基于PLC 的离心泵站自动监控系统研究与设计＊

张强，陈肖，张开勇

（1.江苏财经职业技术学院，江苏淮安 223001；2.江苏岚江科技有限公司，江苏南京 210000）

根据“十四五”期间推进智慧水利建设实施方案[1]，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，中国水利系统正在向数字化方向变革，而水利信息中的水情监测、引调水监测、排灌监测等数据均源于各大小水利泵站。泵站工程作为水利系统中取水、送水的重要基础设施，主要负责区域的农田灌溉、防洪排涝和日常生活供水等关系民生的重要任务[2]。泵站可选水泵种类众多，而离心泵因具有流量范围大、压力平稳、波动小、结构紧凑等特点被广泛应用[3]。传统的离心泵站站内设备主要由3～5 台离心泵、电动机、高压开关柜、阀门、仪表、管路及管路附件等组成，而控制方法为基于继电控制方法的手动控制，泵组内配置的真空表、压力表、温度表等机械表均需要人工读取，如遇故障或突发情况，需由泵站电话联系汇报，并手动记录档案，在故障发生之后，无法及时采集泵房现场的运行数据[4]。基于上述问题，设计一种自动化的监控系统，旨在实现泵站系统的安全、可靠、高稳定性运行，并在最大程度上实现无人值守。

1 控制系统结构

1.1 系统功能分析

泵站自动化监控系统主要功能是对离心泵、电动机、水闸、阀控设备、传感设备、泵组辅助设备、供电设备等关键组成部分的数据进行获取、传输、显示；能通过控制信号及逻辑指令实现对泵站设备的远程控制、自动化运行，并将系统运行过程中出现的故障汇总报表。通过分析，离心泵站性能及功能需求主要包括监测功能、控制功能、保护功能、报警功能、存档功能、报表功能、管理功能、联网功能等，下面基于工程情况，参阅资料对控制系统设计目标制定如下。

1.1.1 实现控制方式多样化

应能满足多样控制需求，控制方式至少包括手动、半自动和自动3 种。手动模式下需要操作人员手动点触按钮，打开、关闭阀门或电机，多用于设备检修或者装配试车等状态。此种方式下，监控主站仍然可以显示各项数据，但是无法执行主站启停命令。手动模式具有最高的优先控制权限，这种设定能够保障整个系统在存在控制信号端故障时泵组仍能正常运行。半自动模式是为方便司机操作的人性化设计，在各项参数检测正常、各项安全报警程序正常的前提下，由操作人员将监控分站的模式旋钮拨至半自动处，在监控主站可以直接控制离心泵的启停、进水门的开闭、灌泵方式的选择等。自动模式下泵组系统可以在无人值守情况下自动运行，是一种控制器依据相关程序通过水位、水量、设定时间等信息自行开关水泵的控制模式。

1.1.2 实现泵站系统设备的电气化和智能化

完成对泵站系统的技术改造和设备更新，加装逻辑控制模块、传感器检测模块、水路电控阀门，使用多组合控制方式，实现泵站电气化与智能化，减轻工作人员的操作负担，使监控、输水工作过程更加简单、直观。

1.1.3 实现参数信息的量化

监控主站以及上位机系统应满足对泵组运行的关键数据，包括水位、轴温、水泵机组电参量、阀控设备运行状态、各水泵运行状态等量化显示的功能，在故障分析以及对泵组效率、工况分析中具有重要的参考价值。

1.1.4 完善故障报警与保护策略[5-6]

压力保护：主要包括真空度和正压值两部分。离心泵必须在充满水的前提下才能正常启动，否则水泵转动时将无法吸水，形成“干烧”，严重影响水泵的使用寿命，工程上采取检测泵内壁真空值的方式，判定到达条件后才能启泵，这是保障开泵安全的重要措施。在水泵打开后，为防止发生水锤和增加离心泵运行负荷，不能直接打开闸阀，需要设置正压保护，即出水口处压力值达到出水管内水平，才能开启闸阀。

时限保护：在灌注环节，需要有时间限制来判断是否因设备密封性不好而迟迟抽不满水。而且，密封性问题一直以来都是水泵以及管路的主要问题之一，不容忽视。此外，各类阀门在启停时也需要设置时限，以排除设备故障。

电流保护：离心泵在启动时，瞬时电流会很大，但数秒之后便会维持在一定水平。如果运行时电流过小，电机干烧，应立即执行关闭动作；如果电流过大，则会对线路造成损害。

温度保护：离心泵长时间运行时，轴端温度会升高。因此在温度达到一定值时，设置报警，提示操作员停泵或换泵。

流量保护：在水泵运行时，水管内水流量过小说明离心泵未在正常工作状态，离心泵在该状态长期运行，始终处于憋压的状态，会导致离心泵振动过大、汽蚀加剧、寿命减短。

水位保护：系统监测到进水池水位异常时，可以报警提示。

在监测到故障后，系统应能够自动执行停泵或报警操作，在监控分站故障灯闪烁、监控主站显示屏上显示并记录报表。

1.2 系统结构

根据工程技术指标和以上分析，设计的离心泵站控制系统应由监控分站、监控主站以及上位机组成，其中监控分站和主站均安装在泵站，上位机安装在指挥调度管理中心。

系统总体结构如图1 所示。

图1 系统总体结构

监控分站在工业上又称就地控制柜、现地控制柜。按照每一台离心泵配置一套监控分站的比例，安置在离心泵一侧。

监控主站安置在泵站内监控室，分站采集的各项数据通过通信模块均传输至主站，控制程序的调试与运行均在主站进行。

上位机设置在远端的指挥调度管理中心，配备工业电视系统和工控机，主站数据由光纤通信传输至上位机，并显示在工业电视系统上。工作人员在集控室可以实时监控离心泵组运行状况，并及时打印、记录各时段数据。

