PLC在水利排灌站智能化管理中的應(yīng)用

1 引言
排灌站的主要功能是將城外河道的水源引入城內(nèi)，為水利部門提供排灌，同時(shí)也擔(dān)當(dāng)著抗洪排澇的重任。某排灌站工程的河面寬度約35m，河道漂流的雜物如果吸入正在運(yùn)行的水泵，輕者使其葉輪卡死;重者使其葉輪斷裂，導(dǎo)致電機(jī)燒壞事故的發(fā)生，所以對(duì)排灌站水泵的安全運(yùn)行帶來(lái)了種種隱患。為了確保水道的暢通、防洪防汛以及水環(huán)境治理，必須采用格柵(帶有橫豎條的篩子)攔截污物，但是，當(dāng)污物在格柵前堆積到一定數(shù)量后，格柵前后的水位差就會(huì)迅速加大，導(dǎo)致水泵抽水困難、功耗增大，同時(shí)格柵后的水位快速降低，這時(shí)水泵容易抽進(jìn)空氣而使葉輪等部件產(chǎn)生氣蝕，縮短水泵的使用壽命，所以應(yīng)及時(shí)清除柵前污物。工程采用的回轉(zhuǎn)式撈污機(jī)，可以均勻連續(xù)地從河道里撈取污物，以便于后道工序的處理。排灌站的設(shè)備分布如圖1所示。

圖1 泵站設(shè)備分布示意圖
對(duì)排灌站的8個(gè)并列格柵和4臺(tái)水泵進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全工作過(guò)程(抽水、清污、輸送、擠壓)的自動(dòng)化控制，出現(xiàn)故障及時(shí)報(bào)警停機(jī)并自我診斷，確保其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這是設(shè)計(jì)自控系統(tǒng)的思路和初衷。撈污、擠壓設(shè)備及自行設(shè)計(jì)的整套自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)安裝于江蘇省南京市的一個(gè)水利排灌站，同時(shí)也適用于其它市政部門的泵站應(yīng)用。
排灌設(shè)備主要由4臺(tái)水泵、8臺(tái)撈污機(jī)、2臺(tái)輸送機(jī)(水平和傾斜輸送各1臺(tái))、1臺(tái)污物擠壓機(jī)和自控系統(tǒng)組成，濕落落的污物經(jīng)設(shè)備處理后，變成干的塊狀垃圾，既可減少該站的污物存放場(chǎng)地(在城市尤為重要)，又能增加車輛裝載量，減少運(yùn)輸次數(shù)和節(jié)約運(yùn)輸成本;同時(shí)可避免運(yùn)輸途中的拋撒、滴漏所造成的二次污染，有利于環(huán)境保護(hù)。

