PLC在江濱泵站中的應用

摘 要：可編程序控制器以其獨有的特點，在工業控制自動化領域得到了廣泛的應用，它既可檢測和處理現場數據，還可實現對現場自動化設備的控制。本文介紹了A-B公司SLC 5/05系列PLC，及其在江濱泵站自動控制系統中的應用;介紹了PLC的硬件軟件設計及上位監控軟件所實現的功能。實際運行表明：設計符合控制要求，系統運行可靠性高、效率高。

關鍵詞：PLC，硬件設計，軟件設計，組態軟件

　　江濱泵站是鎮江市污水截流工程中的核心泵站，該泵站附近地區的污水和其它泵站的污水匯集到江濱泵站后，經排污泵加壓提升再輸送到污水處理廠。江濱泵站運行可靠性的高低直接關系到鎮江市污水處理廠的安全可靠運行，本文應用A-B（Allen-Bradley）公司的SLC500系列PLC（Programmable Logic Controller，可編程序邏輯控制器）實現江濱泵站的自動控制，并通過以太網接口與上位監控管理軟件相結合，提高了系統的可靠性和運行效率。

1 泵站工藝流程和控制對象簡介

　　江濱泵站工藝流程簡圖如圖1所示。圖中格柵機的作用是將水中較大的固體垃圾抓取到和過濾后經皮帶輸送機輸送到垃圾箱;橋式刮砂機定時將沉砂池中的細小固體顆粒刮至排砂泵處，排砂泵將砂水混合物輸送至砂水分離器，砂水分離器將細小的固體顆粒與水分離，水進入集水池、固體顆粒進入垃圾箱;集水池部分的作用是蓄集污水，并通過潛水泵將污水輸送至污水處理廠。

　　江濱泵站的控制對象主要由三個相對獨立的部分組成：格柵池、沉砂池和污水集水池，此外還有兩個過江管道。格柵池部分有三個水道，共有六個進/出水閘門（啟閉機）、三臺細格柵機、一臺粗格柵機（共用）和一臺皮帶輸送機（共用）;沉砂池部分有四個水道，分為兩組，共有兩臺橋式刮砂機、四臺排砂泵、兩臺砂水分離器和四個進水閘門;污水集水池部分有兩個集水池，兩者之間有一連通閘門（不參與自動控制，正常情況下，該連通閘門處于開啟狀態），每個集水池有三臺污水泵，共六臺（四臺配置了軟啟動器、兩臺配置了變頻器），十二個電動閥門（泵進出/水閥門）;此外，兩個出水總管各有一個閥門，共兩個閥門。

2 泵站控制系統結構簡介

　　泵站控制系統由PLC、低壓控制屏、MCC柜及外圍電氣設備（如格柵機、閥門、泵等）組成，并通過以太網與中控室相連，系統結構簡圖如圖2所示。

　　PLC是整個系統自動控制的中樞，它負責對泵站設備運行和工作狀態的采集、與中控室監控系統通信、實現相關的控制;低壓控制屏用以控制功率較小的泵、閥、格柵等設備，設備的運行狀態通過低壓控制屏輸入PLC的開關量輸入模塊，相應的PLC輸出開關量通過低壓控制屏對相關設備進行控制;MCC柜用以控制220KW的大功率排污泵，泵的運行狀態通過MCC柜輸入PLC的開關量輸入模塊，六臺泵分別配有軟啟動器或變頻器，通過現場總線DeviceNet與PLC相連，PLC通過現場總線模塊可讀取變頻器、軟啟動器的運行狀況及實現變頻調速和軟啟動器參數遠程設置;集水池水位、出水流量、出水管道壓力、PH值、溫度等信號由現場傳感器直接接入PLC的模擬量輸入模塊。

3 PLC硬件設計

　　SLC500系列PLC具有大型PLC的功能，小型PLC的價格和不斷擴充的控制能力和通信能力，可隨時滿足工業控制中的各種要求。由羅克韋爾自動化公司所屬的A-B公司生產，包括模塊化處理器、輸入輸出模塊、特殊功能（專用）模塊、電源、框架等。產品目錄號為1746和1747系列，采用框架式結構，為在不同的工業現場使用提供了穩定的可靠平臺。其中SLC 5/05系列PLC是SLC500 系列PLC中支持以太網通信的PLC。

