基于PLC扬水站自动化系统的设计.pdf

行 业 应 用 与 交 流 n d u s t r i a l Ap p l i c a t ion s a n d Co mmun i c a t io n s 自动化技术与应用 2 0 1 6 年第 3 5 卷第 4期 基于 P L C扬水站自动化系统的设计 ★ 李 强 ， 荆敏娟 山西省运城学院 ， 山西 运城 0 4 4 0 0 0 摘 要 本文在分析扬水站水泵机组运行现状的基础上 ， 利用可编程控制技术 ， 设计了一套扬水站 自 动化操作系统。本系统实现 了 3 台水泵启停的远程管理功能 ， 完成了各台机组运行时间的记录功能。该系统在扬水站所管辖的多个灌区泵站中具有一 定的推广意义。 关键词 可编程控制器 ， 灌区 ； 泵站 中图分类号 T M5 7 1 ． 6 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 6 0 4 0 1 1 1 0 3 De s i g n o f Au t oma t i o n Sy s t e m O f Pu mp i n g St a t i o n Ba s e d O n PL C L I Qi a n g ， J I NG Mi n - j u a n Y u n c h e n g I n s t i t u t e ， Y u n c h e n g 0 4 4 0 0 0 C h i n a Abs t r a c t On t h e a na l y s i s o f c u r r e n t o p e r a t i o n o f p u mp i n g s t a t i o n ， T h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s a wa y o f PLC t e c h n o l o g y , an d d e s i g n s a s e t o f a u t o ma t i o n s y s t e ma b o u t p um p i n g s t a t i o n ． Th e s y s t e m C an s t a r t a n d s t o p t h r e s s s e t s o f p um p a t t h e o p e r a t i o n o f r e mo t e s tat i o n． At the s a me t i me ， e v e r y p um p r u n n i n g t i me c a n b e r e c o r d e d i mme d i a t e l y ． Th e r e f o r e ， t h e s y s t e m C an b e wi d e l y u s e d i n p um pi n g s t a t i o n o f i r r i g a fi o n a r e a ． Ke ywo r d s PLC； i r r i g a t i o na r e a ； p um p i n g s t a tio n 1 引言 大力开展节水型泵站建设 ， 是保证国家粮食安全、 促进农村发展、农业增产和农民增收的关键措施 ， 是拉 动 内需、保持经济较快增长的有力手段。但是 ， 在乡镇 的水利建设中 ，由于受到技术和资金的限制 ， 一方面 ， 不少大型机组未加设无功补偿设备 ， 无功罚款加大了运 行成本和事故停机概率 ； 另一方面 ， 部分灌区泵站存在 私 自启动机组进行农业灌溉的违规情况 ， 这无疑造成国 家水资源的严重浪费。 2 系统结构 为了解决泵站运行中存在的问题 ， 运用现代化的技 基 金项 目 运城 学院 2 0 1 3 年度产 学研合作研究项 目 编号 c Y 一 2 0 1 3 0 2 0 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 4 - 1 8 术和管理手段 ， 在原有机组的控制系统中加入变频控制 柜和主控柜 ， 在降低机组无功功率的同时 ， 加强了扬水 站管理机构的管理功能。 不仅实现了远程授权启动功能 ， 并且增加对每台机组的运行时间记录监控。 本系统按照集散控制系统的设计思想 ， 分别实现对 某个灌区的三台机组 运行机组 ， 备用机组 ， 检修机组 进行现场数据采集和远程授权功能。系统由 3 层结构组 成 ， 分别为现场层、控制层以及管理层。