2 控制原理設(shè)計(jì)
該工程自控系統(tǒng)分手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)間歇和全自動(dòng)水位差等四種方式，操作人員可根據(jù)需要任選一種，四種控制方式實(shí)現(xiàn)互鎖。
2.1 水泵
在自動(dòng)狀態(tài)下，水泵的開(kāi)停由水位高度決定，當(dāng)超聲波傳感器測(cè)得的模擬量相當(dāng)于6m水位時(shí)，水泵電機(jī)按順序啟動(dòng)，開(kāi)始抽水;當(dāng)模擬量相當(dāng)于4.5m水位時(shí)，水泵全部停止抽水。自控系統(tǒng)根據(jù)水量的大小做出判斷，自動(dòng)選擇開(kāi)啟水泵的數(shù)量。
(1) 水泵1工作30min后還未達(dá)到模擬量相對(duì)應(yīng)的低水位(說(shuō)明水量較大)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟水泵2。
(2) 水泵1、2同時(shí)工作30min后還未達(dá)到低水位(說(shuō)明水量很大)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟水泵3。
(3) 水泵1、2、3同時(shí)工作30min后還未達(dá)到低水位(說(shuō)明水量特大)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟水泵4。
(4) 水泵1工作30min后還超過(guò)高水位(說(shuō)明水量特大)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟水泵2、3、4。
(5) 水泵過(guò)載時(shí)，熱繼電器將切斷主電路，整套設(shè)備停止工作，同時(shí)做出水泵電流過(guò)載的聲、光報(bào)警。
2.2 撈污機(jī)
(1) 格柵前后兩個(gè)超聲波測(cè)得的模擬量相對(duì)應(yīng)的水位之差大于等于300mm時(shí)(水泵在開(kāi)啟狀態(tài)，否則就沒(méi)有水位差)，自控系統(tǒng)通過(guò)模擬量比較，按順序啟動(dòng)撈污電機(jī)開(kāi)始回轉(zhuǎn)撈取污物。
(2) 格柵前后水位差小于等于50mm時(shí)，撈污機(jī)全部停止工作。
(3) 撈污機(jī)采用雙重安全保護(hù)，撈污機(jī)過(guò)載時(shí)，熱繼電器或磁性開(kāi)關(guān)動(dòng)作，切斷主電路，整套設(shè)備停止工作，并做出撈污機(jī)電流或機(jī)械過(guò)載的聲、光報(bào)警。
2.3 輸送機(jī)
(1) 撈污機(jī)啟動(dòng)數(shù)秒鐘后，自控系統(tǒng)啟動(dòng)輸送電機(jī)，水平然后再向上傾斜輸送污物。
(2) 輸送機(jī)過(guò)載時(shí)，熱繼電器將切斷主電路，設(shè)備停止工作，同時(shí)做出輸送機(jī)電流過(guò)載的聲、光報(bào)警。
2.4 擠壓機(jī)
(1) 大推頭動(dòng)作
箱內(nèi)污物達(dá)到預(yù)定高度(可調(diào)，調(diào)節(jié)光電傳感器的垂直角度)，2個(gè)光電傳感器同時(shí)反饋信號(hào)，大推頭進(jìn)(水平初壓)。
(2) 主壓頭動(dòng)作
大推頭進(jìn)限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，主壓頭下(垂直高壓)，下壓8s鐘后，延時(shí)15s鐘進(jìn)行第一次擠壓污水;主壓頭繼續(xù)下(垂直高壓)，下限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，主壓頭停留15s鐘進(jìn)行第二次擠壓污水。
(3) 二循環(huán)或三循環(huán)動(dòng)作
如果污物擠壓得較松散，可選用“二循環(huán)”或“三循環(huán)”，擠壓機(jī)對(duì)污物高壓后，主壓頭和大推頭復(fù)位，再把第二批或第三批污物與第一批一起擠壓。
(4) 小門動(dòng)作
保壓15s鐘后，小門開(kāi)(放料)，同時(shí)主壓頭上。
(5) 推頭動(dòng)作
小門開(kāi)限位和主壓頭上限位開(kāi)關(guān)同時(shí)動(dòng)作，小推頭進(jìn)將污物推至污物車。
(6) 復(fù)位動(dòng)作
小推頭進(jìn)限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，數(shù)秒鐘后，小推頭、主壓頭、小門、大推頭按順序復(fù)位。
(7) 擠壓機(jī)過(guò)載時(shí)，壓力繼電器或熱繼電器動(dòng)作，切斷主電路，并做出擠壓機(jī)油壓或電流過(guò)載的聲、光報(bào)警。
(8) 液壓站采用雙重油壓安全保護(hù)，當(dāng)污物初壓或高壓過(guò)程中遇到硬物卡住，壓力繼電器動(dòng)作，切斷主電路，并做出擠壓機(jī)油壓過(guò)載的聲、光報(bào)警;若其失靈，則溢流閥動(dòng)作，避免液壓部件受損。

