雨水泵站自动控制系统的设计.pdf

6 4 海河水利 2 0 1 1年 4月 雨水泵站 自动控制系统的设计 牛 国毅 北京 东风机 车电器厂 ， 北京1 0 0 0 7 2 摘要 采用西 门子公 司 WI NCC和 s 7 3 0 0 P L C开发 雨水 泵站 的 自动控制 系统 ， 简要介 绍 系统 的结构 ， 详 细说 明 该 系统控 制回路 的实现 。结合 控制 系统的设计要 求 ， 着重介 绍 下位机 软件 的开发 ， 包括 采集现 场数据 、 启 动除 污 机 、 采 用通讯方式控制 水泵和循 环计数等的程序设计 。该 系统设 计新颖、 运行 稳定 ， 满足 了实际运行的 需要 。 关键词 P L C； 水泵 ； 仪表 ； 4 8 5通讯 中图分类号 T V 6 7 5 ； T P 2 7 文献标识码 B 文章编号1 0 0 4 7 3 2 8 2 0 1 1 0 2 - 0 0 6 4 - 0 3 De s i g n o f Au t o e o nt r o l S y s t e m f o r Ra i n wa t e r Pumpi ng St a t i o n NI U Guo -y i B e ij i n g D F L o c o m o t i v e E l e c t r i c a l F a c t o r y ， B e i n g 1 0 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Au t o c o n t r o l s y s t e m f o r r a i n w a t e r p u mp i n g s t a t i o n wa s d e v e l o p e d u s i n g W i n c c a n d S 7 3 0 0 P L C o f S i e me n s C o mp a n y ． T h e a r t i c l e b rie fl y i n t r o d u c e s t h e c o n f i g u r a t i o n o f s y s t e m，a n d d e s c r i b e s c i r c u i t s t h a t c o n t r o l s t h e s t a rt i n g a n d s t o p o f p u mp s i n d e t a i l e d ． I t a l s o h i g h l i g h t e d g i v e s t h e d e v e l o p me n t o f P L C p r o g r a m，i n c l u d i n g t h e p r o c e d u r e s o f c o l l e c t i n g o n s i t e d a t a ，l a u n c h i n g ma c h i n e o f d e c o n t a mi n a t i o n， c o n t r o l o f p u mp s i n c o mmu n i c a t i o n w a y a n d c y c l e c o u n t i n g， b a s e d o n t h e r e q u i r e me n t s o f c o n t r o l s y s t e m． T h e s y s t e m r e a c h e s t h e r e q u i r e me n t s o f d e s i g n ． I t o p e n s a n e w r o a d a n d c a n r u n s s t e a d i l y a n d s a t i s fi e s n e e d s o f p r a c t i c a l o p e r a t i o n ． Ke y wo r d s P L C；p u mp i n g ；mu h i f u n c t i o n a l p o we r me t e r ； 4 8 5 c o mmu n i c a t i o n 华北平 原地 势平坦 ，不少 地 区低 于洪水 河道 的 最高 洪水位 。