泵站自动控制系统

【摘要】本文提出了一种以可编程控制器（PLC）为核心的泵站水泵控制方案。在该方案中，各台水泵平等地投入使用，并通过对各台水泵运行情况的记录，令运行较少的水泵优先启动，实现了对各台水泵的均衡使用。

【关键词】PLC；泵站；水位控制；均衡使用

1.引言

泵站在污水处理、城市排涝中都是必不可少的环节，而可编程控制器（PLC）以其出色的可靠性和抗干扰性常常被用作泵站的控制系统核心。目前泵站水泵的自动控制一种是在集水井安装超声波液位计，超声波液位计将集水井中的水位信号送给PLC，有PLC自动控制水泵的运行，另一种控制方式是在集水井中安装水位开关，将水位开关送给PLC，到预先设置好的水位后自动开/停污水泵 [1] 。一般来说，泵站会设有备用水泵，以便在主水泵出现故障的时候维持泵站的正常运行。但若备用水泵在水中长期不运行，则电机的绝缘性能会下降，影响水泵的正常运行及使用寿命，而主水泵长期运行也会令其故障频率上升，各台水泵使用不均匀也会使总的维修成本增加。之前也有人提出了一个设计方案，使得各水泵轮流启动，互为备用，但该系统依然无法让各水泵均衡地投入使用[2]。本文设计了一个泵站水泵控制系统，在此系统中，各台水泵的地位是平等的，不存在固定的备用水泵，各台水泵均衡地投入使用。

某泵站目前有三台水泵，分别为一、二、三号泵。在正常情况下，两台水泵同时运行就能满足最大泵水量的要求，剩下一台作为备用水泵，但当水位超过警戒线时，三台水泵都要投入运行。

S1、S2、S3、S4、S5、S6为水位开关，当其浸入水中时处于接通状态（ON），在水面之上时为断开状态（OFF）。6个开关的安装位置由高到低依次是S6、S5、S4、S3、S2、S1。

2.控制要求

（1）当水位到达S2时，启动一台水泵，水位到达S4时启动两台水泵，水位到达警戒水位S6时，三台水泵都要运行；当水位依次回落到停止水位S5、S3、S1时，相应地停止一台泵，两台泵，三台泵。

（2）三台水泵的实际运行时间要尽量均衡，不能出现水泵之间累计运行时间相差悬殊的情况。

3.系统实现

3.1 详细分析

对于开关S2、S4、S6，每当其中任意一个开关状态由OFF变为ON的时候，比较三台泵的累计运行时间并按升序对它们进行排列，依次为第一、第二、第三台泵。当S2的状态由OFF变为ON时，运行第一台泵，并关闭另外两台；当S4的状态由OFF变为ON时，运行第一台泵和第二台泵，关闭第三台；当S6由OFF变为ON时，三台泵都要运行。

对于开关S1、S3、S5，每当其中任意一个开关状态由ON变为OFF的时候，和前面一样对三台泵进行排序。当S5的状态为由ON变为OFF时，运行第一台泵和第二台泵，关闭第三台；当S3的状态为由ON变为OFF时，运行第一台泵，关闭第二台泵和第三台泵；当S1的状态为由ON变为OFF时，三台泵都要停止运行。

每一台泵都有一个对应的计时器，在其启动时对其运行时间进行累加计算，在其关闭时计时器也停止计算，并保存数据。

为方便表述，引入一些符号，其意义如下：

符号 说明

T1 1号泵的累计运行时间

T2 2号泵的累计运行时间

T3 3号泵的累计运行时间

X T1≥T2

Y T2≥T3

Z T3≥T1

TURNON（i），i=1，2，3 开启i号泵

TURNDOWN（i），i=1，2，3 关闭i号泵

各台泵的开启和关闭可用下面的式子表示：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

3.2 PLC编程

本文所设计的系统使用的PLC选用欧姆龙CPM1A型，编写程序前需对其I/O及所用到的辅助继电器和数据存储器进行分配。现将本次设计所用到输入/输出继电器、主要的内部辅助继电器以及数据存储区分配情况如下表。

表1 主要继电器和存储区分配情况

繼电器/存储区 说明

0.00～0.05 开关S1～S6

200.00～200.02 X，Y，Z

10.00～10.02 1～3号泵

201.00、201.01 1号泵开启、关闭

202.00、202.01 2号泵开启、关闭

203.00、203.01 3号泵开启、关闭

DM1～DM3 1～3号泵的累计运行时间存储区

203.00、203.01 1～3号泵的累计运行时间辅助存储区

图1 1号泵的启停

图2 1号泵的计时器

3.2.1 各泵的启动与关闭

以1号泵为例，根据（1）式和（2）式，容易得到其开启和关闭的梯形图，如图1。同样，根据（3）式和（4）式、（5）式和（6）式，不难得到2号泵管和3号泵的开启与关闭的梯形图，这里不再列出。

3.2.2 各泵的计时

由于PLC内部的定时器不能直接用于计时，本系统根据水泵实际的运行情况，利用PLC中的特殊辅助继电器设计了一个计时装置，该是计时装置以小时为单位。具体做法是：给每台泵分配两个存储区，一个以小时为单位记录水泵的累计运行时间，另一个以分钟为单位，起辅助作用，然后利用PLC自带的一分钟时钟脉冲位，该继电器每一分钟发送一个脉冲，当其上升沿到来时，用自增指令使以分钟为单位存储区所存的数据加1，若此前的数据已经大等于59，则将其置零并使以小时为单位的存储区的数据加1，即逢60进1，实现对水泵的计时。同样以1号泵为例，其对应的计时器梯形图如图2所示。

4.结束语

本文讨论的是基于PLC的泵站水位控制系统，该系统实现了运行时间最短的水泵优先启动，使得各泵均衡地投入使用，对资源的利用更充分，同时也能有效地降低故障率，减少维修成本，实用性强。本文所编的程序已经在欧姆龙PLC上运行过，其输入输出关系完全达到了前面所述的控制要求。当然，若要投入生产应用，该系统还需增加一些模块，如接口电路、驱动电路、保护电路以及各泵的转速控制模块等等。现实的泵站控制系统往往还会设置有手动控制方式以及软手动控制方式（即远程手动控制方式）[3]，大型的泵站还会安装远程监控系统实现泵站的远程自动控制，但这些已经不是本文所要解决的问题。

参考文献

[1]黎一强.PLC技术在生活污水处理及回用系统中的应用[J].自动化技术与应用，2008，27（8）：123-125.

[2]王明军.基于PLC的污水泵站自动控制系统[J].自动化技术与应用，2010，29（5）：115-117.

[3]杨明.PLC自动化控制系统在污水处理厂中的应用[J].电子制作，2014，3（2）：205.

作者简介：张明锋（1987—），男，广东阳江人，硕士研究生，现就读于广东工业大学，研究方向：控制理论与控制工程。