　　3.1 處理器的選擇

　　根據鎮江市污水收集自動控制系統需通過以太網實現城域網的構建，首先確定處理器為支持以太網通信的SLC 5/05系列，再根據I/O點數等估算存儲容量并選型。本設計中選用的是有以太網接口、支持塊傳輸指令的16K存儲容量的1747-L551B處理器模塊。

　　3.2 輸入/輸出模塊的選擇

　　根據江濱泵站的控制對象、檢測參數及控制要求，統計PLC的I/O點數。根據統計的I/O點數，考慮價格、備用模塊通用性及留有10%～15%的裕量，本設計中選用了2個四通道模擬量輸入模塊1746-NI8，20個16點直流24V開關量輸入模塊1746-IB16和6個交流240V繼電器輸出模塊1746-OW16。

　　3.3 框架和電源的選擇

　　1）框架選擇 由上述所選擇的輸入/輸出模塊選用3個10槽的框架，框架間通過框架擴展電纜1746-C9實現互連。

　　2）電源選擇 根據文獻[2][4]中的方法計算并選擇電源模塊，在編程環境中進行I/O組態（IO Configuration）時，可利用 Power Suplly校驗電源是否滿足要求。本系統中所用電源為1746-P4。

　　3.4 現場總線模塊選擇

　　江濱泵站的六臺潛水泵的功率均為220KW，為了減小啟動沖擊電流和減少泵的啟停次數，其中四臺泵配置了軟啟動器、兩臺泵配置了變頻器，軟啟動器和變頻器都支持DeviceNet現場總線通信，通過與軟啟動器和變頻器的通信可實現相關數據的讀取、修改及泵的調速，本設計中選用了DeviceNet模塊1747-SDN。

4 PLC程序設計

　　4.1 控制要求

　　1）格柵池部分 根據三種運行模式（白天、夜間、暴雨），細格柵機輪值（輪值時間可在上位機上設定）或全部參與運行;粗格柵機在有細格柵機運行的水道之間自動輪值（由其自身PLC根據外部井位選擇輸入實現）;水道切換時，新投入運行的格柵機正常運行后，原運行格柵機根據運行模式停止運行或繼續運行（如：1、2轉換為1、3或2、3）;細格柵機運行采用定時控制方式，定時時間可在上位機上設置，水道切換時選擇設備無故障且運行時間最短的格柵機所在的水道;白天運行模式時，投運兩個水道;夜間運行模式時，投運一個水道;暴雨運行模式時三個水道同時投入運行;白天、夜間運行模式根據切換時間點（可在上位機上設定）自動切換;正常（白天、夜間）運行模式和暴雨運行模式的切換在上位機遙控完成;皮帶輸送機與細格柵機聯動，只要有一臺細格柵機運行，皮帶輸送機就運行（由外圍電氣控制實現）;在格柵機故障的情況下，關閉故障格柵機對應的進水閘門，同時置位相關報警信息位。

　　2）沉砂池部分 正常時兩組刮砂機組同時工作，投入運行時先啟動排砂泵，然后啟動砂水分離器，在排砂泵運行后，再打開對應的進水閘門，然后周期（時間可上位設置）啟停橋式刮砂機;若排砂泵故障，則關閉對應的進水閘門;若某刮砂機故障，則關閉對應的兩個進水閘門;投入運行的排砂泵每隔1小時反復沖洗一次，即停泵10秒后再開泵10秒，反復5次，以避免排砂泵管道堵塞;當集水池水位連續2小時低于2.6米時，未使用水道排砂泵暫停運行，直至水道恢復工作或水位再次高于2.6米。