汛期 降水 主要通 过排 水泵 站提 升排 入 一 、二 级河道 ， 因而 在保证 市 区工业 生产 和人 民群众 的正 常生活 中泵站起 到 了重要 的作用 。 目前的不少泵站控制系统大部分修建于 2 0世 纪的六七十年代 ， 受当时客观条件的限制 ， 泵站建设 标准低 、 设备选型单一 、 工程配套不健全 、 自动化程 度 不高 ， 基 本采用 经 验管理 的方式 ， 大 部分泵 站 的操 作及运行参数的抄录 由现场值班人员手工完成 ， 工 作量大、 效率低。随着经济和技术的发展， 城市排水 泵 站 的 高效 利 用 和有 效 的 管 理 受 到 各 地 政 府 的 重 视 。 排水泵站的经济运行和信息管理显得尤为重要 。 通 过 采 用 总线 控 制 系统 F C S 可 以实 现 泵 站 运 行 、 管理的智能化 ， 提高设备的运行效率 ， 降低运行成本 和管 理支 出 。 这里 ， 简要介 绍雨 水泵 站 自动化控 制 系 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 - 1 0 作者简 介 牛国毅 1 9 8 2 一 ， 男 ， 硕士 ， 工程 师 ， 主要 从事 电气 产品的 研究和开发工作。 统 的结 构 、 系统控 制 回路 的实现 ， 结合 控制 系统 的设 计 要求 ， 给 出 了启 动 除 污机 、 启动 水 泵 、 水 泵分 组 和 循环 计数 等部 分 的程序设 计 。该 系统可 以在无 人 值 守情 况下 ．根据 隔栅 机栅 前 的液位 自动控 制水 泵 的 启动 和停 止 ，并 能 自动选 择运 行 时间短 的水 泵进 行 智能排 水 ， 实 际应 用 中运行 稳定 ， 满 足实 际运行 的需 要 。 1 系统结构 采 用 西 门子 公 司 的 WI NC C和 S 7 3 0 0 P L C开 发 该雨 水泵 站 自动化 控制 系统 。 系统采 用 S I MA T I C S 7 3 0 0系列 P L C实现 数据 采集 和处 理 、 控 制水 泵启 动 和停 止 、 完 成与 上位 机数 据交换 等 。 系统 的用 户界 面 采 用 组 态 软 件 Wi n C C开 发 ，下 位 机 程 序 采 用 S T E P 7编译软件编写。P L C和上位机之间通过 MP I 卡实 现 P r o fi B u s 总 线通 讯 ，这种 总 线方 式具 有传 输 速度快 、 抗干扰能力 强、 出错率和成本低等优点 在 一 条总线网络上可带 1 2 5个站通讯 。 系统要具备读取智能仪表数据 、根据水位 自动 2 O 1 1 ． N o ． 2 牛国毅 雨水泵 站 自动控制系统的设计 6 5 控制水泵的启动和停止 、控制闸门和格栅 、检测栅 前 、 栅 后 压力 等 功能 ， 整个 系统 的结 构 如 图 1 所 示 。 圈 I P 。 fj B 。 I电源 l C P U l 通讯 l 通讯 l D I l D O I A I l 模块 l 模块 l 模块 1 l模块 2 l 模块 l 模块 l 模块 智 能仪 表的 数 据读 取 、 控 制水泵 启 动 、停 止 和 状态信 号 闸 门 、隔 栅 机 等开关 状 态信 号 闸门 、 隔 栅 机 等开、 关 控 制信 号 栅 前 、栅 后 液 位和压 力 等信 号 图 1系统 结构 2系统设计 2 ． 1 上位 机 上 位 机 通 过 P r o fi B u s 协 议 采 集 P L C 中存 储 的 信 息 。上位 机 的 画面包 括 泵站 系统 、 高压 系统 、 低 压 系统 、 排水 系统 、 现 场 总貌 图 、 历 史 趋势 等 ， 通 过 打 印 机 可 以打 印历 史趋 势 ， 获得 泵 站系 统 的运行 记 录 。 在 各 画 面 中 ，可 显示设 备 的 运行 状态 以及 重 要 的 电量 信息 ， 如三相电压 、 三相 电流 、 线电压 、 有功功率 、 无 功 功率 、 功率 因数等 。 