市排水处泵站自动控制

欧阳豪强

摘要：随着城镇化进程的加快，大量的农村人口在向城市流动。常德虽说是个二线城市，但它也是所有城市现状的一个缩影。2013年市区人口为46万，六年后的今天已经增长到62万。城市人口的增长带来城市面积的扩大、市政设施的增加等等。而作为一位排水人，这些年真切感受到排水处的规模也在扩大，由十年前的几个排水泵站增加到现在的近40个泵站，历年的排水量也在直线上升，由2008年的5389萬mi到2018年的2.33亿m'。随着人们着对生存环境的越来越重视，排水处的职能也由单一的排水转变为晴天截污、雨天排渍，并防止城市内涝，在这个背景下，以往的工作模式越来越被淘汰，科学高效的管理城市水资源、实现排水“自动化”越来越迫切地被提上了日程。自动化的好处是可以汇总城市大量分散的排水设施的运行状态以及排水量等指标，通过科学分析对城市的全局排水有更好的规划，并利用传感器技术、网络传输技术、PLC自动化控制技术从全方位角度监测城区排水泵站及其设施运行状况，再通过上位机组态技术，使用“组态王”设计实时监控画面，从而实现对常德市雨水、污水泵站控制系统的改造。

关键词：PLC;自动化控制技术;传感器技术;上位机组态;泵站控制系统

中图分类号：TP29

文献标识码：A

文章编号：2095-6487（2019）03-0184-02

0引言

随着人们着对生存环境的越来越重视，排水处的职能也由单一的排水转变为晴天截污、雨天排渍，并防止城市内涝，在这个背景下，以往的工作模式越来越被淘汰，科学高效的管理城市水资源、实现排水“自动化”越来越迫切地被提上了日程。

1常德城市排水管理现状

如果将一个城市比作一个人，那么这个城市的排水系统就相当于人的血液循环系统，其重要性不言而喻。相比于欧美和日本等发达国家，我国在排水系统方面要落后于他们。相对于全国而言，我们常德和其它中小城市一样，泵站自动化程度较低或完全没有自动化，日常运行还是主要依靠人工经验。泵站值班人员沿用传统纸质方式，管理方法系统性不强。遇到暴雨等突发因素往往不能及时作出调整，处理突发情况的能力较低。另外关于泵站的运行情况记录也是主要依靠人工，缺少大数据的监测，为日后的分析带来了很多困难。随着近年来极端天气的不断出现，给人民带来了很多财产和安全损失。因此，我处目前的排水管理系统显然还有很大的提升空间，应该充分利用数据库、网络、自动PLC控制系统来管理监控泵站，大大提升常德市污水、雨水泵站的工作性能与管理效率，为管理者提供科学调度、分析排水数据提供依据，并且减少人工成本。

2泵站自动控制系统总体设计

2.1污水泵站工作流程

污水泵站是城市排水系统的重要组成部分，污水来源主要是城市下水道污水以及雨水和路面积水。作为城市的污水泵站，它的主要作用就是提升污水的高程，因为污水管并不像给水管，它并不是靠压力流动，而是以污水自身的势能作为动力，由于城市的截污管网收集的污水面积较广，距离污水处理厂的距离很远，因此不可能将管道埋的太深，因此建设具有污水提升功能的泵站就很有必要。

大体来说一个污水泵站由进水口、格栅间、集水池、潜水泵、除臭设备、出水口组成。由进水口进来的城市污水首先经格栅机过滤掉大部分固体杂质，然后储存在集水池中，再经潜水泵提升污水势能作为下行动力，最后经过除臭设备到达出水口并送往污水处理厂。污水泵站工作流程如图1所示。

2.2泵站自动控制系统

常德市雨水、污水泵站原有控制系统为：电源由箱变变压器提供，通过进线柜将低压电源（变压器低压侧）引入下级配电装置（馈线柜）;馈线柜将总电源电能分配输出至水泵启动柜与无功补偿柜，最后通过水泵启动柜的软启动器或变频器控制水泵的启动与运行。采用此方式控制水泵的运行，需要人工现场操作，便捷性差，且数据（包括水泵运行状态、故障状态、电压电流数据、水位数据）无法汇聚。

本次设计的的泵站自动控制系统在原有控制系统的基础上，增加PLC控制柜、工控机以及水位传感器等设备，操作人员通过工控机下达控制命令，工控机将控制指令下达至PLC，再由PLC控制水泵启动柜的软启动器或变频器。从而实现本地/远程，两种控制方式。同时PLC采集的数据上传至工控机，进而通过传输网络，将数据汇聚至中心管理平台。

2.3控制方式

每座泵站设备控制分三种控制方式，即就地手动控制方式、集中控制方式、自动控制方式。每种控制方式的控制能力不同并且优先级也不同。具体来说就地手动控制就有最高优先级，自动控制的优先级最低。

2.3.1就地手动控制

为了避免突发情况的发生，该自动控制系统必须具备就地手动控制方式。所谓就地手动控制就是人工在设备现场进行控制，控制主要包括对控制柜开关按钮以及急停按钮的操作，进而控制与其相连的设备的工作情况。就地手动控制具有最高优先级，它主要用于设备的维护与调试。

