SIEMENS SIMATIC S7-300 PLC 在排水泵站
自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
排水泵站（下簡(jiǎn)稱泵站）作為市政建設(shè)和管理工程的主要設(shè)施，擔(dān)負(fù)著城市排水防澇的重要任務(wù)。從目前國(guó)內(nèi)大部分的泵站控制和管理來(lái)看還是處于相當(dāng) 落后的狀況，與國(guó)外相比具有很大的差異。 在電氣控制上，自動(dòng)化監(jiān)控程度低，大部分的泵站僅有單級(jí)的常規(guī)控制。在管理水平上，大部分泵站的管理記錄和統(tǒng)計(jì)都是手工操作。泵站控制和管理沒(méi)有形成區(qū)域化的網(wǎng)絡(luò)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)市政建設(shè)和管理提出了更高的要求。所以必需對(duì)現(xiàn)有泵站控制和管理進(jìn)行改造和完善。向國(guó)外無(wú)人化泵站監(jiān)控管理發(fā)展，以達(dá)到減員增效和提高管理水平的目的。該項(xiàng)目是以上海市浦東新區(qū)塘橋泵站為實(shí)施對(duì)象，進(jìn)行整個(gè)泵站的自動(dòng)化監(jiān)控和管理的改造。
2.泵站工況概述
塘橋泵站位于上海市浦東新區(qū)塘橋路黃浦江邊，該泵站主要用于附近地區(qū)的污水排放處理和防汛抗?jié)?。服?wù)面積240公頃，總排水量為13.8米3/秒。
2.1設(shè)備分布
同大部分的泵站一樣，其設(shè)備分布平面圖如下（圖1）所示。
①進(jìn)出水閘門(mén)：用來(lái)防止黃浦江江水倒灌和泵站維修。
②集水池：地下管道的污水匯集在此集水池，集水池被不銹鋼格柵分成內(nèi)外區(qū)，污水由內(nèi)區(qū)流經(jīng)格柵除污后，到外區(qū)排入黃浦江中。集水池內(nèi)外區(qū)邊安裝有超聲波液位儀用來(lái)檢測(cè)內(nèi)外區(qū)水位和水位差。
③除污機(jī)：泵站裝有鋼絲繩牽引式格柵除污機(jī)2臺(tái)，除污機(jī)用于把附于格柵上的垃圾和污物從集水池中提出來(lái)處理。
④變壓器房：為保證泵站的可靠工作，泵站建有兩座800KVA電力變壓器。電力變壓器安裝有溫度監(jiān)控器監(jiān)測(cè)三相溫度，當(dāng)溫度超限能自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)降溫和報(bào)警。
⑤水泵房：塘橋泵站安裝了六臺(tái)180 kW的軸流水泵；在存水房裝有水位檢測(cè)器。
⑥控制柜房：房?jī)?nèi)裝有進(jìn)線柜2臺(tái)（柜1，13）；功率因素補(bǔ)償柜4臺(tái)（柜2，3，11，12）；泵開(kāi)關(guān)柜（柜4-6，8-10）和聯(lián)接柜1臺(tái)（柜7）。
黃浦江邊
出水閘門(mén)
水泵房
存水房 泵1 泵2 泵3 泵4 泵5 泵6
控制柜房
柜1 。 。 。 。 。 。 柜13
高配間
除污機(jī) 除污機(jī)
控制室
變壓器房 集水池 液位計(jì) 變壓器房
進(jìn)水閘門(mén)
地下污水管道
圖1
2.2控制要求
以塘橋泵站為設(shè)施對(duì)象，進(jìn)行整個(gè)泵站的自動(dòng)化監(jiān)控和管理的改造。
①改造泵站的水泵控制開(kāi)關(guān)柜，使之具有就地和遠(yuǎn)程控制的功能。
②改造泵站的功率因素補(bǔ)償柜，能實(shí)現(xiàn)就地自動(dòng)補(bǔ)償和遠(yuǎn)程電網(wǎng)監(jiān)控。
③改造泵站的變壓器房對(duì)于變壓器A，B，C三相溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示，高溫報(bào)警等功能；
