智能提灌泵站控制系統設計

蔣輝霞 趙曉輝 謝崇平 鐘林濤

1.四川省農業機械研究設計院，四川成都

2.四川省機械研究設計院（集團）有限公司，四川成都

3.四川省農業工程學會，四川成都

四川是一個以農業為主、人口眾多、山丘區占絕大部分面積的大省，受山丘區為主的自然條件影響，為保證農業生產，全省修建了大量的提灌泵站，但是大部分提灌泵站由于建站時間久、地處偏僻，運行管護復雜，增加了大量的人力投入，有的泵站設備陳舊、老化嚴重，出現了無法運行的情況，嚴重制約了當地農業生產發展。本文基于攀枝花某新建泵站，設計了一種基于PLC 的泵站智能控制系統，該系統可通過人機交互界面實時顯示系統運行數據及故障信息，管理人員可通過人機交互對泵站進行控制，也可通過遠程控制終端實施遠程管理，在泵站運行過程中均可實時了解泵站運行狀態，達到了少人值守甚至無人值守的自動化水平，改變了傳統提灌泵站的運行管理模式，提升了泵站的運行效率[1～3]。

1 系統概述

1.1 基本參數

攀枝花某提灌泵站共選用2 臺相同型號水泵，設計流量25 m3/h，設計揚程150 m，功率18.5 kW，系統通過對閥門啟閉的調節實現2 臺水泵獨立或并聯運行，具體參數見表1。

1.2 系統控制要求

1）泵站現地控制和遠程控制。為方便管理，要求系統可以實現現地及遠程啟停控制。遠程控制模式下，管理人員無需在泵站，實現了泵站無人值守運行，提高管理效率。

表1 水泵技術參數表

2）監測功能。監測分為泵站運行工況實時監測和運行狀態實時監測。運行工況監測主要是對液位數據、壓力數據、流量數據、電氣信息數據進行監測，避免發生因進水池液位太低導致設備空吸造成事故。運行狀態實時監測主要是監測泵站各個硬件設備的運行情況以及泵站的運行狀態，分為現地監測和遠程監測，現地監測通過控制柜指示燈及觸摸屏實現；遠程監測通過手機APP完成[4]。

3）系統信息管理?？刂葡到y實現泵站運行狀態的實時顯示、故障報警、實時趨勢顯示、報表的生成及打印，實現泵站信息化管理。

1.3 系統結構設計

目前，常見的監控系統主要分為集中式監控系統和分層分布式監控系統，本系統設計采用分層分布式設計，共分為三個層次，依次為泵站現地監控層、網絡層和遠程監控層。

1）現地監控層。現地監控層主要分為五個組成部分：可編程邏輯控制器（PLC）、模擬量采集模塊、智能三相電采集模塊、觸摸屏模塊和GPRS 無線傳輸模塊。

2）網絡層。網絡層利用無線遠傳模塊通過Modbus協議采集數據，將數據通過因特網發送至物聯網平臺的服務器中，管理人員通過遠程控制終端訪問數據。

3）遠程監控層。在遠程監控層，管理人員通過電腦或手機APP 對泵站進行遠程監控，實時了解泵站運行狀態。泵站系統結構見圖1。

圖1 系統結構示意圖

2 系統硬件設計

2.1 主要設備

在本設計中，選用了一款PLC，其輸入點數和輸出點數均為32 個，滿足系統使用要求。遠程模塊選擇某公司生產的GM10-DTU，液位、壓力、流量傳感器選用符合要求的高質量產品，液位傳感器、壓力傳感器輸出標準4～20 mA 電流。智能三相電采集模塊，其中，可編程邏輯控制器（PLC）為控制核心，模擬量采集模塊采集機組運行壓力、流量、進出水池液位等數據，智能三相電采集模塊采集機組運行時的電氣數據信息，GPRS無線傳輸模塊實現泵站的遠程終端控制[1]。

2.2 系統電路設計

系統電路設計分為主電路設計和PLC 控制電路設計；主電路設計分為兩部分：電氣系統主電路設計和控制電路設計。在本系統中，硬件主電路的動力設備為兩個主電機和2 個輔助電機。主電路用作水泵電機、輔助電機連接，水泵電機采用軟啟動方式，其中，電氣元器件主要包括負荷開關F、熱繼電器FR、變頻器、斷路器及三相電采集儀器。圖2 為控制系統電氣原理圖。

圖2 控制系統電氣原理圖

PLC 控制電路設計分為輸入單元設計和輸出單元設計，輸入單元接收各種控制信號及故障信號的輸入，輸出單元輸出控制信號。為了避免PLC 受到大電流的作用而損壞，輸入和輸出公共端分別接熔斷器和熱繼電器作為保護措施。圖3為PLC端子接線圖。

圖3 PLC端子接線圖

2.3 PLC軟件設計

本系統共有3種工作模式：1號泵運行、2號泵備用模式，2 號泵運行、1 號泵備用模式，1、2 號泵并聯運行模式。PLC監控系統總流程見圖4。

系統可實現泵站的智能啟動運行。在啟動時自動讀取系統參數，識別啟動模式，判斷有無故障信息，有故障則進行報警并停止啟動，無故障則根據啟動模式選擇單機啟動或同時啟動運行。如在兩臺泵互為備用模式下，若其中1 臺發生故障，系統會自動判斷切換至備用泵運行。在任何一種運行模式下，系統都會對故障信息及液位、壓力等監測數據進行實時采集，自動識別故障點，停止機組運行并通知管理人員。

圖4 監控系統總流程圖

2.4 人機交互設計

本系統采用一款觸摸屏，圖5 所示為泵站智能監控系統人機交互的主界面。主界面可顯示水泵的運行狀態、壓力、流量、液位等數據，通過控制界面，可以實現對泵站多種運行方式的選擇。

圖5 監控系統主界面

除了主界面外，系統還設置有報警記錄、閥門控制、電量監控數據、在線趨勢、參數設定5 個控制界面。圖6 為在線監測界面，在線預測曲線圖模塊主要是顯示各項監測數據隨時間變化的曲線圖，包括壓力、液位、流量等數據。在線預測曲線圖模塊更加直觀地顯示了數據的變化，對重要的數據進行趨勢記錄。泵站參數趨勢曲線的顯示可以及早發現故障點，在一定程度上保證泵站機組安全可靠運行。

圖6 在線監測界面

報警記錄功能對泵站各類故障信息進行記錄，以便管理人員查看。在泵站運行過程中，當泵機組或其他硬件設備由于一些不可測原因發生故障時，或者監測數據超過預設的閾值時，泵站除了向管理人員報警，還會對故障信息進行詳細記錄，方便事故調查。

3 結語

本文介紹了攀枝花某提灌泵站基于PLC 的智能監控系統設計，實現了泵站在多種模式下的運行，經過調試和運行，本系統基本達到了預期的控制要求，實現了無人化管理，降低了運行成本，滿足了農業對提灌泵站的需求，保障了當地農業生產。