2.3.2集中控制

所谓集中控制就是通过上位机监控软件在控制室对整个泵站进行集中控制，上位机监控软件能够监控整个泵站设备的运行情况并对参数进行记录，并能够与PLC进行实时通讯。因此集中控制为主要控制方式，但是当涉及到设备的维护及调试时还应选择就地手动控制。

2.3.3自动控制

当系统设备被设置为“集中控制”模式之后，通过上位机软件可以将系统进一步设置为“自动运行”模式，此时，泵站所有电控设备（水泵、闸阀、格栅）都将处于自动控制状态，无需人工干预，系统会根据传感器监测的数据，通过程序逻辑，自动控制水泵、格栅、闸阀的运行，从而实现系统的自动控制2。

2.4自动控制与上位机监控方案

2.4.1水泵自动控制

（1）水位采集

本系统的水位监测是整个自动化系统的关键环节，水位监测的精度和水位传感器的可靠稳定性对系统的运行起到决定性影响，因此本次设计针对每一个集水池采用两套水位传感器，两套水位同时监测同一液面，其中一套水位监控数据进PLC，另一套水位监控数据由远程测控终端采集，并由PLC控制器集中对数据进行对比，只有当水位差值小于预设的阈值自动控制启动才正常运行，否则，系统处于故障待修状态。

（2）水泵控制

通过水位传感器实时监测雨水集水池、污水集水池、生态水池水位，将数据送至PLC控制器，PLC根据水位高、低限预设值，与实时水位值对比，自动启动一台或多台水泵，实现水位自动控制。

为了降低泵站成本，水泵的运行台数可由PLC系统的软件自行决定。当水位高于一定数值时，在程序的作用下自动增加水泵台数。相反，当水位低于一定數值时，在程序的作用下自动减少水泵台数。同时为了提高水泵的寿命，减少水泵由于长期运行所造成的损耗，每台水泵的运行时间都将被记录，若某一台水泵运行时间过长，在程序的控制下会自动关闭该水泵并启用备用水泵，因此每台水泵的运行时间大致相等，最大效率地保证了每台水泵的最佳运行状态。

（3）可靠性与稳定性设计

每个水池采用两套水位传感器，水位的监测互为备份，增加系统的可靠稳定性：每个水池增设一套浮球开关，作为水位上限阀值的开关量监控，当水位上升至浮球安装位置，浮球开关产生开关量信号，并将信号送至PLC数字量输入口，并通过PLC的控制逻辑，产生系统故障报警或紧急事件报警;通过远程测控终端，将监控数据通过不同的运营商的无线通道上传至监控中心，实现双通道互备份的数据传输效果，当一个运营商网络瘫痪，能够维持数据传输的可靠性。

2.4.2格栅机自动控制

污水和雨水中会有很多的较大的漂浮物和悬浮物，格栅起到拦截这些物体的作用，正常水流入的过程中栅前栅后的液位是相同的，但是当所拦截的物体多的时候会产生一些堵塞的现象，这样水流通过格栅就会产生阻碍，栅前栅后就会产生水位差。格栅都是倾斜放置的，与水平面的夹角约70°左右，如果不及时清理栅渣，格栅就容易产生故障，所以格栅的控制是泵站自动化中比较重要一个环节。一直开启格栅比较浪费，现在格栅控制常用的有两种控制方法，第一，时间控制器控制，即设定运行时间与间歇时间;第二，液位差控制，即安装液位差计，在液位差达到设定数值后自动启动。

2.4.3闸门阀门联动控制

根据各泵站的运行工艺，闸门和阀门的联动控制重点通过水位传感器的数据与设定值对比，以保证进水和出水闸门、阀门有效控制、隔离进出水流量，防止集水池或集水井水位越限，对水泵的运行安全产生威胁。

2.4.4上位机监控

通过上位机组态软件实时监控整个泵站的运行状态，并通过组态监控画面能够实现对水泵机组以及闸门的控制;对各台泵相关的电压、电流等信息的实时显示;对水泵机组、PLC控制器以及各种保护装置的运行状态的实时显示;对软件故障、硬件故障等其他系统故障的诊断及报警并能够打印报表;设备及水位状态的变化能够在上位机显示并能以声光的形式警告：对突发情况能够迅速以中断形式进行响应并自动进行相关操作”。

3基于PLC的泵站控制系统设计

3.1PLC概述

在可编程控制器（PLC）产生之前，工业上的自动化控制系统一般采用继电器以及计数器，不仅复杂且效率不高。现在工业上已经普遍使用可编程逻辑控制器，它们的功能也更加强大，能够适用于各种复杂的工业环境。它由电源（给PLC供电）、CPU（它能够根据用户在程序中赋予的各种功能进行各种逻辑运算和处理数据，它能够进行实时地扫描以将来自现场的各种传感器数据或设备状态存入相应的寄存器中）、存储器（可以存储用户编写的程序，另一方面可以存储数据）、输入输出单元（PLC与外部进行通信），从功能上讲，它们已经接近于传统PC，能够通过输入/输出模块以模拟信号或数字信号的形式来控制各种机械设备以及制造处理流程。可编程逻辑控制器目前广泛应用于工业控制领域，由于编程容易且可靠性高，它已经成为工业控制界不可或缺的一员。

