基于PLC的遠(yuǎn)程水泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

蔣寶春

（渤海大學(xué)，遼寧 錦州121000）

0 引言

眾所周知，水是生命之源，水泵作為日常供水的主要生產(chǎn)工具，在社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域都有著很高的使用度。如何提高水泵的工作效率，尤其是在國(guó)家關(guān)于建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的大力提倡下，借助新科技，新技術(shù)實(shí)現(xiàn)水泵日常管理的自動(dòng)化，是一個(gè)擺在科研工作者面前的一個(gè)重要課題。只有實(shí)現(xiàn)水泵的遠(yuǎn)程控制才能降低不必要資源的浪費(fèi)水平，從而節(jié)省相應(yīng)的人力、物力和財(cái)力。和其它相對(duì)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家相比，我國(guó)的水泵管理和控制，特別是水泵的遠(yuǎn)程管理和控制還有著很大的發(fā)展空間。在一些發(fā)展比較落后的城市和地區(qū)，水泵的日常管理和維護(hù)，多數(shù)還是通過(guò)人工的方式來(lái)完成的，自動(dòng)化的管理水平和水泵的有效利用率都處在一個(gè)比較低的發(fā)展階段。所以，如何提高水泵的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制水平是水泵生產(chǎn)使用者亟需解決的一個(gè)問(wèn)題。

PLC是一種目前應(yīng)用比較廣泛的自動(dòng)化控制裝置。早在20世紀(jì)的50年代，這一技術(shù)在英美等工業(yè)技術(shù)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家得到了大規(guī)模的推廣和應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日新月異。PLC的發(fā)展也在模擬運(yùn)算、數(shù)字運(yùn)算、人際互動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等方面取得了很大的進(jìn)步。特別是在上個(gè)世紀(jì)的末期，隨著PLC技術(shù)發(fā)展的不斷成熟，這一時(shí)期，可編程邏輯控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在生產(chǎn)、生活等諸多領(lǐng)域得到了極大地推廣和應(yīng)用。特別是，由于PLC技術(shù)所具備的自動(dòng)化管理水平以及較強(qiáng)的人機(jī)兼容水平，在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，該技術(shù)得到了很好地推廣和使用，比如交通運(yùn)輸、生產(chǎn)加工，礦山開(kāi)采、食品加工等等。本文從PLC的基本概念和我國(guó)的水泵控制管理現(xiàn)狀入手，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一套基于PLC的遠(yuǎn)程水泵控制系統(tǒng)。

1 PLC的基本概念

PLC是可編程邏輯控制器的英文縮寫(xiě)，它是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)發(fā)展和繼電器等常規(guī)的控制裝置進(jìn)行完美結(jié)合的結(jié)果。這一技術(shù)早在20世紀(jì)的70年代在信息技術(shù)發(fā)展比較發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)產(chǎn)生并得到了大規(guī)模的推廣和使用。尤其是在計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展的今天，PLC在款型種類(lèi)等方面也日趨完備，人們可以根據(jù)自己的生產(chǎn)控制需要來(lái)選擇不同的PLC機(jī)型。無(wú)論是體積比較大的大型PLC,還是精巧細(xì)致，便攜式的小型PLC都具有各種特殊的功能來(lái)滿(mǎn)足使用者的不同需求。例如，在現(xiàn)在使用比較普遍的PLC機(jī)型中，特意增設(shè)了人機(jī)對(duì)話的界面，便于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的操作和使用，也可以通過(guò)通信連接實(shí)現(xiàn)可編程控制器與其它控制元件的匹配和對(duì)接。所以，PLC的推廣和使用條件日益成熟。

伴隨著更多計(jì)算機(jī)技術(shù)在PLC的植入，PLC的工作性能包括其系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性和自動(dòng)化的管理和升級(jí)水平都有了很大的提高和改善。作為一種自動(dòng)化的工業(yè)控制裝置，PLC已經(jīng)成為諸多工業(yè)領(lǐng)域的主要控制設(shè)備，這種自動(dòng)化的控制裝置通過(guò)對(duì)預(yù)期實(shí)現(xiàn)的控制效果進(jìn)行相關(guān)程序的編寫(xiě)與設(shè)定，與傳統(tǒng)的繼電器控制裝置相比，有著比較高的自動(dòng)化控制水平和實(shí)時(shí)的處理能力，是一種比較理想的工業(yè)化控制裝置，具有很高的推廣和使用價(jià)值?；赑LC的控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和快速集中，獲得現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控，技術(shù)人員無(wú)須親臨現(xiàn)場(chǎng)或惡劣的環(huán)境就可以監(jiān)視并控制生產(chǎn)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及各種參數(shù)，使受過(guò)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的人員虛擬地出現(xiàn)在許多監(jiān)控地點(diǎn)，方便地利用本地豐富的軟硬件資源對(duì)遠(yuǎn)程對(duì)象進(jìn)行高級(jí)過(guò)程控制，以維護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)營(yíng)，從而減少值守工作人員，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端的無(wú)人或少人值守，達(dá)到減員增效的目的。