④建立泵站的控制室，對(duì)泵站實(shí)施三級(jí)控制，在控制室內(nèi)設(shè)置自動(dòng)化監(jiān)控操作臺(tái)和信號(hào)處理柜。
⑤采用SIEMENS的S7-300系列PLC，對(duì)整個(gè)泵站實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)控 ，水泵將根據(jù)泵的狀態(tài) ，水位，雨量，電網(wǎng)狀況，閘門(mén)位置等工況自動(dòng)投切。
⑥通過(guò)對(duì)水位差的檢測(cè)，提示或自動(dòng)投切除污機(jī)。
⑦采用高性能的10英寸真彩LCD觸摸式顯示屏，對(duì)整個(gè)泵站進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控管理，故障報(bào)警，工況記錄和報(bào)表打印。
⑧預(yù)留通信接口，可通過(guò)電話線路或DDN網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳送。
3.硬件系統(tǒng)構(gòu)成
根據(jù)以上要求，我們開(kāi)發(fā)研制了下述這套塘橋泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。 主要 的配置如下。
3．1 PLC配置
泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的PLC采用SIEMENS的S7-300系列。根據(jù)系統(tǒng)要求 ，PLC總體配置如下：
① 中央處理模塊（CPU）：選用CPU314，內(nèi)存RAM擴(kuò)展到64K。
② 數(shù)字量輸入模塊（DI）：選用SM321,共8塊（16點(diǎn)/塊）。處理128點(diǎn)輸入信號(hào)。
③ 數(shù)字量輸出模塊（DO）：選用SM322,4塊為16點(diǎn)/塊，4塊為8點(diǎn)/塊。處理96點(diǎn)輸出信號(hào)。
④ 模擬量輸入模塊（AI）：選用SM331,共3塊（8點(diǎn)/塊）。處理24點(diǎn)輸入信號(hào)。
⑤ 通信模塊：選用CP340,共2塊，1塊為RS232接口，1塊為RS485接口。
PLC采用了四個(gè)框架，在RTU信號(hào)柜內(nèi)有三個(gè)，其中一個(gè)為備用擴(kuò)展框架；另一個(gè)在操作臺(tái)內(nèi)，通過(guò)IM361擴(kuò)展連接，這樣簡(jiǎn)化了接線，大大地提高可靠性。
3．2觸摸屏配置
觸摸屏采用了日本DIGTAL公司的570 HMI（當(dāng)時(shí)SIEMENS還沒(méi)有此類HMI）來(lái) 實(shí) 現(xiàn)上述要求。HMI是以RS232接口與PLC的CP340連接，采用SIEMENS的3964R的協(xié)議完 成 通信。
3．3電網(wǎng)監(jiān)控配置
電網(wǎng)監(jiān)控采用法國(guó)SOCOMEC公司的DIRIS M型的電量監(jiān)控器，可檢測(cè)三相四線制 的相電壓，線電壓，相電流，零線電流，有功無(wú)功功率，功率因素，頻率及相應(yīng)的*大值。監(jiān)控器以RS485接口采用MODBUS協(xié)議與PLC的CP340連接，傳送電網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。因?yàn)楸谜臼遣捎?nbsp;雙路電網(wǎng)進(jìn)線，故應(yīng)用了兩套電量監(jiān)控器，分別安裝兩側(cè)進(jìn)線柜上。
其他的裝置的信號(hào)都是通過(guò)數(shù)字量或模擬量點(diǎn)出點(diǎn)入與PLC連接。
遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)
控制室
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備
圖2
