市排水處泵站自動控制

歐陽豪強

摘要：隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，大量的農村人口在向城市流動。常德雖說是個二線城市，但它也是所有城市現(xiàn)狀的一個縮影。2013年市區(qū)人口為46萬，六年后的今天已經增長到62萬。城市人口的增長帶來城市面積的擴大、市政設施的增加等等。而作為一位排水人，這些年真切感受到排水處的規(guī)模也在擴大，由十年前的幾個排水泵站增加到現(xiàn)在的近40個泵站，歷年的排水量也在直線上升，由2008年的5389萬mi到2018年的2.33億m'。隨著人們著對生存環(huán)境的越來越重視，排水處的職能也由單一的排水轉變?yōu)榍缣旖匚?、雨天排漬，并防止城市內澇，在這個背景下，以往的工作模式越來越被淘汰，科學高效的管理城市水資源、實現(xiàn)排水“自動化”越來越迫切地被提上了日程。自動化的好處是可以匯總城市大量分散的排水設施的運行狀態(tài)以及排水量等指標，通過科學分析對城市的全局排水有更好的規(guī)劃，并利用傳感器技術、網絡傳輸技術、PLC自動化控制技術從全方位角度監(jiān)測城區(qū)排水泵站及其設施運行狀況，再通過上位機組態(tài)技術，使用“組態(tài)王”設計實時監(jiān)控畫面，從而實現(xiàn)對常德市雨水、污水泵站控制系統(tǒng)的改造。

關鍵詞：PLC;自動化控制技術;傳感器技術;上位機組態(tài);泵站控制系統(tǒng)

中圖分類號：TP29

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）03-0184-02

0引言

隨著人們著對生存環(huán)境的越來越重視，排水處的職能也由單一的排水轉變?yōu)榍缣旖匚邸⒂晏炫艥n，并防止城市內澇，在這個背景下，以往的工作模式越來越被淘汰，科學高效的管理城市水資源、實現(xiàn)排水“自動化”越來越迫切地被提上了日程。

1常德城市排水管理現(xiàn)狀

如果將一個城市比作一個人，那么這個城市的排水系統(tǒng)就相當于人的血液循環(huán)系統(tǒng)，其重要性不言而喻。相比于歐美和日本等發(fā)達國家，我國在排水系統(tǒng)方面要落后于他們。相對于全國而言，我們常德和其它中小城市一樣，泵站自動化程度較低或完全沒有自動化，日常運行還是主要依靠人工經驗。泵站值班人員沿用傳統(tǒng)紙質方式，管理方法系統(tǒng)性不強。遇到暴雨等突發(fā)因素往往不能及時作出調整，處理突發(fā)情況的能力較低。另外關于泵站的運行情況記錄也是主要依靠人工，缺少大數據的監(jiān)測，為日后的分析帶來了很多困難。隨著近年來極端天氣的不斷出現(xiàn)，給人民帶來了很多財產和安全損失。因此，我處目前的排水管理系統(tǒng)顯然還有很大的提升空間，應該充分利用數據庫、網絡、自動PLC控制系統(tǒng)來管理監(jiān)控泵站，大大提升常德市污水、雨水泵站的工作性能與管理效率，為管理者提供科學調度、分析排水數據提供依據，并且減少人工成本。

2泵站自動控制系統(tǒng)總體設計

2.1污水泵站工作流程

污水泵站是城市排水系統(tǒng)的重要組成部分，污水來源主要是城市下水道污水以及雨水和路面積水。作為城市的污水泵站，它的主要作用就是提升污水的高程，因為污水管并不像給水管，它并不是靠壓力流動，而是以污水自身的勢能作為動力，由于城市的截污管網收集的污水面積較廣，距離污水處理廠的距離很遠，因此不可能將管道埋的太深，因此建設具有污水提升功能的泵站就很有必要。

大體來說一個污水泵站由進水口、格柵間、集水池、潛水泵、除臭設備、出水口組成。由進水口進來的城市污水首先經格柵機過濾掉大部分固體雜質，然后儲存在集水池中，再經潛水泵提升污水勢能作為下行動力，最后經過除臭設備到達出水口并送往污水處理廠。污水泵站工作流程如圖1所示。

2.2泵站自動控制系統(tǒng)