其中 ， 现场层 设备由传感器和负载组成 ， 传感器负责采集水井水池水 位、泵出口压力、流量以及出水量 ， 负载为 3台机组 ； 控制层包括启动柜、变频柜和主控柜 ， 启动柜可实现电 机的工频启动 ， 而变频柜则可变频启动电机 ， 变频运行 既减小了感性负载电机在启动过程中对电网的冲击 ， 又 降低异步电机的功率因素 ， 主控柜在完成水位、压力、 流量和出水量的采集基础上 ， 并且可以实现远程管理和 时间统计功能。管理层为上位机监控系统 ， 可以实现远 zzzPsgiolePfrp 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 6 年 第3 5 卷 第4 期 行 业 应 用 与 交 流 n du s t r i a l App l ic a t ion s a n d Co mm u n i c a t ion s 程的授权以及机组时间的运行显示功能 ； 系统整体结构 图如图 1 所示。 图 1 系统结构图 3 硬 件系统设计 根据灌区需水量及地理情况要求 ， 泵站内的水力机 械设备常选用离心式水泵。此设计用到的单级单吸清水 离心泵型号为 I S 8 0 -1 0 0 A， 其流量为 6 5 m ／ h， 扬程为 8 m， 效率为 6 9 ％， 配套 电机为三相 鼠笼式异步电动机 ， 转速为 2 9 0 0 r ／ mi n， 电机功率为 2 ． 2 KW。机组数量为 3 台。电机的工作方式分为两种 ， 一种是操作启动柜工频 启动 ， 另一种是操作变频柜变频启动。灌溉峰期采用工 频供水方式 ， 谷期则为变频供水方式。水泵机组两种方 式交叉运行 ， 在满足供水需求的基础上 ， 实现了水资源 的合理调配 ， 较少了水量的损耗 ， 并且节约了电能。该 控制系统分别由启动柜、变频柜和主控柜组成。 图 2 主回路原理图 启动柜由断路器、接触器、热继电器、指示灯组成 ， 可以实现每台电机的工频运行 ； 而变频柜则由断路器、 变频器组成 ， 实现某 台电机的变频运行 ， 变频器选用 台达公司的 VFD 0 2 2 M4 3 B型号的三相变频器 ， 其功率 为 2 ． 2 KW ， 启动方式设置为外部端子 ， 运行频率设置为 4 0 Hz 。三台电机的主回路原理图如图 2 所示 ， 其 中 ， 变 频器为 “ 一拖三”工作模式。 主控柜通过采集启动柜和变频柜的控制信号 ， 实现 机组的远程授权操作和运行机组的时间统计功能 ， 该 柜体由空气开关、PL C、指示灯、按钮以及数显仪表组 成。按照系统运行方式及功能要求 ， 对 PL C需要的输 入采集信号和输出控制信号进行归纳统计 ， 如表 1 所 示 ， 本系统的输入点数为 1 8 个 ， 输出点数为 1 2个。经 过对 比多个厂家的 PLC型号及容量 ， 最终选用欧姆龙 公司的具有通信功能的 CP M2 AH系列 P LC， 该型号共 有 2 个输入通道 ， 2个输出通道。其中输入通道地址为 0 0 0 0 - 0 0 1 1 及 0 1 0 0 - 0 1 0 5 ， 输 出通道地址 为 1 0 0 0 -1 0 0 7 及 1 1 0 0 -1 1 0 3 。 表 1 P L C输入输出信号统计表 输入 含义 数量 信号 自 输 出 含义 数量 信 号去 1 1 变 频启／ i频启／ 停 3 1 l 允许 l 2 2 变频启／ i频启 ／ 停 3 主控柜 2 2 允许 1 主控柜 3 3 变频启／ I频启 ／ 停 3 3 3 允许 1 4 1 、2 、3 工频运 行 3 启动柜 4 l 、2 、3 变频 3 变频 柜 5 l 、2 、3 变频 运行 3 5 变频器复位／ 启停 2 变频柜 6 变频运行 、变频 故障 2 6 1 、2 、3 I频 3 启 动柜 7 复位 1 主控柜 7 出水 阀 l 合计 1 8 1 2 图 3 P L C输入输出接线图 该系统中 ， PL C的输入信号和输出信号分别来自主 控柜、启动柜和变频柜。输入信号存在按钮、继电器接 点和光耦合输出接点三种形式 ， 其中变频器运行输出信 号为光耦合输出接点 ， 变频故障和 电机工频、变频运行 为继 电器接 点输入 ； 输 出信号存在继 电器 和指示灯 两种 形式 ； 其中 ， 指示灯为扬水站授权操作信号指示 ， 每台 电机 只有 在授权指 示灯点亮 的情 况下 ， 方可进行 电机的 变频或工频启动 ； 而继电器完成对主控柜和变频柜的控 zzzPsgiolePfrp zzzPsgiolePfrpzzzPsgiolePfrp