PLC在江滨泵站中的应用

分类：技术教程日期：2009-06-03 17:09:29 来源：黄巧亮，庞科旺，陈玉亮

摘要：可编程序控制器以其独有的特点，在工业控制自动化领域得到了广泛的应用，它既可检测和处理现场数据，还可实现对现场自动化设备的控制。本文介绍了A-B公司SLC 5/05系列PLC，及其在江滨泵站自动控制系统中的应用;介绍了PLC的硬件软件设计及上位监控软件所实现的功能。实际运行表明：设计符合控制要求，系统运行可靠性高、效率高。

关键词：PLC，硬件设计，软件设计，组态软件

　　江滨泵站是镇江市污水截流工程中的核心泵站，该泵站附近地区的污水和其它泵站的污水汇集到江滨泵站后，经排污泵加压提升再输送到污水处理厂。江滨泵站运行可靠性的高低直接关系到镇江市污水处理厂的安全可靠运行，本文应用A-B（Allen-Bradley）公司的SLC500系列PLC（Programmable Logic Controller，可编程序逻辑控制器）实现江滨泵站的自动控制，并通过以太网接口与上位监控管理软件相结合，提高了系统的可靠性和运行效率。

1 泵站工艺流程和控制对象简介

图1 江滨泵站工艺流程简图

　　江滨泵站工艺流程简图如图1所示。图中格栅机的作用是将水中较大的固体垃圾抓取到和过滤后经皮带输送机输送到垃圾箱;桥式刮砂机定时将沉砂池中的细小固体颗粒刮至排砂泵处，排砂泵将砂水混合物输送至砂水分离器，砂水分离器将细小的固体颗粒与水分离，水进入集水池、固体颗粒进入垃圾箱;集水池部分的作用是蓄集污水，并通过潜水泵将污水输送至污水处理厂。

　　江滨泵站的控制对象主要由三个相对独立的部分组成：格栅池、沉砂池和污水集水池，此外还有两个过江管道。格栅池部分有三个水道，共有六个进/出水闸门（启闭机）、三台细格栅机、一台粗格栅机（共用）和一台皮带输送机（共用）;沉砂池部分有四个水道，分为两组，共有两台桥式刮砂机、四台排砂泵、两台砂水分离器和四个进水闸门;污水集水池部分有两个集水池，两者之间有一连通闸门（不参与自动控制，正常情况下，该连通闸门处于开启状态），每个集水池有三台污水泵，共六台（四台配置了软启动器、两台配置了变频器），十二个电动阀门（泵进出/水阀门）;此外，两个出水总管各有一个阀门，共两个阀门。

2 泵站控制系统结构简介

　　泵站控制系统由PLC、低压控制屏、MCC柜及外围电气设备（如格栅机、阀门、泵等）组成，并通过以太网与中控室相连，系统结构简图如图2所示。

图2 控制系统结构简图

　　PLC是整个系统自动控制的中枢，它负责对泵站设备运行和工作状态的采集、与中控室监控系统通信、实现相关的控制;低压控制屏用以控制功率较小的泵、阀、格栅等设备，设备的运行状态通过低压控制屏输入PLC的开关量输入模块，相应的PLC输出开关量通过低压控制屏对相关设备进行控制;MCC柜用以控制220KW的大功率排污泵，泵的运行状态通过MCC柜输入PLC的开关量输入模块，六台泵分别配有软启动器或变频器，通过现场总线DeviceNet与PLC相连，PLC通过现场总线模块可读取变频器、软启动器的运行状况及实现变频调速和软启动器参数远程设置;集水池水位、出水流量、出水管道压力、PH值、温度等信号由现场传感器直接接入PLC的模拟量输入模块。

3 PLC硬件设计

　　SLC500系列PLC具有大型PLC的功能，小型PLC的价格和不断扩充的控制能力和通信能力，可随时满足工业控制中的各种要求。由罗克韦尔自动化公司所属的A-B公司生产，包括模块化处理器、输入输出模块、特殊功能（专用）模块、电源、框架等。产品目录号为1746和1747系列，采用框架式结构，为在不同的工业现场使用提供了稳定的可靠平台。其中SLC 5/05系列PLC是SLC500 系列PLC中支持以太网通信的PLC。