4．軟件監(jiān)控實(shí)現(xiàn)
塘橋泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要有兩部分：PLC監(jiān)控軟件和觸摸屏圖控軟件。 PLC監(jiān)控 軟件由幾大模塊組成。
4．1系統(tǒng)檢測(cè)和故障處理模塊
系統(tǒng)檢測(cè)處理所有的輸入信號(hào)，根據(jù)具體情況將作出不同響應(yīng)。處理的信號(hào)有：六臺(tái)泵電機(jī)的溫度和振動(dòng)；進(jìn)出水閘門(mén)狀態(tài)；存水房液位；防火防盜**；兩臺(tái)電源變壓器溫度；雨量；四臺(tái)功率因素補(bǔ)償柜工況；電網(wǎng)工況（電壓欠壓和過(guò)壓監(jiān)控；三相電流過(guò)載監(jiān)控；缺相監(jiān)控；三相不平衡監(jiān)控；功率過(guò)載監(jiān)控；功率因素監(jiān)控；電量累計(jì)）；污水池水位等。
系統(tǒng)故障分類為三級(jí):**故障定義為***。當(dāng)發(fā)生此類故障，將禁止所有控制輸出。聲光報(bào)警，記錄打印，在顯示屏上顯示故障類型和解決方法。只有在排除故障，按人工復(fù)位鍵后系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。二級(jí)故障定義為次級(jí)。當(dāng)發(fā)生此類故障時(shí)將禁止故障點(diǎn)的控制輸出，系統(tǒng)作自動(dòng)調(diào)正繼續(xù)當(dāng)前操作。故障報(bào)警和恢復(fù)同**故障。三級(jí)故障定義位*低級(jí)。當(dāng)發(fā)生此類故障時(shí)，僅聲光預(yù)警，不中斷當(dāng)前操作。根據(jù)系統(tǒng)中產(chǎn)生的各種故障實(shí)施相關(guān)的故障聲光報(bào)警和記錄。此刻觸摸式顯示屏進(jìn)入故障報(bào)警畫(huà)面，顯示故障內(nèi)容，性質(zhì)，地點(diǎn)，時(shí)刻和解決方案，并打印。
4．2除污機(jī)和排水泵的運(yùn)行處理
泵站有兩臺(tái)除污機(jī),系統(tǒng)對(duì)除污機(jī)的工況進(jìn)行監(jiān)控。故障信號(hào)置位，置二級(jí)故障報(bào)警，由<系統(tǒng)故障處理>模塊處理。根據(jù)信號(hào)狀態(tài)點(diǎn)亮或熄滅有關(guān)指示燈。機(jī)同時(shí)在觸摸式顯示屏上顯示。當(dāng)除污機(jī)柜上的選擇開(kāi)關(guān)選擇遠(yuǎn)控，操作臺(tái)在泵自動(dòng)運(yùn)行前，先進(jìn)行排污操作。采用水位差檢測(cè)，則根據(jù)水位差標(biāo)志實(shí)施自動(dòng)排污。在自動(dòng)排污時(shí)，先在現(xiàn)場(chǎng)聲光預(yù)警，再運(yùn)行裝置。
泵啟動(dòng)柜有六臺(tái)與操作臺(tái)相聯(lián)進(jìn)行控制。
①當(dāng)故障信號(hào)置位，置二級(jí)故障報(bào)警，由<系統(tǒng)故障處理>模塊處理。
②根據(jù)信號(hào)狀態(tài)點(diǎn)亮或熄滅有關(guān)指示燈。
③當(dāng)泵開(kāi)關(guān)柜上的選擇開(kāi)關(guān)選擇遠(yuǎn)控，在操作臺(tái)上可實(shí)施四種泵運(yùn)行方式：手動(dòng)方式；自動(dòng)方式；預(yù)抽空方式；檢修方式。
④在操作臺(tái)上對(duì)每臺(tái)泵設(shè)置有各自的狀態(tài)指示燈；手動(dòng)操作按紐和選擇開(kāi)關(guān)。
⑤單臺(tái)泵的選擇開(kāi)關(guān)有四檔：停止；檢修；手動(dòng)和自動(dòng)。當(dāng)設(shè)置手動(dòng)檔時(shí)可實(shí)施手動(dòng)或預(yù)抽空操作。在自動(dòng)檔時(shí)則允許該泵進(jìn)入系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行組態(tài)。
