一体化泵站PLC自控系统的设计与实现

周保安

（上海琸源水生态环境工程有限公司，上海 200003）

1 工程背景与概况

近年来，山西寿阳县对白马河、东梁河、石门河等进行了河道整治，这些工程的完成大大减小了县城洪水隐患，对改善城市环境、优化居民生活空间起到了重要作用。但部分河段仍然存在着防洪达标不足、水质污染、滨水环境不佳、配套设施不完善等问题，随着寿阳县现代化进程的加快，需对县城河道进行系统、全面的梳理和综合整治。2021年初，寿阳县住房和城乡建设管理局实施了石门河水环境提升项目工程。工程整治石门河总长度约2.2km，主要内容为河道防洪达标建设、调蓄水系统建设、生态修复工程建设、滨水空间提升、智慧水务管理及调度工程5大部分，其中调蓄水系统建设包括新建分级蓄水建筑物，新建引水一体化泵站和管道，一体化泵站使用PLC自动控制系统。一体化泵站规模为520m3/h，采用潜污泵3台，两用一备，单台泵参数为Q=260m3/h，H=16m，N=30kW。

一体化泵站是一种集潜水泵、泵站设备、除污格栅设备、控制系统及远程监控系统的产品，主体由GRP井筒、水泵、管道、阀门、传感器、控制系统等部件组成。一体化预制泵站施工速度快、质量可靠、使用方便、维修简便、成本低、占地面积小，对周边环境影响小。一体化泵站可比传统泵站造价至少节省20%［1］，一体化泵站工程为交钥匙工程。

2 一体化泵站设置PLC自控系统的必要性

目前，一体化泵站PLC自控系统已成功运用在石门河水环境提升运营项目中，此自控系统实现了除污格栅、潜水泵、电动阀等设备的自动化控制运行，实时采集记录设备运行状态和仪表监测数据，同时管理者通过手机APP、网页Web等方式进行远程查看和管理，实现一体化泵站的智慧运营管理。项目实施后，一体化泵站实现了无人值守、运行安全稳定、管理效率提升、缩减运行成本，尤其在一体化泵站补水方面，PLC自控系统真正实现了快速、准确的优势，从根本上解决了人工操作不及时、不准确的弊端。一体化泵站PLC控制系统具有的反应速度快、安全性强、操作方便、功能完善［2］优点，显著提高设备生产运行效率和安全性，达到设计要求，实现了石门河一体化引水泵站工程的实际应用需求。

3 一体化泵站PLC自控系统设计

3.1 一体化泵站控制系统的组成

泵站控制系统的主控模块由主控制器模块、液位检测模块、人机交互模块、远程控制模块构成。其中，主控制器模块主要工作是采集处理水泵运行过程中相关信号和数据，液位检测模块主要工作是检测实时液位信号和转换，人机交互模块用于显示水泵运行状况和系统相关参数的设置，远程控制模块方便人员进行网络远端控制和获得数据。泵站控制系统工作流程如图1。

图1 工作流程

4个主控模块的工作原理与方式如下：

（1）主控制器模块。主控制器模块收集I/O模块上报的现场数据，根据组态的控制方案完成对现场设备的控制。本模块选择西门子PLCS7-200系列做为主控制器，使用CPU224型做为主机模块。该模块控制点数为14点输入、10点输出，配有一个RS-485通讯/编程口，具备PPI通讯、MPI通讯及自有方式通讯能力，具有结构紧凑、可靠性高、组成灵活、操作方便、传输快等优点，其各项基本参数、性能均能满足泵站控制系统的要求，可实现图1所示的工作流程。

（2）液位检测模块。液位检测模块的核心部件是液位监测传感器，负责监控测量液位、反馈处理信号。本工程采用静压式液位传感器，监控测量补水湖面和筒内液位高度，将信号传到控制单元。静压测量原理如下，当液位传感器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为：P=ρgH+P0，式中：P为变送器迎液面所受压力，ρ为被测液体密度，g为当地重力加速度，P0为液面上大气压，H为变送器投入液体的深度。通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压P0与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的P0，使传感器测得压力为ρgH，此时通过测取压力就可以得出液位深度。

在调试阶段，通过人机界面上的触摸屏设定补水湖面液位、筒体内的启动液位，运行时PLC控制器不断监视筒体内和补水湖面液位的水位传感器信号，并于设定值相比较，当水位低于湖面保证液位且高于筒体内启动液位时，启动两台水泵运行，如果其中一台水泵发生故障时，启动备用水泵。当补水湖面液位超过设定值时水泵停机，等待下一个工作循环。系统水位控制原理如图2。

图2 系统水位控制原理

（3）人机交互模块。人机交互模块主要用于泵站状况的监控、显示，表示为联系人与机器的人机交互界面，实时反映水泵系统各种状态下主要技术参数变化情况，便于巡视人员及时掌握水泵、动力源等主要设备运行状况。模块拟采用具备功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强等突出特点的MCGS组态软件系统（通用版），后与CPU224相连接，并通过驱动构件添加PPI通讯协议，形成MCGS与执行PLC的驱动通讯构件。之后根据实际情况，进行控制系统的设备与子设备基本参数设置，建立数据变量，绘制出人机交互界面，实现泵站各种运行状况实时监控显示。除设置有触摸屏显示外，控制箱面板上还设有所控每台设备设置开/停按钮、自动/手动转换开关、开停及故障指示灯。人机操作界面如图3。

图3 人机操作界面

（4）远程控制模块。远程自控由配套控制箱接受厂区自动控制系统远程控制信号实现自动控制。如4图4所示，一体化泵站系统控制柜自带Ethernet有线通信端口，可通过交换机等网络设备接入互联网，在偏远无人、无有线网络的区域，可以选配GPRS模块将引水提升系统接入无线网络。联网之后，操作者可以通过在智能手机上安装专门开发的一款手机APP，或电脑上安装相应的监控程序，登录后可从远处获得一体化泵站系统的运行数据，设定参数甚至控制系统的启停。远程控制原理如图4。

图4 远程控制原理

3.2 一体化泵站PLC自控系统设计

（1）软件系统设计。软件系统采用西门子S7-200的编程软件step7microwin设计，操作方式主要使用梯形图逻辑、功能块图和语句表这3种来进行［3］，水泵自控系统的梯形图如图5。PLC进行数据采集、上位机通信、执行下发指令和自动控制水泵运行。系统上位机功能由MCGS软件编程完成，既可以实现操作人员对水泵安装高度，出水高度等固定参数进行设置和修正，掌握筒内液位和补水湖面液位高度等关键因素，也能够及时记录、存储水泵运行各项参数数据，便于后期管理。

图5 PLC主程序梯形图

（2）硬件系统设计。PLC是一体化泵站的核心硬件系统，在选择具体机型时，需要考虑工程需求、结构特性、施工成本等因素，不需要追求过多的完善功能。在硬件选型的过程当中，①需要确定I/O端口数量，分配I/O端口地址。输入端子地址分配如表1，输出端子地址分配如表2。②需要确定和设置涉及的开关值、模拟值、特殊功能和智能模式等。③选择合适存储设备，其存储量大小应根据实际需求，但要预留备用余量，在选择存储余量时，一般可按实际需要的25%考虑。

表1 输入端子地址分配表

表2 输出端子地址分配表

4 结语

随着城市化进程的加快，使得城市水环境治理项目越来越多，对水环境治理的效率与效果等提出了更高的要求，而PLC自动控制系统结合了最先进的自动化技术等［4］，实现了对水环境治理信息的及时采集与存储，达到了水环境治理的高效率，促进了可持续发展。