2.5 基本控制流程
(1) 設(shè)備動(dòng)作示意如圖2所示。設(shè)備動(dòng)作及信號(hào)反饋流程見(jiàn)圖3和附表。

圖2 設(shè)備動(dòng)作示意圖

圖3 設(shè)備動(dòng)作及信號(hào)反饋流程

附表 排灌站設(shè)備動(dòng)作及信號(hào)反饋表

3 控制對(duì)象及任務(wù)分析
3.1 控制對(duì)象
采用西門子S7-200PLC主要控制水泵的4臺(tái)電機(jī)、撈污機(jī)的8臺(tái)電機(jī)、輸送機(jī)的2臺(tái)電機(jī)的開(kāi)停和液壓站的4個(gè)油缸的雙向動(dòng)作。
其中包括:
(1) 控制手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)間歇和全自動(dòng)水位差等四種運(yùn)行方式。
(2) 控制14臺(tái)電機(jī)分別完成抽水、撈取污物、輸送污物等動(dòng)作。
(3) 控制液壓站電機(jī)完成復(fù)位、水平初壓、垂直高壓、放料、出料等動(dòng)作。
(4) 控制設(shè)備的運(yùn)行技術(shù)安全。即控制各運(yùn)行方式的互鎖保護(hù);控制垂直方向與水平方向動(dòng)作的互鎖保護(hù);控制水泵、撈污機(jī)、輸送機(jī)和油泵的電流過(guò)載保護(hù);控制撈污機(jī)的機(jī)械過(guò)載保護(hù);控制液壓站的油壓過(guò)載保護(hù)。
3.2 控制任務(wù)
(1) 現(xiàn)手動(dòng)方式控制，即手動(dòng)獨(dú)立完成上述9個(gè)基本動(dòng)作。
(2) 實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)方式控制，即自動(dòng)完成上述基本動(dòng)作1至動(dòng)作9。
(3) 實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)間歇和全自動(dòng)水位差方式控制，在間歇工作開(kāi)或水位差≤50mm的狀態(tài)下，即自動(dòng)進(jìn)行上述基本動(dòng)作5至動(dòng)作9的循環(huán)。

4 硬件選型與配置設(shè)計(jì)
4.1 主控系統(tǒng)選型與配置
系統(tǒng)采用了西門子S7-200可編程控制器，使自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，執(zhí)行指令快捷，可靠性提高。編程軟件基于Windows平臺(tái)。PLC在清污設(shè)備中的應(yīng)用，使修改控制參數(shù)、擴(kuò)展控制功能等變得非常簡(jiǎn)便，避免了分立電氣元件抗震性能差、誤動(dòng)作多、定位精度不高等弊端。設(shè)計(jì)中該系統(tǒng)的控制點(diǎn)數(shù)為116點(diǎn)，其中輸入點(diǎn)數(shù)66點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)50點(diǎn)，擬選用的PLC的控制點(diǎn)數(shù)為120點(diǎn)。實(shí)際選用的主要控制硬件有:PLC選用西門子的中央處理單元CPU224一塊(14入10出)、數(shù)字量擴(kuò)展模塊EM223二塊(16入16出)、EM223一塊(8入8出)、EM221二塊(8入)，總輸入點(diǎn)數(shù)70點(diǎn)，總輸出點(diǎn)數(shù)50點(diǎn)，實(shí)際使用為66入50出，一般需要預(yù)留出5至10%的點(diǎn)數(shù)，考慮到成本問(wèn)題，所有的按鈕輸入都采用點(diǎn)動(dòng)方式，省去了不必要的輸入點(diǎn)數(shù)，預(yù)留輸入點(diǎn)數(shù)為5%，所以能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
4.2 前端傳感變送器選型
(1) 控制水位和水位差的反饋元件選用德國(guó)TU- RCK超聲波傳感器(型號(hào)Q45ULIU64BCR)。
(2) 控制大推頭、主壓頭、小門、小推頭兩端限位的元件選用行程開(kāi)關(guān)。
(3) 控制撈污機(jī)安全銷過(guò)載的信號(hào)反饋元件選用霍爾式傳感器。
(3) 控制水泵、撈污機(jī)、輸送機(jī)、液壓站電機(jī)電流的元件選用熱繼電器。