2 我國(guó)的水泵管理和控制現(xiàn)狀

中國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，也是一個(gè)用水大國(guó)。水泵的日常管理和維護(hù)水平直接影響著居民生活和社會(huì)生產(chǎn)的和諧與穩(wěn)定。但從目前的管理水平來(lái)看，我國(guó)大部分地區(qū)，對(duì)于日常的水泵的維護(hù)和管理還停留在過(guò)往的“重效率，輕效益”的工作模式和狀態(tài)中。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的充分調(diào)度，降低在供水過(guò)程中，不必要的資源的浪費(fèi)，很多地區(qū)的水泵管理呈現(xiàn)集中化管理態(tài)勢(shì)。這種管理模式確實(shí)在控制能耗和提高資源利用率方面發(fā)揮了巨大的作用。但是，隨著工農(nóng)業(yè)用水量的不斷增加，勢(shì)必會(huì)加大水泵的日常工作壓力，尤其是水泵維護(hù)人員的勞動(dòng)量也越來(lái)越艱巨。同時(shí)，我們要看到，在集中化管理模式的引導(dǎo)下，很多泵站采取了“化多為簡(jiǎn)”的水泵安裝思路。換句話說(shuō)，用幾臺(tái)功率較大的水泵來(lái)替代以往數(shù)量較多，但功率較低的水泵。這樣以來(lái)，水泵則成為能源消耗大戶(hù)。根據(jù)國(guó)家最新的能源使用調(diào)查顯示：水泵在日常的工業(yè)耗電領(lǐng)域中占有很大一份比重，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，每產(chǎn)生10度電的能耗其中有1度是由水泵的工作而產(chǎn)生的。

所以，隨著我國(guó)環(huán)境資源的日益緊張，缺水是目前很多地區(qū)發(fā)展的一大瓶頸。與此同時(shí)，由于水泵的日常管理需要大量的人力，而人力資源的用工成本也越來(lái)越高，很多供水企業(yè)通過(guò)削減人員數(shù)量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)降低用工成本的問(wèn)題，為未來(lái)的水泵的日常維護(hù)埋下了很多安全隱患。以污水泵站為例，其日常運(yùn)行及維護(hù)按照傳統(tǒng)的管理方式需要很大的工作量，目前國(guó)內(nèi)很多企業(yè)仍然采用人工巡查的辦法，具有工作量大、效率低、反應(yīng)慢的特點(diǎn)，所以，借鑒西方比較發(fā)達(dá)的遠(yuǎn)程水泵控制系統(tǒng)，具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。這種遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)不在現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化的水泵控制。更可以，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和分析來(lái)合理調(diào)度水泵的有效使用率，避免水泵資源的浪費(fèi)，有助于我國(guó)節(jié)能社會(huì)的建立和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展。

3 基于PLC的遠(yuǎn)程水泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)并不是一個(gè)新鮮的概念，雖然在學(xué)術(shù)界關(guān)于它的界定還眾多紛紜。但是一些有關(guān)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的內(nèi)涵元素還是得到業(yè)界普遍共識(shí)的。例如，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，通過(guò)相關(guān)控制程序的預(yù)先設(shè)定，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)或加工的一種遠(yuǎn)程的操作和控制技術(shù)。這種技術(shù)對(duì)操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著較高的要求。所以，在本文的基于PLC的遠(yuǎn)程水泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)于可編程控制器的選擇以及相關(guān)指令的輸入和設(shè)定是實(shí)現(xiàn)水泵遠(yuǎn)程控制的重要一環(huán)。

3.1 選擇匹配遠(yuǎn)程水泵控制系統(tǒng)的PLC

可編程控制器在整個(gè)水泵的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，扮演者非常重要的角色。目前在PLC市場(chǎng)中主要有兩種樣式，按照結(jié)構(gòu)形式的不同，可以把其歸納為整體式PLC和模塊式PLC.在加工或控制要求不高的領(lǐng)域，一般采用的是整體式PLC，這種可編程控制器的價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)比較低，但體積較小，本身的靈活性較差。相比較而言，模塊式PLC的功能比較全面，能夠滿(mǎn)足不同層次的控制和管理要求。