常德市雨水、污水泵站原有控制系統(tǒng)為：電源由箱變變壓器提供，通過進線柜將低壓電源（變壓器低壓側）引入下級配電裝置（饋線柜）;饋線柜將總電源電能分配輸出至水泵啟動柜與無功補償柜，最后通過水泵啟動柜的軟啟動器或變頻器控制水泵的啟動與運行。采用此方式控制水泵的運行，需要人工現(xiàn)場操作，便捷性差，且數據（包括水泵運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、電壓電流數據、水位數據）無法匯聚。

本次設計的的泵站自動控制系統(tǒng)在原有控制系統(tǒng)的基礎上，增加PLC控制柜、工控機以及水位傳感器等設備，操作人員通過工控機下達控制命令，工控機將控制指令下達至PLC，再由PLC控制水泵啟動柜的軟啟動器或變頻器。從而實現(xiàn)本地/遠程，兩種控制方式。同時PLC采集的數據上傳至工控機，進而通過傳輸網絡，將數據匯聚至中心管理平臺。

2.3控制方式

每座泵站設備控制分三種控制方式，即就地手動控制方式、集中控制方式、自動控制方式。每種控制方式的控制能力不同并且優(yōu)先級也不同。具體來說就地手動控制就有最高優(yōu)先級，自動控制的優(yōu)先級最低。

2.3.1就地手動控制

為了避免突發(fā)情況的發(fā)生，該自動控制系統(tǒng)必須具備就地手動控制方式。所謂就地手動控制就是人工在設備現(xiàn)場進行控制，控制主要包括對控制柜開關按鈕以及急停按鈕的操作，進而控制與其相連的設備的工作情況。就地手動控制具有最高優(yōu)先級，它主要用于設備的維護與調試。

2.3.2集中控制

所謂集中控制就是通過上位機監(jiān)控軟件在控制室對整個泵站進行集中控制，上位機監(jiān)控軟件能夠監(jiān)控整個泵站設備的運行情況并對參數進行記錄，并能夠與PLC進行實時通訊。因此集中控制為主要控制方式，但是當涉及到設備的維護及調試時還應選擇就地手動控制。

2.3.3自動控制

當系統(tǒng)設備被設置為“集中控制”模式之后，通過上位機軟件可以將系統(tǒng)進一步設置為“自動運行”模式，此時，泵站所有電控設備（水泵、閘閥、格柵）都將處于自動控制狀態(tài)，無需人工干預，系統(tǒng)會根據傳感器監(jiān)測的數據，通過程序邏輯，自動控制水泵、格柵、閘閥的運行，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制2。

2.4自動控制與上位機監(jiān)控方案

2.4.1水泵自動控制

（1）水位采集

本系統(tǒng)的水位監(jiān)測是整個自動化系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，水位監(jiān)測的精度和水位傳感器的可靠穩(wěn)定性對系統(tǒng)的運行起到決定性影響，因此本次設計針對每一個集水池采用兩套水位傳感器，兩套水位同時監(jiān)測同一液面，其中一套水位監(jiān)控數據進PLC，另一套水位監(jiān)控數據由遠程測控終端采集，并由PLC控制器集中對數據進行對比，只有當水位差值小于預設的閾值自動控制啟動才正常運行，否則，系統(tǒng)處于故障待修狀態(tài)。

（2）水泵控制

通過水位傳感器實時監(jiān)測雨水集水池、污水集水池、生態(tài)水池水位，將數據送至PLC控制器，PLC根據水位高、低限預設值，與實時水位值對比，自動啟動一臺或多臺水泵，實現(xiàn)水位自動控制。

為了降低泵站成本，水泵的運行臺數可由PLC系統(tǒng)的軟件自行決定。當水位高于一定數值時，在程序的作用下自動增加水泵臺數。相反，當水位低于一定數值時，在程序的作用下自動減少水泵臺數。同時為了提高水泵的壽命，減少水泵由于長期運行所造成的損耗，每臺水泵的運行時間都將被記錄，若某一臺水泵運行時間過長，在程序的控制下會自動關閉該水泵并啟用備用水泵，因此每臺水泵的運行時間大致相等，最大效率地保證了每臺水泵的最佳運行狀態(tài)。