通过 开 发 的人机 交互 画面 可 以 控 制现 场水 泵 的启 动和 停止 ， 也 可 以实 现对 压 榨 机 、 隔栅 机 、 闸门等 单独 的操 作 。 2 ． 2下位 机 在 自动控制状态 下 ． P L C按照各设备间 的联动 关 系 自动控 制设 备 的启 停 ， 同 时具 备故 障报 警 功 能 。 该 系统 中 的数据 读取 、水泵 的启 动 和停 止 控 制完 全 通过 通讯 方 式来 实现 。 现 场智 能仪 表 采集 水泵 运 行 、 停 止 和 故 障 等 状 态 信 号 以及 设 备 运 行 时 的 电 量 信 息 。 当现场 仪 表 接 收 到 P L C发 出 的读 表 指 令后 ， 通 过通 讯 的方式 将 采集 到 的低 压 、高 压部 分 电量 信 息 和水 泵运 行信 息 等反 馈 给 P L C。 P L C与 下 属 的各 智 能 仪 表 间采 用 Mo d b u s通 讯 协议 ， R S 一 4 8 5半双 工通 讯 方式 。每个 智 能仪 表 有 唯 一 的地址 ， P L C通过 查 询地 址 ， 找 到对 应 的智 能仪 表 后 ， 发出水泵的启动和停止信号 ， 智能仪表接 收信号 后发 出开关量脉冲信号 ， 启动控制 电路 ， 控制继 电器 吸合 或者 断 开来 实现水 泵 的启 动 或停 止 控制 。水 泵 控 制 回路 的原 理 如 图 2所 示 。 系统 采 用通 讯 的方 式 控 制水 泵 的启 动 和 停止 ， 这 种 控 制方 式可 靠 、 灵 活 ， P L C和 各 个仪 表 之 间通 过 一 根数 据 总线 就 可 以完 成 所 有 控 制 和数 据 的传 输 ， 大 L 1 1 F 0 ／ 6 A手动 自动 图 2水 泵 控 制 回路 原 理 大简化 系 统 的布线 ．克服 继 电器 直接 控 制水 泵 的故 障率 高 、 工 作 可靠性 差 、 成 本高 和 动作 次数 有 限等 缺 点 。 3 P LC程序 设计 要 求 P L C能 够 根 据 隔 栅 机 栅 前 液 位 的 变 化 自 动 控制 多 台水 泵 自动 运行 。 当水 位升 至设 定水 位 时 ， 要 求控 制 系统 将根 据 软件 程序 自动增加 运 行水 泵 的 台数。相反 ， 当水位 降至设定水位值时 ， 要求控制系 统 自动 减少 运 行水 泵 的 台数 。P L C可记 录各水 泵 的 运行 时间 ， 保证 各水 泵 累积 的 运行 时 间基本 相 等 ， 使 系 统保 持在 最佳 运 行状 态 。 为 了供 电系统 均衡 ， 采 用 6台水泵 分 两组 投 切 的方 式 。当控 制 系 统根 据 栅 前 液位 判 断需 要启 动 2台水泵 ．则启 动两 组 中累计 运 行 时 间最短 的水 泵 。 为 了保证 变压 器 正常 运转 、 防止 启 动 电流过 大 ， 要求 2台水 泵 的启 动要 有 时间 间隔 。 3 ． 1 除 污机程 序 地 面 的杂 物难 免要 混入 雨 水 中 。需 要 及 时地 清 除 隔栅处 的杂物 ， 保 证 雨水顺 利 进入 积 水池 。 隔栅 机 栅前 、栅 后 液位 相 差超 过设 定值 ，表 明杂 物堆 积 过 多 ， 需要 及 时清 除 。 此 时 系统启 动 除污 机 。经 过螺旋 输 送 机 和压 榨 机将 杂物 从 栅前 传送 到 地 面 ， 实 现 自动 清除 杂物 。 启 动 除污机 的程序 模块 如 图 3所示 。 2 7 6 “ Le v e l di f f e r e n c e M ” CMP 1 I N1 “ CHWJ _l_ au t o o p e n M I ” l I N2 l __ _ _ _ 一 图 3启动除污机程序 3 ． 2水泵 启动 程序 控制 系 统要 能够 根 据栅 前 液位判 定 实 际需 要 运 行 的水泵 台数 ，对 比 已经运 行 的水 泵 台数 和需 要 运 行 的水泵 台数 ， 如果 两者 不相 等 ， 则启 动 或 停止 相 应 6 6 海河水利 2 0 1 1 年 4月 的水泵 。