我們從水泵遠(yuǎn)程控制的實(shí)際需求出發(fā)，在多方面的參考和比對(duì)下，最終采用了目前技術(shù)條件比較成熟的韓國(guó)三星公司生產(chǎn)的一款可編程控制器，這一款PLC比較匹配我國(guó)當(dāng)前的水泵的技術(shù)水平和特點(diǎn)。這一款可編程的控制器的技術(shù)參數(shù)比較匹配本文所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程水泵控制系統(tǒng)。它包含30個(gè)點(diǎn)數(shù)，其中包括18個(gè)數(shù)據(jù)輸入點(diǎn)，12個(gè)數(shù)據(jù)輸出點(diǎn)，以及1個(gè)RS-232通訊/編程口，一個(gè)RS-485通訊/編程口。在該可編程控制器中，韓國(guó)三星公司特意編寫(xiě)了相關(guān)編程軟件方便我們?cè)谌粘Ｏ到y(tǒng)使用過(guò)程中，進(jìn)行必要的連接和調(diào)試，操作性比較強(qiáng)。

3.2 選擇匹配遠(yuǎn)程水泵控制器的文本顯示器

在實(shí)現(xiàn)對(duì)可編程控制器的編程和使用過(guò)程中，選擇一款性能良好的編程終端有著非常重要的意義。一款性能良好的文本顯示器可以有效的提高整體系統(tǒng)的操作水平，該文本顯示器應(yīng)該具備比較強(qiáng)的穩(wěn)定性，特別是抗干擾能力要強(qiáng)，除此之外，這一文本顯示器的可操作性以及交互性都應(yīng)該在一個(gè)比較理想的水平。本文在設(shè)計(jì)基于PLC的遠(yuǎn)程水泵控制系統(tǒng)時(shí)，借鑒同行業(yè)的研究成果和指導(dǎo)建議，最終采用了由德國(guó)西門(mén)子公司研發(fā)的一款文本顯示器。這一款文本顯示器的市場(chǎng)美譽(yù)度比較高，藍(lán)色底屏設(shè)計(jì)，人機(jī)交互能力比較強(qiáng)。更主要的是它的兼容能力比較強(qiáng)，可以和市場(chǎng)中大多數(shù)的PLC進(jìn)行對(duì)接和連線監(jiān)控，價(jià)格也相對(duì)來(lái)說(shuō)處于中等水平，機(jī)身的設(shè)計(jì)，顯示器的通訊性能和畫(huà)面的優(yōu)質(zhì)程度都比較令人滿(mǎn)意，可以說(shuō)是一款性?xún)r(jià)比比較高的文本顯示器。

3.3 基于PLC的遠(yuǎn)程水泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在基于PLC的遠(yuǎn)程水泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們采用的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中比較盛行的分層設(shè)計(jì)法。根據(jù)遠(yuǎn)程水泵的實(shí)際控制需要，我們把該水泵控制系統(tǒng)分為三層。

首先，設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)控制層。在這一控制層中，發(fā)揮主要控制作用的可編程控制器。在啟用可編程控制器以前，我們會(huì)根據(jù)事先調(diào)查的相關(guān)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行編程數(shù)據(jù)的掃描和輸入。具體來(lái)說(shuō)，在水泵的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，首先將相關(guān)檢測(cè)指令進(jìn)行輸入掃描，在這個(gè)過(guò)程中，編程控制器會(huì)按掃描方式讀入該可編程控制器所有端子上的輸入信號(hào)，并將這些輸入信號(hào)存入輸入映像區(qū)。在本工作周期的執(zhí)行和輸出過(guò)程中，輸入映像區(qū)內(nèi)的內(nèi)容不會(huì)隨實(shí)際信號(hào)的變化而變化。

在相關(guān)的指令編寫(xiě)過(guò)程中，PLC的控制系統(tǒng)首先會(huì)對(duì)預(yù)先輸入的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行掃描。這種掃描的順序是按照上下左右的順序來(lái)完成。掃描指令要求用戶(hù)編寫(xiě)要符合程序的語(yǔ)言編寫(xiě)要求，一般是默認(rèn)用戶(hù)以梯形圖的方式來(lái)完成的指令的編寫(xiě)。在完成對(duì)水泵日常使用的具體指令之后，PLC會(huì)根據(jù)系統(tǒng)的要求，來(lái)自主實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部的邏輯數(shù)字運(yùn)算，通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)指令的調(diào)整和優(yōu)化。最后，在指令編寫(xiě)完成后，該系統(tǒng)會(huì)將相關(guān)指令傳達(dá)到相關(guān)的數(shù)據(jù)輸出端口。在輸出端口，編程控制器的相關(guān)指令會(huì)轉(zhuǎn)化為具體的水泵的操作。