（3）可靠性與穩(wěn)定性設計

每個水池采用兩套水位傳感器，水位的監(jiān)測互為備份，增加系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性：每個水池增設一套浮球開關，作為水位上限閥值的開關量監(jiān)控，當水位上升至浮球安裝位置，浮球開關產生開關量信號，并將信號送至PLC數字量輸入口，并通過PLC的控制邏輯，產生系統(tǒng)故障報警或緊急事件報警;通過遠程測控終端，將監(jiān)控數據通過不同的運營商的無線通道上傳至監(jiān)控中心，實現(xiàn)雙通道互備份的數據傳輸效果，當一個運營商網絡癱瘓，能夠維持數據傳輸的可靠性。

2.4.2格柵機自動控制

污水和雨水中會有很多的較大的漂浮物和懸浮物，格柵起到攔截這些物體的作用，正常水流入的過程中柵前柵后的液位是相同的，但是當所攔截的物體多的時候會產生一些堵塞的現(xiàn)象，這樣水流通過格柵就會產生阻礙，柵前柵后就會產生水位差。格柵都是傾斜放置的，與水平面的夾角約70°左右，如果不及時清理柵渣，格柵就容易產生故障，所以格柵的控制是泵站自動化中比較重要一個環(huán)節(jié)。一直開啟格柵比較浪費，現(xiàn)在格柵控制常用的有兩種控制方法，第一，時間控制器控制，即設定運行時間與間歇時間;第二，液位差控制，即安裝液位差計，在液位差達到設定數值后自動啟動。

2.4.3閘門閥門聯(lián)動控制

根據各泵站的運行工藝，閘門和閥門的聯(lián)動控制重點通過水位傳感器的數據與設定值對比，以保證進水和出水閘門、閥門有效控制、隔離進出水流量，防止集水池或集水井水位越限，對水泵的運行安全產生威脅。

2.4.4上位機監(jiān)控

通過上位機組態(tài)軟件實時監(jiān)控整個泵站的運行狀態(tài)，并通過組態(tài)監(jiān)控畫面能夠實現(xiàn)對水泵機組以及閘門的控制;對各臺泵相關的電壓、電流等信息的實時顯示;對水泵機組、PLC控制器以及各種保護裝置的運行狀態(tài)的實時顯示;對軟件故障、硬件故障等其他系統(tǒng)故障的診斷及報警并能夠打印報表;設備及水位狀態(tài)的變化能夠在上位機顯示并能以聲光的形式警告：對突發(fā)情況能夠迅速以中斷形式進行響應并自動進行相關操作”。

3基于PLC的泵站控制系統(tǒng)設計

3.1PLC概述

在可編程控制器（PLC）產生之前，工業(yè)上的自動化控制系統(tǒng)一般采用繼電器以及計數器，不僅復雜且效率不高。現(xiàn)在工業(yè)上已經普遍使用可編程邏輯控制器，它們的功能也更加強大，能夠適用于各種復雜的工業(yè)環(huán)境。它由電源（給PLC供電）、CPU（它能夠根據用戶在程序中賦予的各種功能進行各種邏輯運算和處理數據，它能夠進行實時地掃描以將來自現(xiàn)場的各種傳感器數據或設備狀態(tài)存入相應的寄存器中）、存儲器（可以存儲用戶編寫的程序，另一方面可以存儲數據）、輸入輸出單元（PLC與外部進行通信），從功能上講，它們已經接近于傳統(tǒng)PC，能夠通過輸入/輸出模塊以模擬信號或數字信號的形式來控制各種機械設備以及制造處理流程?？删幊踢壿嬁刂破髂壳皬V泛應用于工業(yè)控制領域，由于編程容易且可靠性高，它已經成為工業(yè)控制界不可或缺的一員。

3.2PLC工作原理

PLC的階梯圖程序中使用到的計時器、繼電器與計數器并非實際上擁有這些硬件，而是為了方便內部的邏輯運算進而改變輸出寄存器的狀態(tài)，再由輸出寄存器連接外部機械設備做實體控制。此舉能夠大大減少PLC所需要的硬件空間。在PLC的運行過程中，CPU逐行掃描梯形圖代碼進而產生實際的操作。而CPU掃描代碼大概分為三步，“輸入狀態(tài)檢查”、“程序執(zhí)行”、“輸出狀態(tài)更新”，每一步的具.體操作如下：

第一步：.“輸入狀態(tài)檢查”。PLC在啟動時首先會判斷與輸入端口連接的開關或傳感器的狀態(tài)，并將其狀態(tài)寫入存儲器中對應的存儲單元。

第二步：、“程序執(zhí)行”。CPU將梯形圖中的程序逐行取入計算，若程序需要獲取接點狀態(tài)則令CPU直接從相應存儲器中取出。將輸出接點的狀態(tài)存入存儲器中相應的位置。