　　3.1 处理器的选择

　　根据镇江市污水收集自动控制系统需通过以太网实现城域网的构建，首先确定处理器为支持以太网通信的SLC 5/05系列，再根据I/O点数等估算存储容量并选型。本设计中选用的是有以太网接口、支持块传输指令的16K存储容量的1747-L551B处理器模块。

　　3.2 输入/输出模块的选择

　　根据江滨泵站的控制对象、检测参数及控制要求，统计PLC的I/O点数。根据统计的I/O点数，考虑价格、备用模块通用性及留有10%～15%的裕量，本设计中选用了2个四通道模拟量输入模块1746-NI8，20个16点直流24V开关量输入模块1746-IB16和6个交流240V继电器输出模块1746-OW16。

　　3.3 框架和电源的选择

　　1）框架选择由上述所选择的输入/输出模块选用3个10槽的框架，框架间通过框架扩展电缆1746-C9实现互连。

　　2）电源选择根据文献[2][4]中的方法计算并选择电源模块，在编程环境中进行I/O组态（IO Configuration）时，可利用 Power Suplly校验电源是否满足要求。本系统中所用电源为1746-P4。

　　3.4 现场总线模块选择

　　江滨泵站的六台潜水泵的功率均为220KW，为了减小启动冲击电流和减少泵的启停次数，其中四台泵配置了软启动器、两台泵配置了变频器，软启动器和变频器都支持DeviceNet现场总线通信，通过与软启动器和变频器的通信可实现相关数据的读取、修改及泵的调速，本设计中选用了DeviceNet模块1747-SDN。

4 PLC程序设计

　　4.1 控制要求

　　1）格栅池部分根据三种运行模式（白天、夜间、暴雨），细格栅机轮值（轮值时间可在上位机上设定）或全部参与运行;粗格栅机在有细格栅机运行的水道之间自动轮值（由其自身PLC根据外部井位选择输入实现）;水道切换时，新投入运行的格栅机正常运行后，原运行格栅机根据运行模式停止运行或继续运行（如：1、2转换为1、3或2、3）;细格栅机运行采用定时控制方式，定时时间可在上位机上设置，水道切换时选择设备无故障且运行时间最短的格栅机所在的水道;白天运行模式时，投运两个水道;夜间运行模式时，投运一个水道;暴雨运行模式时三个水道同时投入运行;白天、夜间运行模式根据切换时间点（可在上位机上设定）自动切换;正常（白天、夜间）运行模式和暴雨运行模式的切换在上位机遥控完成;皮带输送机与细格栅机联动，只要有一台细格栅机运行，皮带输送机就运行（由外围电气控制实现）;在格栅机故障的情况下，关闭故障格栅机对应的进水闸门，同时置位相关报警信息位。

　　2）沉砂池部分正常时两组刮砂机组同时工作，投入运行时先启动排砂泵，然后启动砂水分离器，在排砂泵运行后，再打开对应的进水闸门，然后周期（时间可上位设置）启停桥式刮砂机;若排砂泵故障，则关闭对应的进水闸门;若某刮砂机故障，则关闭对应的两个进水闸门;投入运行的排砂泵每隔1小时反复冲洗一次，即停泵10秒后再开泵10秒，反复5次，以避免排砂泵管道堵塞;当集水池水位连续2小时低于2.6米时，未使用水道排砂泵暂停运行，直至水道恢复工作或水位再次高于2.6米。