5 控制程序設(shè)計(jì)
5.1 固定時(shí)序工作方式
全自動(dòng)間歇方式即設(shè)備工作X小時(shí)，停機(jī)Y小時(shí)(簡(jiǎn)化為X/Y)，共有4檔可調(diào)(2h/1h;1h/1h ;1h/2h;2h/2h)，如果遇到停機(jī)時(shí)間，正在進(jìn)行的程序保持至結(jié)束，然后設(shè)備停機(jī)待命(與水泵的自動(dòng)開(kāi)停無(wú)關(guān))。
5.2 水位差工作方式
全自動(dòng)水位差方式即當(dāng)格柵前后兩個(gè)超聲波傳感器測(cè)得的水位之差大于等于300mm時(shí)(水泵在開(kāi)啟狀態(tài)，否則就沒(méi)有水位差)，自控系統(tǒng)從撈取污物開(kāi)始，至出料結(jié)束，然后等待下一個(gè)污物箱裝滿信號(hào);當(dāng)水位差小于等于30mm時(shí)，抽水、撈污、輸送停止，而正在進(jìn)行的程序?qū)⒈３种两Y(jié)束，然后等待下一個(gè)水位差信號(hào)(與水泵的自動(dòng)開(kāi)停無(wú)關(guān))。
排灌站設(shè)備控制程序框圖見(jiàn)圖4。