其次，在基于PLC的水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，要設(shè)計(jì)一套中央控制層，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的監(jiān)控和操作控制。這一中央控制系統(tǒng)和上文所述的現(xiàn)場(chǎng)控制層要獨(dú)立分開(kāi)來(lái)運(yùn)作，來(lái)實(shí)現(xiàn)功能實(shí)現(xiàn)的抗干擾性和獨(dú)利性。具體來(lái)說(shuō)，在這一層系統(tǒng)之中，要建立專(zhuān)門(mén)的水泵運(yùn)行管理樞紐，這其中包括專(zhuān)業(yè)的工控機(jī)服務(wù)器來(lái)負(fù)責(zé)相關(guān)整體數(shù)據(jù)的采集和分析。通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作層的監(jiān)管和指導(dǎo)，必要時(shí)完成對(duì)水樣、水量、水泵工作相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和備份，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵運(yùn)行的宏觀監(jiān)控。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的順利執(zhí)行相關(guān)操作，現(xiàn)場(chǎng)控制層有一定的自主決定權(quán)。也就是說(shuō)一旦由于通訊故障而引起的數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制層可以進(jìn)行獨(dú)立操作來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵日常工作的有效運(yùn)行。

最后，設(shè)計(jì)物理執(zhí)行層。在這一層主要是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水泵控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)具體機(jī)器的監(jiān)控和操作。具體來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)場(chǎng)控制層根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的操作指令，根據(jù)各監(jiān)控信息和數(shù)據(jù)的掃描制定相應(yīng)的執(zhí)行命令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的遠(yuǎn)程控制，其中包括水泵工作的開(kāi)啟與停止，工作時(shí)間和工作周期的調(diào)整以及水泵工作功率的設(shè)計(jì)與調(diào)整等等。和傳統(tǒng)的以人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操控的方式相比，在可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｕ舷?，各種指令都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化管理來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，在以往的水泵維護(hù)過(guò)程中，各個(gè)水泵工作站一般需要安排專(zhuān)人來(lái)值守，每天對(duì)水泵的工作狀況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)管，所有的水泵的操作都是值守人員在上級(jí)水泵管理的指示下，通過(guò)人工來(lái)完成。所有的數(shù)據(jù)和信息的交互效率比較低，一旦出現(xiàn)故障或事故，很難在第一時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵設(shè)備的有效操作，更談不上對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的整理與分析?；赑LC的水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以有效的規(guī)避這一點(diǎn)。通過(guò)在物理執(zhí)行層中相關(guān)物理數(shù)據(jù)的設(shè)定，在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)操作過(guò)程中，如果水泵的日常工作出現(xiàn)異常的變化，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤和掃描，根據(jù)故障的分類(lèi)來(lái)進(jìn)行不同的預(yù)案來(lái)處理，在處理過(guò)程中還會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)的上傳與存儲(chǔ)，便于系統(tǒng)維護(hù)性能的提高與升級(jí)。

通過(guò)上述三層的設(shè)計(jì)，我們?cè)谝恍┧霉ぷ髌髽I(yè)進(jìn)行了嘗試性的使用，發(fā)現(xiàn)在水泵的日常維護(hù)方面，基于PLC的水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)比較理想。但由于水泵自身所存在的技術(shù)問(wèn)題影響了整個(gè)系統(tǒng)指令的順利實(shí)施，但總體上來(lái)看，基于PLC的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)還有很大的推廣價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

基于PLC的水泵遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)完成后通過(guò)在一些水泵使用比較密集的生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行投入運(yùn)行，取得了非常好的效果，極大的提高了水泵的自動(dòng)化生產(chǎn)水平，改善了水泵的使用效果，降低了用工成本。與此同時(shí)，由于該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能高效等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的企業(yè)中具有極大的推廣價(jià)值。水泵作為一種重要的供水工具，關(guān)系著社會(huì)生活的方方面面。大力推行技術(shù)革新，提高水泵的日常工作效率和節(jié)能效益具有很大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。PLC作為一種先進(jìn)的自動(dòng)化的控制裝置具有很大的推廣價(jià)值。在本文設(shè)計(jì)的基于PLC的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，水泵的日常維護(hù)和管理水平有了很大的提高。一方面，通過(guò)遠(yuǎn)程控制可以在綜合數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)水泵工作效率的提高，保證其產(chǎn)能的正常運(yùn)行。另一方面，由于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的存在，在第一線的水泵的日常管理中，節(jié)省了大量的人力、物力和財(cái)力為水泵企業(yè)的發(fā)展減輕了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，增加了發(fā)展的活力。隨著，PLC技術(shù)的不斷推廣和成熟，特別是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，未來(lái)有可能實(shí)現(xiàn)更大地區(qū)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對(duì)水泵的日常的維護(hù)與管理。

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