深圳市东江水源工程管理处 广东深圳 518000
摘要：为实现对城市供水泵站的实时监控，实现安全生产和科学调度,文章介绍了用PLC实现对城市供水泵站的自动化控制实施方案,并对系统的构成、软件的设计及控制系统主要功能进行了分析。经实际运行证明,设计的供水泵站控制系统简单、可靠性高、保护功能完善、节电效果显著。对于进一步提高供水系统的自动化应用水平具有一定借鉴意义。
关键词：PLC；泵站；控制系统；自动化
1 引言
随着科技技术、信息技术及计算机技术的快速发展,水泵自动化控制系统在城市化建设、行业的发展中被广泛的应用。但目前我国的水泵系统相对较为落后，无法满足城市建设与行业发展的需求。其中，PLC技术由于其高可靠性、高性价比、广泛的工业现场适应性和方便的工艺扩展性能，在工业自动控制过程中得到了越来越广泛的应用。将PLC技术应用到泵站自动化控制系统中，无疑将提升系统的效率，对水泵的开停和运行进行科学管理和调度以平衡整个城市供水网络，进而高效的来满足社会、企业、人民的各方需求。本论文将结合自动化控制技术设计出基于PLC的供水泵站控制系统，该系统用最小的投入，实现了供水系统的多功能要求。
2 系统构成
自动化控制系统由两大部分组成，分别是泵站管理所控制中心和现场PLC控制站。
现场PLC站主要设备:PLC及其相应模块、监控屏、通讯设备屏、1台工业以太网交换机、1台UPS、电气开关柜和两台变频器等组成（如图1所示）。PLC采用施耐德电气公司的TSX Quantum 140系列，它是本身带以太网端口的。
图1 监控屏与通讯设备屏
泵站管理所控制中心:1台工控机及泵站管理系统(已建成)组成。
PLC通过工业以太网交换机接入泵站管理所中心控制室，通过VPN网向泵站管理所发送数据和接受控制命令，对水泵实现自动控制。
3 软件设计
编程软件采用施耐德电气公司的Concept V2.2，它是功能十分强大的编程软件，不仅仅用来对控制器进行常规的编程，更多的用于组态和监控。所有对外交换的信息，无论是I/O刷新信息，还是对外设备的通信信息，都要经过编程软件的组态或编程，更重要的是它面对系统的监视和诊断功能，所有它属下模块的工作状态全在它的监视下，其诊断结果告知问题所在，便于正确迅速的查找原因，这是传统的控制器编程软件不能达到的。为了克服泵停止运行后，软启动器故障信号消失，泵重新投入运行，运行后又出现软启动故障，从而引启泵的反复启停，造成泵损坏这一现象，软件设计中作如下考虑：当某台泵由于软启动器故障停止运行后，即使软启动器故障已消失， 但PLC 仍保持该信号，除非操作人员将该泵的检修/运行开关从运行位置扳到“检修”，然后从“检修”返回“运行”位置，该泵才能重新投入运行；当某台泵处于“检修”位置，或泵停止后启动前无润滑水，均认为该泵处于故障状态，同时禁止该泵的PLC 输出信号，同时该泵退出“备用”状态；若在泵启动2 s 后，润滑水消失，则认为泵正常。
软件设计采用模块化结构。由主程序调用若干子程序构成。程序流程如图2所示。
图2 程序流程
各子程序功能如下:
(1)模拟量子程序:此模块的功能是将4～20mA的模拟输入信号整定为相对应的工程量，如进出水的压力，水泵和电机的温度和房间的温度等。
(2)水泵1控制子程序:对水泵1进行控制，采集电机电流、电压、功率和电度并计算累计运行时间、当日运行时间和次数等。
(3)水泵2控制子程序:对水泵2进行控制，采集电机电流、电压、功率和电度并计算累计运行时间、当日运行时间和次数等。
(4)风扇控制子程序:对排风扇进行自动和手动控制，其中自动控制可以根据温度进行。
(5)照明控制子程序:对照明灯进行自动和手动控制，其中自动控制可以根据时间进行。
4 控制系统主要功能
本泵站可以实现下列功能:
(1)自动控制
根据出水管的出水压力来控制泵的开停和频率。用PID来自动跟踪被控制量。它分远程和就地两个操作模式。就地操作即在泵站本地的PLC控制柜上进行操作。远程操作即在泵站管理中心远程操作。PID的控制原理如图3所示。