圖4 排灌站設(shè)備控制程序框圖

6 主要特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)
6.1 主要特點(diǎn)　
(1) 水位控制　
安裝在格柵前的傳感器控制高水位，安裝在格柵后的控制低水位，傳感器的測(cè)量范圍為250至3000mm，實(shí)際監(jiān)控距離為1000mm(對(duì)應(yīng)水位6000mm)至2500mm(對(duì)應(yīng)水位4500mm)，當(dāng)高于等于高水位時(shí)PLC自動(dòng)開(kāi)啟水泵;當(dāng)?shù)陀诘扔诘退粫r(shí)PLC自動(dòng)停止抽水。
(2) 水位差控制　
調(diào)節(jié)格柵前后2個(gè)傳感器反饋的模擬信號(hào)差值，當(dāng)對(duì)應(yīng)水位差大于等于300mm時(shí)，PLC自動(dòng)開(kāi)始撈污;當(dāng)其小于等于30mm時(shí)PLC自動(dòng)停止撈污。
(3) 污物高度控制　
2個(gè)光電傳感器屬“與”的關(guān)系，主要用于PLC判斷污物裝載量的多少，調(diào)節(jié)其垂直角度或水平距離，均可以調(diào)整污物的裝載高度。
(4) 水泵控制　
PLC根據(jù)較大、很大、特大的水量，自動(dòng)選擇開(kāi)啟水泵的數(shù)量。
(5) 撈污機(jī)控制
因?yàn)閾莆垭姍C(jī)起動(dòng)電流較大，所以由PLC對(duì)8臺(tái)撈污電機(jī)按順序延時(shí)開(kāi)啟。
(6) 報(bào)警控制
PLC對(duì)水泵、撈污機(jī)、輸送機(jī)、油泵的電流過(guò)載報(bào)警，同時(shí)對(duì)撈污機(jī)的安全銷機(jī)械過(guò)載報(bào)警，對(duì)油泵的油壓過(guò)載報(bào)警。為了用戶能迅速準(zhǔn)確地找出故障部位，PLC對(duì)各種故障分別用指示燈加以顯示，同時(shí)用鈴聲進(jìn)行提醒。
(7) 一鍵式清理　
由于殘留污物會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，同時(shí)會(huì)腐爛產(chǎn)生臭味，所以當(dāng)設(shè)備工作結(jié)束時(shí)，在不開(kāi)水泵的情況下，可按“清理”按鈕，設(shè)備自動(dòng)將撈污機(jī)、輸送機(jī)上的剩余污物全部裝入污物箱，2min后再將污物擠壓推出。
6.2 主要技術(shù)難點(diǎn)
(1) 標(biāo)定水位值　
超聲波傳感器的模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，具體對(duì)應(yīng)的水位只有在操作現(xiàn)場(chǎng)才能調(diào)試出來(lái)。首先將最大、最小模擬電信號(hào)與最高、最低水位對(duì)應(yīng)起來(lái)，理論計(jì)算出水位的單位毫米數(shù)所對(duì)應(yīng)的電信號(hào)模擬量，最后還需現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定和調(diào)整，因?yàn)閭鞲衅靼惭b角度或位置等因素的影響，實(shí)際上高、低水位對(duì)應(yīng)的模擬量數(shù)值與理論上的有一定的出入。
(2) 標(biāo)定水位差值　
2個(gè)超聲波傳感器應(yīng)選用技術(shù)參數(shù)相近的，盡量做到“匹配”，將2個(gè)傳感器的“模擬量/毫米”進(jìn)行平均，再計(jì)算出水位差300mm和30mm對(duì)應(yīng)的模擬量差值，最后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定和調(diào)整。
(3) 設(shè)計(jì)光電傳感器的安裝方案　
由于污物箱為金屬結(jié)構(gòu)，所以電容式、電感式、霍爾式等接近傳感器均不適用在此箱中測(cè)定污物量，經(jīng)過(guò)比較最終選定了光電傳感器。原設(shè)計(jì)將其放在有機(jī)玻璃后面，但經(jīng)污水污物覆蓋風(fēng)干后，或經(jīng)污物及大推頭的長(zhǎng)期磨擦后，有機(jī)玻璃透明度就會(huì)降低，導(dǎo)致光電傳感器失靈，通過(guò)多次方案論證和試驗(yàn)，最后將其安裝在大推頭上端的污物箱壁上，且有擋板覆蓋，避免了接觸污物，使用效果比較滿意。
(4) 各類傳感器的反饋信號(hào)有時(shí)會(huì)伴有脈沖信號(hào)，使設(shè)備出現(xiàn)誤動(dòng)作，采用PLC中的計(jì)時(shí)器，就很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。
(5) 在調(diào)試程序過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)各動(dòng)作有相互干涉現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在循環(huán)或復(fù)位等程序中，這樣不得不采用大量的輔助繼電器，增加了調(diào)試難度，最終采用步進(jìn)法進(jìn)行編程，調(diào)試效果令人滿意。
排灌站設(shè)備控制程序框圖如圖4所示。

7 結(jié)束語(yǔ)
清污設(shè)備在市政和水利部門具有廣泛的應(yīng)用，而PLC在排灌站智能化管理中的成功應(yīng)用，為人機(jī)對(duì)話和遠(yuǎn)距離控制奠定了基礎(chǔ)。
目前的水面污物清撈設(shè)備正在朝多功能、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，市政泵站和水利排灌站的發(fā)展趨勢(shì)是控制遠(yuǎn)程化、管理無(wú)人化。下一步的設(shè)想就是將各種傳感器采集的信號(hào)或攝像探頭拍攝的圖像，隨時(shí)反饋至控制室，或通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)反饋至控制中心，操作人員通過(guò)監(jiān)視器中各個(gè)角度、放大或縮小的多組畫面，可直接看清其水位和水面的情況、設(shè)備的運(yùn)行狀況等，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，直接干預(yù)設(shè)備的運(yùn)行，對(duì)設(shè)備采用機(jī)械、電流、溫度、應(yīng)力、限位等多重保護(hù)，確保遠(yuǎn)程控制的安全性和可靠性，并有PLC自動(dòng)診斷故障，顯示故障部位和原因、維修保養(yǎng)建議等，真正實(shí)現(xiàn)市政泵站和水利排灌站各種設(shè)備的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、無(wú)人化控制。