第三步：“輸出狀態(tài)更新”。CPU執(zhí)行指令后更新PLC輸出接點的狀態(tài)，之后又回到第一步的工作。PLC工作流程如圖2所示。

3.3軟件環(huán)境

我在本文中選用STEP7編程軟件用于西門子S7系列的PLC，并且內置組態(tài)、編程和監(jiān)控等服務。主要完成以下功能：

建立和管理項目。

配置參數并將其分配給硬件和通信模塊。

管理程序中所使用的符號。

程序編輯器，比如為S7系列可編程控制器編程。

將程序下載到可編程控制器。

調試自控系統(tǒng)并診斷錯誤。

一個完整的PLC程序是電氣工程師根據一個具體的工藝流程的要求，劃清其中的各種控制邏輯再使用PLC編程語言而設計的。PLC的編程語言有五種，它們各自有不同的特點，用于不同的場合，包括梯形圖語言（LAD）、功能模塊語言（FBD）、順序功能流程圖語言（SFC）及結構化文本語言（ST）。本人習慣優(yōu)先選用梯形圖語言。

梯形圖語言（或LAD）是STEP7編程的圖形表示語言。它具有直觀和易懂的特點，是使用最廣泛的PLC編程語言。其指令的語法與繼電器梯形邏輯類似，因此電氣工程師對這種語言比較熟悉，梯形圖允許跟蹤流過各種繼電器和輸出線圈之間的電流，但是這里要注意，內部繼電器不是實際意義上的繼電器，電流也不是實際上的電流，它們只是為了方便內部邏輯的建立。

我處泵站控制系統(tǒng)設計的PLC控制程序用梯形圖實現(xiàn)，主要包括液位檢測、水泵控制、閘門控制三個部分。

程序中FC105模塊的功能是將模擬輸入規(guī)格化成工程量，模塊的輸入數據為傳感器所測量的模擬量，表示蓄水池的高度，這個模擬量不利于我們人眼直接觀察，因此將其轉化為工程量可以方便我們獲取蓄水池的實時高度。獲取蓄水池實時高度如圖3所示。

如程序所示，DB1.DBD8存儲單元中存儲值為當前蓄水池液位高度，DB1.DBD12存儲單元中存儲值為高液位時液位高度，再通過一個大于或等于比較器，當當前液位高度超過或等于高液位高度時，M96.0寄存器置高位，高液位報警。同理，DB1.DBD16存儲單元中存儲值為低液位時液位高度，通過一個小于或等于比較器，當當前液位高度低于或等于低液位高度時，M96.1寄存器置高位，低液位報警。當然還有閘門正反向啟動程序、水泵狀態(tài)監(jiān)測程序、順序啟動水泵程序等等，不一一累述。

4結束語

本文通過對常德市污水泵站的現(xiàn)狀分析，結合目前先進的PLC控制技術，提出了一種自動泵站管理系統(tǒng)。首先傳感器將集水池水位信息輸入到PLC，然后PLC根據水位自動決定啟動水泵的臺數，另外為了保證水泵的使用壽命，PLC會記錄各個水泵的運行時間并決定啟動哪臺水泵，最終達到所有水泵的使用時間大體一致。在格柵機的控制方面，我們在格柵機兩側安裝液位差計，PLC會分析兩側的液位差，若液位差越高則說明水中雜質越多，在PLC的控制下格柵機啟動。若液位差低則說明水中雜質較少，在PLC的控制下格柵機關閉。為了保證水泵運行安全，我們同樣對進出口閘門進行了聯(lián)動控制，PLC根據水位傳感器的數據與設定值進行對比來控制閘門開關，進而隔離進出水流量，防止集水池或集水井水位越限。最后我們使用上位機組態(tài)軟件實時監(jiān)控整個泵站的運行狀態(tài)，并通過組態(tài)監(jiān)控畫面能夠實現(xiàn)對閘門，泵組及格柵機的控制，并能夠實時顯示相關的電壓、電流、水位等信息并記錄，對于異常的設備故障報警等。當然，自動控制少不了通訊的支持，我采用的是聯(lián)通公司的VPN技術實現(xiàn)中心控制室和下轄多個泵站的局域虛擬專網，中心控制室不能連接到外網，以保證數據安全。

參考文獻

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