图3 PID的控制原理
设定压力SV是工艺要求值，在PID上用按键输入此值，它是希望保持的管网压力值，管网上安装的压力传感器把实际压力PV输送到PID的检测量模拟输入端，PID比较误差e的正负，如e为正说明实际压力值PV小于设定值SV，PID的输出u增大，变频器的输出增加，水泵转速n上升，实际压力值PV上升。当PV等于SV时，电动机转速停止上升，管网压力PV维持在设定值SV；当误差e为负时，说明管网实际PV高于设定值SV，则PID输出u减小，变频器的输出频率f减小，水泵转速n降低，管网实际压力PV降低。当PV等于SV时，电动机转速停止降低，管网压力PV维持在SV。如果积分参数I不起作用(I=0)，则PID不能实现无差调节，因为PV=SV时，ei=0，则比例P和微分项D的输出为零，PID输出也将变为零，不能维持一定的压力值。因此必须有误差e才能使输出保持一定的值，即u=P×ei。所以PID控制器的I参数其主要作用是为了实现无差(ei=0)控制。
自动运行程序流程如下，运行前输入下列参数:a设定目标压力:预达到并保持泵的出口压力值，输入整数，单位kPa。
b设定压差:即当泵的出口压力低于目标压力减去此数值时，水泵自动起动程序可以进入下一个压差到保持时间判断程序。输入整数，单位kPa。
c压差到保持时间:当泵出口压力小于起动压力(目标压力设定-压差设定)时，需要维持不起动的时间。输入整数，单位是分钟。
d停止频率设定:当水泵的出口压力达到甚至超过目标压力时，变频器的频率会降低以在保持目标压力值的情况下节约能源，降低变频器的频率。如果频率持续降低，给出一个停车频率。即如果变频器运行在此频率保持一定时间，水泵自动停止。0～50整数，单位赫兹。
e停止频率保持时间:即电机运行在此频率下的保持时间。到此时间，水泵机组自动停止，输入整数，单位是分钟。
自动开步骤:
自动开确认后系统首先检查另一个泵是否停止。如果停止则判断要起动的泵是否停机在10分钟以上。如果停机在10分钟以上则判断水泵的出口压力是否小于起动值。(目标压力设定-压差设定)
如果小于起动值并且保持到压差保持时间，水泵自动起动。进入PID自动跟踪水泵出口压力模式运行。
自动关步骤:
水泵自动起动三分钟后检查是否降到停止频率。如果降到停止频率，水泵将会转到给定的停止频率运行模式。一分钟后检查水泵的出口压力是否低于目标压力值10kPa，如果低于此值，则水泵返回PID自动跟踪出口压力模式，水泵频率上升来提高出口压力。如果压力始终高于目标设定值并满足停止频率保持时间，水泵会自动停止。
自动运行过程中如果想停车，可以转到手动停车。自动控制程序流程如图4所示。
图4 自动控制程序流程
运行中故障处理方法:
自动运行时如果运行的水泵出现故障，自动会切换到另外一台泵运行。
(2)手动控制
手动控制即单独控制各个泵的起动、停止。它分远程和就地两个操作模式。
(3)数据采集和显示
此系统通过Device-Net通讯采集控制水泵电机的变频器等数据。其他信号如压力等则传输4～20mA信号给PLC。
5 结束语
总之，泵站自动化控制系统具有完善的设备控制和调度管理功能,能够有效提高泵站运行效率满足城市供水需求。运行结果表明，该系统现已投入泵站使用,对供水泵站进行远程控制和监测,实现了自动控制，运行状况良好,提高了泵站的运行效率，取得了良好的效果，具有一定的工程价值。
参考文献：
[1]蔡建斌. PLC在提升泵房中的应用[J]. 净水技术, 2014, 33(a01):123-125.
[2]高塔,尹龙,梁超. PLC在水泵自动化监控系统中的应用探讨[J].工程技术, 2016(5):00277-00277.
论文作者:江耀华
论文发表刊物:《防护工程》2017年第17期
论文发表时间:2017/12/1
标签：水泵论文; 泵站论文; 压力论文; 频率论文; 时间论文; 子程序论文; 变频器论文; 《防护工程》2017年第17期论文;