2 硬件设计

硬件系统包括控制柜、电缆、传感器、各类阀门等设备。众多PLC 里，由于S7-300 系列PLC 具有模块化结构、易于分布式配置、性价比高等优点，控制柜的主控制器便选用西门子S7-300 系列PLC。在设计控制系统时，需考虑留足裕量备用点，便于系统扩展与维护。

监控分站的硬件设计主要如下：①运行模式切换。通过在分站控制柜上的三位旋钮可自由切换其对应泵组的运行模式，设置手动、自动、半自动3 种，考虑系统在操作过程中的安全稳定性，手动模式的优先级最高。②阀门控制。针对每一台离心泵组对应的控制灌注水方式的球阀、控制上排管路通断的闸阀的控制信号以及判断阀控设备开关到位的返回值信号，配置相应I/O 点。③LED 显示。为了防止因设备故障导致泵组运行在非正常状态，需分别在3 台球阀开关到位、闸阀开关到位、真空泵运行、电机合闸、电机分闸等项上设置信号返回回路，并通过双色LED 指示灯显示运行状态。④按键控制。采用点触式按钮以及二位、三位旋钮的方式，实现对球阀、闸阀、离心泵、真空泵等进行控制。⑤模拟量采集。按照采集位置的不同可分为2 个部分。一是压力、真空值、液位、流量等管路参数；二是水泵前轴温、水泵后轴温、电机前轴温、电机后轴温、电机定子温等温度参数。⑥通信。监控分站数字量采集模块采用ET200 分布式I/O 模块，通过DP 总线的方式完成和监控主站CPU 的通信，在高防开关与主站之间通过RS-485 通信完成电参量的采集，模拟量采集模块选用捷通科技公司的DDMF 系列，为8 通道模拟量采集模块，模拟量分辨率为12 bit，与PROFIBUS 总线系统完全兼容。分站硬件结构具体如图2 所示。

图2 分站硬件结构

监控主站的硬件设计如下：①数据集中。监控分站采集的泵组运行数据信息经总线统一上传到监控主站，监控主站通过工业以太环网与显示屏连接，泵组数据除在本站显示外，还由主站发出，经光电交换机转换为光纤信号后传递至远程监控调度指挥中心。②人机交互。监控主站配置显示屏，通过MCGS 组态技术，将数据信息以直观方式显示并记录到显示器中，并支持触摸输入控制命令。③监控公共设备。包括真空泵组、进出水闸门等设备。主站硬件结构如图3 所示。

3 软件设计

3.1 控制流程

3.1.1 控制方式选择

控制方式设定为3 种：手动控制、半自动控制、自动控制。手动控制模式优先级最高，该模式下主站指令不会被执行，但是主站触摸屏仍然正常显示相关参数，通过分站对每个对应泵组的阀门、泵体进行按键启停操作。半自动控制模式优先级仅次于手动控制，可以通过主站进行控制，还可以完成各泵组的一键启动，分站模式选择开关需拨至“半自动”挡。在自动控制模式下，不需要人员参与，系统依据设定程序运行。

3.1.2 离心泵组启停控制

在离心泵开泵命令发出后，系统先判断进水闸是否打开、是否存在故障未解决或复位，自检无误后进入启泵阶段。首先打开真空泵完成灌注工作，在检测泵内负压达到条件后开启离心泵，待出水口水压满足开闸阀条件后，开启闸阀，同时关闭真空泵组，完成送水。在关停泵时需要先将闸阀关闭，最后停泵，为避免误操作对送水造成影响，关泵指令发出后，系统会根据进水池水位判断是否需要继续输送水，并在判定需要时报警提示。统计各泵启停次数以便操作人员了解水泵启停频率耗损情况、定时维护，设置统计次数，完成后自动复位。

3.1.3 自动化运行设计

泵组自动化运行的执行依据主要是进水池水位和涌水量，按实时水位信息对水位高、中、低三限位来判定是否开泵，按短时间内水情增量来判定是否增开泵。为防止在低水位、高涌水情况下的频繁启泵，需要中水位的限制。水位可以反映当前水量多少，达到高水位时调用启泵程序，低于低水位时调用停泵程序；预测涌水量则可以反映水量变化的快慢，当涌水过快时，即使未达到高水位也应采取紧急措施，提前开泵。

3.2 组态界面设计

上位机不仅要能够满足对泵组系统的实时监控功能，还需要对泵站内各项数据进行整合、存储，方便工作人员查找。基于此，上位机设计结构包括画面设计、数据管理两大内容。其中，画面设计包括系统主界面设计、泵组监控动画设计、报警动画设计、运行曲线界面设计、登录端口与菜单栏系统设置等若干部分；数据管理包括报警数据、运行数据、操作数据等。

4 结束语

在水利泵站系统信息化、智能化程度不断提高的时代背景下，对离心泵站进行的自动化监控系统改建符合时代特征，有利于提高泵站的管理水平和现代化发展水平。在系统投入运行后，可以根据水位信息、泵站自排流量、抽排水量等数据信息，为泵站节能建设、多级泵站联动运行等方向的研究与开发提供数据支持。此外，该系统的应用还能够提高工人的科学素养，在改善工作环境、降低工作强度的同时，也为建设现代化泵站体系提供宝贵经验。