根据 液位判 定需 要启 动 的水 泵 大于 当前 实 际运 行 的水 泵 台数时 ， 进入启 泵 程序模 块 ， 启动 水泵 程序如图 4所示 。 “ S h u i Be n” P r e s e n t l e v e l “ S h ui Be n’’ x mg CMP l I N1 ‘‘ S t a r t s t a r t ” l I N2 - - - _ J 图 4 启动水泵程序 3 ． 3 水泵分组 程序 ． 为了保证整个泵站控制系统供电平衡 ，需要将 6台水 泵分 为两 组 。将编 号 为 1 、 2和 3的 3台水 泵 编为第 一组 ， 另外 3台水 泵 编为第二 组 ， 根据 水泵 运 行状态 判定各 组实 际运行 的水 泵 总数 ，分组 的程 序 模 块如 图 5所 示 。 “B e n ‘B c n g 图 5水 泵分 组 程 序 3 ． 4 循环 计数 程序 P L C通过 调 用 数据 块 发 送指 令 到 智 能 仪表 ， 执 行启 动水 泵 、停止水 泵 和读取 智能 仪表采 集 的现 场 数据等操作。 发送的数据格式符合 MO D B U S协议结 构。智 能仪表接收到 P L C发来的指令 ， 根据功能码 执行相应的操作。该系统低压部分有 6块仪表负责 水泵的启动 、 停止、 采集 和传输现场 电量 的作用 ， 高 压部分 的‘6块仪表负责采集高压部分的电量信息 。 P L C和各智能仪表之间采用 MO D B U S通信协议 ， 以 R S ～ 4 8 5半 双工 通讯方 式进 行通 讯 。 为 了防 止数据 总 线上传输的数据、 指令等发生冲突 ， 采用循环计数的 方式控制各仪表的读数 、 水泵的启动和停止 。 循环计 数程 序 如 图 6所 示 。计 数程 序 中 MW2 0 3的值每 隔 1 s 在 0 1 8之 间循环 变化 。 当 MW2 0 3的 值为 1时 ，判定 是 否 有启 动或 者 关 闭一号 水泵 的信 号 ，如果有 相应 的信 号则 调用 启 动 或关 闭一 号 水泵 程序 ； 当 其值 为 7 ～ 1 2时 ， 判 定 是 否有读低压部分智能仪表的信号 ，如果有则读取智 能仪 表 ，获 取现 场 的低压部 分 电量信 息 当其 值 为 l 3 ～ 1 8时 ， 如果 有高 压部 分读 表信 号 ， 则 执行 读取 高 图 6 循环计数程序 压部分电量信息的程序。 通过循环计数的方式 ， 将每 台水泵的启动、 停止和 1 2块智能仪表的读数附加一 个判定条件 ，保证总线上传输的指令和数据不 出现 冲突和丢失 ， 实现了对总线的分时复用的功能 。 完全 符 合该 控 制系 统 的设 计 要 求 。上 位 机通 过 P r o fi B u s 总线通讯方式访 问 P L C， 获得现场电量信息后 。 以画 面的形式显示出现场 电量信息和系统的运行状态 ， 达到可视化的效果 ，方便用户实时查看系统的运行 状 况 。 4结论 通 过 开发 雨水 泵 站 F C S系 统 ， 解 决 了泵 站 的 日 常维护量大 、 维护事项繁杂 、 故障点不易发现等一系 列问题。 F C S系统在泵站中的使用 ， 大大提高了泵站 的运行可靠性 ，跨越式地提高 了泵站的管理效能和 操 作人 员及设 备 的安全 性 。 该 系统 达 到 了设 计要求 ， 运行 可靠 稳定 ，提高 了雨水 泵站 控制 系统 的运 行效 率 ， 为排水系统智能化打下坚实的基础 。 系统在控制 6台水泵 、 l 2块仪表时所采用的循环计数法实现 了 总线 的分 时复 用 ，对于设 计 人员 开发 总线式 控制 系 统极具参考价值 参 考 文献 【 1 】 张景成 ， 张立秋 ． 水泵 与水泵站【 M】 ． 哈尔滨 哈尔滨工业大 学 出版 社 ． 2 0 0 3 ． [ 2 ] 刘竹溪 ，冯广志． 中国泵站工程【 M 】 ． 北京 水利 电力 出版 社 ． 1 9 9 3 ． 【 3 】 S I MA T I C S o f t w a r e F u n c t i o n B l o c k D i a g r a m F B Df o r s 7 - 3 0 0 a n d s 7 4 0 0 P r o g r a mmi n g Ma n u a 1 ．