護(hù)外，此次為排水泵安裝馬達(dá)保護(hù)器，豐富了保護(hù)功能。增加的保護(hù)有：堵轉(zhuǎn)保護(hù)、三相電流不平衡保護(hù)、斷相保護(hù)、阻塞保護(hù)、欠壓保護(hù)、起動超時保護(hù)、過壓保護(hù)、相序保護(hù)等。同時在泵房內(nèi)安裝紅外高清攝像機(jī)，管理工作人員通過安裝在手機(jī)上的APP可以對泵房進(jìn)行監(jiān)控。實時掌握泵房的情況，為設(shè)備正常運行又提供了一項安全保障。

（2）工藝連鎖保護(hù)

排水泵在預(yù)定的流程工作時，如果某臺排水泵發(fā)生故障，要保證其他排水泵能正常工作排水。從系統(tǒng)安全性、可靠性角度出發(fā)，為系統(tǒng)設(shè)計了運行工藝連鎖保護(hù)。

以第一周排水泵運行順序為例：當(dāng)1號排水泵發(fā)生故障時，故障信號輸入到PLC，根據(jù)程序的設(shè)定，將1號排水泵的啟動與停止液位值傳送給2號排水泵作為2號排水泵的啟動與停止液位值，同時將2號排水泵的啟動與停止液位值傳送給3號排水泵作為3號排水泵的啟動與停止液位值。當(dāng)2號排水泵發(fā)生故障時，故障信號輸入到PLC，根據(jù)程序的設(shè)定，將2號排水泵的啟動與停止液位值傳送給3號排水泵作為3號排水泵的啟動與停止液位值。當(dāng)1號2號排水泵同時發(fā)生故障時，故障信號輸入到PLC，根據(jù)程序的設(shè)定，將1號排水泵的啟動與停止液位值傳送給3號排水泵作為3號排水泵的啟動與停止液位值。

同時設(shè)備出現(xiàn)的故障信號通過PLC經(jīng)通訊網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)娇刂浦行牟⑦M(jìn)行報警，提醒管理人員及時處理。

5結(jié)束語

隧道排水泵站自動化系統(tǒng)自投入運行至今已有3年，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠。減少了泵站的故障率，挺高了泵站的工作效率。從而為隧道交通安全通行提供了強有力的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張澤慧.PLC（可編程控制器）實現(xiàn)水泵交替輪換運行中的應(yīng)用[J].市政設(shè)施管理.2009（1）：23-24

[2] 趙丹.城市排水泵站發(fā)展趨勢與設(shè)備管理維護(hù)[J].給水排水動態(tài).2008

[3] 吳躍爭.PLC在排水泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].南北橋.2009

[4] 王兆宇.施耐德 PLC 電氣設(shè)計與編程自學(xué)寶典[M].中國電力出版社.2015