⑥在系統(tǒng)操作上設(shè)置有三檔的選擇開(kāi)關(guān)：停止；自動(dòng)和預(yù)抽空。<停止>禁止所有泵的運(yùn)行；<自動(dòng)>允許單臺(tái)泵選擇開(kāi)關(guān)設(shè)置在自動(dòng)檔的泵進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行組態(tài)。<預(yù)抽空>允許單臺(tái)泵選擇開(kāi)關(guān)設(shè)置在手動(dòng)檔的泵預(yù)抽空運(yùn)行。
⑦泵的啟動(dòng)和停止要延時(shí)依次投入和退出。
⑧泵的基本聯(lián)鎖條件：A.**故障，電源故障禁止所有泵運(yùn)行；B.泵電機(jī)故障，泵啟動(dòng)柜故障禁止對(duì)應(yīng)泵運(yùn)行；C.泵的不同運(yùn)行要附合上述泵啟動(dòng)柜，操作臺(tái)之間的正確設(shè)置；D.水位聯(lián)鎖。
⑨當(dāng)滿足上述不同聯(lián)鎖條件，泵可進(jìn)入手動(dòng)，檢修,預(yù)抽空或自動(dòng)運(yùn)行。
⑩在泵自動(dòng)運(yùn)行時(shí),要根據(jù)水位點(diǎn)和水位區(qū)來(lái)確定需運(yùn)行的泵數(shù)；判斷能投入自動(dòng)組態(tài)的泵是否滿足上述要求，如不滿足，則故障報(bào)警；如可組態(tài)的泵多于所需投入運(yùn)行的泵，則依據(jù)這些泵運(yùn)行時(shí)間累計(jì)數(shù)小的泵投入運(yùn)行。隨著水位降低，逐步退出當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間*長(zhǎng)的泵。
4．3數(shù)據(jù)處理和人機(jī)界面處理
①數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：泵啟動(dòng)柜交流接觸器動(dòng)作計(jì)數(shù)；泵運(yùn)行時(shí)間累計(jì)；泵站排水量累計(jì)；降雨量累計(jì)；用電量累計(jì)。
②數(shù)據(jù)設(shè)置：水位值，水位差值和流量值設(shè)置；變壓器的溫度和瓦斯值設(shè)置；雨量值設(shè)置；泵電機(jī)的溫度和震動(dòng)值設(shè)置；電力參數(shù)設(shè)置；防盜有效與否設(shè)置。
③與觸摸式顯示屏的數(shù)據(jù)通信：觸摸式顯示屏采用工業(yè)級(jí)人機(jī)介面。主要完成下列任務(wù)：泵站運(yùn)行監(jiān)控；故障報(bào)警,記錄和排除提示；參數(shù)設(shè)置；模擬鍵盤(pán)操作；數(shù)據(jù)記錄處理；工藝曲線顯示；工況模擬顯示；泵站概貌顯示。
④打印機(jī)打印處理：故障隨機(jī)打??；運(yùn)行狀態(tài)打?。粎?shù)設(shè)置打?。还ぷ鲌?bào)表打??；動(dòng)態(tài)曲線打??；設(shè)備狀態(tài)打?。粩?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)打?。伙@示屏幕打印。
5．結(jié)語(yǔ)
塘橋泵站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)自1998年改造至今已近兩年，正常運(yùn)行證明：整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理 先進(jìn)；操作簡(jiǎn)便；可靠性高；完全符合用戶預(yù)期的要求，將推廣應(yīng)用至其他地區(qū)。
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