　　3）污水集水池部分污水泵的进水阀在自身、对应泵和对应出水阀无故障的情况下，长期处于开启状态，不参与自动控制，但可在上位机上根据需要进行远程遥控;在两过江管道阀门有一个全开的情况下，根据水位和可参与自动运行的泵的台数，确定污水泵的运行台数;正常情况下，第一台启动变频泵，然后根据水位的上升情况递加软起泵，两台变频泵之间轮值，四台软启动泵之间轮值;在变频泵工作水位段，变频泵一直工作，在需增加水泵时，先启动水泵再降低变频泵转速，减泵时，先停泵再提高变频泵转速;加泵时，启动无故障、未运行泵中运行累计时间最短的泵;减泵时，停运运行泵中累计运行时间最长的泵;某台泵启停2分钟内，其它泵不可启动（远程遥控无时间限制）;某台泵自停止运行起，10分钟内不可再启动（远程遥控无时间限制）;启动时，先启动泵，10秒后再开启对应出水阀，停止时，先关阀门，阀门关闭后再停泵;加泵时发出开泵信号后，如在20秒内没有检测到其运行信号则切换到另外一台泵;泵启动后开启相应的出水阀门，开启阀门信号发出后，如1分半钟内没有检测到阀门未全关信号则要关闭该阀门，并停止对应的水泵;减泵时，关闭阀门信号发出1分半钟后，若无阀门未全关信号则要强行停止对应的水泵并报警。

　　以上设备中除泵的出水阀外，其它设备均可上位设为远程遥控模式，进行遥控。

　　4.2 程序设计

　　从前面的控制要求可知，江滨泵站的控制系统比较复杂，不仅PLC的输入/输出点数较多、控制逻辑复杂，而且有现场手动（相对独立，PLC不参与）、本地自动和远程遥控等工作方式。针对这种复杂情况，在程序设计时，首先确定程序的总体结构，根据三个相对独立的组成部分及通讯要求，将PLC程序按工作方式和功能分为：主程序、格栅池部分子程序、沉砂池部分子程序、集水池部分子程序及通讯子程序。

　　主程序内容主要包括：PLC自身的检测和故障诊断（即“自诊断”），以及初始化程序。初始始程序主要作用是一方面为启动作必要的准备，另一方面避免系统发生误动作。

　　三个相对的独立组成部分的子程序内容主要包括：控制程序，检测、故障诊断程序，保护、连锁程序等。控制程序的作用是实现各个组成部分的控制要求，检测、故障诊断程序的作用是实时检测相关数据，为控制提供相关依据，并根据输入的故障信号，确定故障点置位对应的报警位或故障处理建议位;保护、连锁程序与控制程序相结合，以杜绝由于非法操作而引起的控制逻辑混乱，以保证系统运行安全、可靠。

　　通讯子程序主要作用是实现PLC基于现场总线DeviceNet与软启动器、变频器间的通信，PLC基于以太网与其它泵站PLC间及与上位机间的信息交换。

5 上位监控程序功能

　　本设计中应用组态软件Intouch 9.0进行上位监控程序设计，所设计的监控程序在上位机上通过以太网交换机与泵站相联，主要实现以下功能：

　　1）显示镇江市污水管道的管网图、各泵站在镇江市地理上的分布情况、各泵站的工艺流程、设备的运行情况、各泵站现场仪表的实时检测值（如流量、液位、压力、PH值等）、测量点（如流量、压力、液位等）的实时趋势曲线及历史曲线、各泵站的电力系统状态图等。

　　2）实时显示报警信息，并将报警记录实时存入数据库，可随时查阅和打印。

　　3）可在监控画面上通过简单操作实现远程控制和有关参数的设定。

　　4）自动生成主要设备的日/月运行报表、设备故障报表、巡更记录报表等，并可打印。

　　5）可对视频信号（摄像）统一管理及在工业控制计算机上进行显示。

6 结论

　　本文的创新点：将智能变频器和DeviceNet现场总线应用到污水泵的控制中，有效地减少了泵的启停次数，通过DeviceNet直接读取变频器、软启动器中的电流、电压、故障信息等相关数据，简化了设计，并通过现场总线实现了变频泵的无级调速。

　　实际运行表明，江滨泵站PLC系统控制程序与应用Intouch编写的上位监控界面相结合，实现了PLC本地自动控制、上位远程遥控、远程设置参数等要求，完全满足设计要求，达到了预期的目标。

参考文献：