3.2PLC工作原理

PLC的阶梯图程序中使用到的计时器、继电器与计数器并非实际上拥有这些硬件，而是为了方便内部的逻辑运算进而改变输出寄存器的状态，再由输出寄存器连接外部机械设备做实体控制。此举能够大大减少PLC所需要的硬件空间。在PLC的运行过程中，CPU逐行扫描梯形图代码进而产生实际的操作。而CPU扫描代码大概分为三步，“输入状态检查”、“程序执行”、“输出状态更新”，每一步的具.体操作如下：

第一步：.“输入状态检查”。PLC在启动时首先会判断与输入端口连接的开关或传感器的状态，并将其状态写入存储器中对应的存储单元。

第二步：、“程序执行”。CPU将梯形图中的程序逐行取入计算，若程序需要获取接点状态则令CPU直接从相应存储器中取出。将输出接点的状态存入存储器中相应的位置。

第三步：“输出状态更新”。CPU执行指令后更新PLC输出接点的状态，之后又回到第一步的工作。PLC工作流程如图2所示。

3.3软件环境

我在本文中选用STEP7编程软件用于西门子S7系列的PLC，并且内置组态、编程和监控等服务。主要完成以下功能：

建立和管理项目。

配置参数并将其分配给硬件和通信模块。

管理程序中所使用的符号。

程序编辑器，比如为S7系列可编程控制器编程。

将程序下载到可编程控制器。

调试自控系统并诊断错误。

一个完整的PLC程序是电气工程师根据一个具体的工艺流程的要求，划清其中的各种控制逻辑再使用PLC编程语言而设计的。PLC的编程语言有五种，它们各自有不同的特点，用于不同的场合，包括梯形图语言（LAD）、功能模块语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）及结构化文本语言（ST）。本人习惯优先选用梯形图语言。

梯形图语言（或LAD）是STEP7编程的图形表示语言。它具有直观和易懂的特点，是使用最广泛的PLC编程语言。其指令的语法与继电器梯形逻辑类似，因此电气工程师对这种语言比较熟悉，梯形图允许跟踪流过各种继电器和输出线圈之间的电流，但是这里要注意，内部继电器不是实际意义上的继电器，电流也不是实际上的电流，它们只是为了方便内部逻辑的建立。

我处泵站控制系统设计的PLC控制程序用梯形图实现，主要包括液位检测、水泵控制、闸门控制三个部分。

程序中FC105模块的功能是將模拟输入规格化成工程量，模块的输入数据为传感器所测量的模拟量，表示蓄水池的高度，这个模拟量不利于我们人眼直接观察，因此将其转化为工程量可以方便我们获取蓄水池的实时高度。获取蓄水池实时高度如图3所示。

如程序所示，DB1.DBD8存储单元中存储值为当前蓄水池液位高度，DB1.DBD12存储单元中存储值为高液位时液位高度，再通过一个大于或等于比较器，当当前液位高度超过或等于高液位高度时，M96.0寄存器置高位，高液位报警。同理，DB1.DBD16存储单元中存储值为低液位时液位高度，通过一个小于或等于比较器，当当前液位高度低于或等于低液位高度时，M96.1寄存器置高位，低液位报警。当然还有闸门正反向启动程序、水泵状态监测程序、顺序启动水泵程序等等，不一一累述。

4结束语

本文通过对常德市污水泵站的现状分析，结合目前先进的PLC控制技术，提出了一种自动泵站管理系统。首先传感器将集水池水位信息输入到PLC，然后PLC根据水位自动决定启动水泵的台数，另外为了保证水泵的使用寿命，PLC会记录各个水泵的运行时间并决定启动哪台水泵，最终达到所有水泵的使用时间大体一致。在格栅机的控制方面，我们在格栅机两侧安装液位差计，PLC会分析两侧的液位差，若液位差越高则说明水中杂质越多，在PLC的控制下格栅机启动。若液位差低则说明水中杂质较少，在PLC的控制下格栅机关闭。为了保证水泵运行安全，我们同样对进出口闸门进行了联动控制，PLC根据水位传感器的数据与设定值进行对比来控制闸门开关，进而隔离进出水流量，防止集水池或集水井水位越限。最后我们使用上位机组态软件实时监控整个泵站的运行状态，并通过组态监控画面能够实现对闸门，泵组及格栅机的控制，并能够实时显示相关的电压、电流、水位等信息并记录，对于异常的设备故障报警等。当然，自动控制少不了通讯的支持，我采用的是联通公司的VPN技术实现中心控制室和下辖多个泵站的局域虛拟专网，中心控制室不能连接到外网，以保证数据安全。

参考文献

[1]李建东，郭梯云.移动通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2013.

[2]吴晓燕，张双选.自动控制理论[M].西安：西安电子科技大学出版社，2012.

[3]李喜武.电工与电子技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2016.