　　3）污水集水池部分 污水泵的進水閥在自身、對應泵和對應出水閥無故障的情況下，長期處于開啟狀態，不參與自動控制，但可在上位機上根據需要進行遠程遙控;在兩過江管道閥門有一個全開的情況下，根據水位和可參與自動運行的泵的臺數，確定污水泵的運行臺數;正常情況下，第一臺啟動變頻泵，然后根據水位的上升情況遞加軟起泵，兩臺變頻泵之間輪值，四臺軟啟動泵之間輪值;在變頻泵工作水位段，變頻泵一直工作，在需增加水泵時，先啟動水泵再降低變頻泵轉速，減泵時，先停泵再提高變頻泵轉速;加泵時，啟動無故障、未運行泵中運行累計時間最短的泵;減泵時，停運運行泵中累計運行時間最長的泵;某臺泵啟停2分鐘內，其它泵不可啟動（遠程遙控無時間限制）;某臺泵自停止運行起，10分鐘內不可再啟動（遠程遙控無時間限制）;啟動時，先啟動泵，10秒后再開啟對應出水閥，停止時，先關閥門，閥門關閉后再停泵;加泵時發出開泵信號后，如在20秒內沒有檢測到其運行信號則切換到另外一臺泵;泵啟動后開啟相應的出水閥門，開啟閥門信號發出后，如1分半鐘內沒有檢測到閥門未全關信號則要關閉該閥門，并停止對應的水泵;減泵時，關閉閥門信號發出1分半鐘后，若無閥門未全關信號則要強行停止對應的水泵并報警。

　　以上設備中除泵的出水閥外，其它設備均可上位設為遠程遙控模式，進行遙控。

　　4.2 程序設計

　　從前面的控制要求可知，江濱泵站的控制系統比較復雜，不僅PLC的輸入/輸出點數較多、控制邏輯復雜，而且有現場手動（相對獨立，PLC不參與）、本地自動和遠程遙控等工作方式。針對這種復雜情況，在程序設計時，首先確定程序的總體結構，根據三個相對獨立的組成部分及通訊要求，將PLC程序按工作方式和功能分為：主程序、格柵池部分子程序、沉砂池部分子程序、集水池部分子程序及通訊子程序。

　　主程序內容主要包括：PLC自身的檢測和故障診斷（即“自診斷”），以及初始化程序。初始始程序主要作用是一方面為啟動作必要的準備，另一方面避免系統發生誤動作。

　　三個相對的獨立組成部分的子程序內容主要包括：控制程序，檢測、故障診斷程序，保護、連鎖程序等。控制程序的作用是實現各個組成部分的控制要求，檢測、故障診斷程序的作用是實時檢測相關數據，為控制提供相關依據，并根據輸入的故障信號，確定故障點置位對應的報警位或故障處理建議位;保護、連鎖程序與控制程序相結合，以杜絕由于非法操作而引起的控制邏輯混亂，以保證系統運行安全、可靠。

　　通訊子程序主要作用是實現PLC基于現場總線DeviceNet與軟啟動器、變頻器間的通信，PLC基于以太網與其它泵站PLC間及與上位機間的信息交換。

5 上位監控程序功能

　　本設計中應用組態軟件Intouch 9.0進行上位監控程序設計，所設計的監控程序在上位機上通過以太網交換機與泵站相聯，主要實現以下功能：

　　1）顯示鎮江市污水管道的管網圖、各泵站在鎮江市地理上的分布情況、各泵站的工藝流程、設備的運行情況、各泵站現場儀表的實時檢測值（如流量、液位、壓力、PH值等）、測量點（如流量、壓力、液位等）的實時趨勢曲線及歷史曲線、各泵站的電力系統狀態圖等。

　　2）實時顯示報警信息，并將報警記錄實時存入數據庫，可隨時查閱和打印。

　　3）可在監控畫面上通過簡單操作實現遠程控制和有關參數的設定。

　　4）自動生成主要設備的日/月運行報表、設備故障報表、巡更記錄報表等，并可打印。

　　5）可對視頻信號（攝像）統一管理及在工業控制計算機上進行顯示。

6 結論

　　本文的創新點：將智能變頻器和DeviceNet現場總線應用到污水泵的控制中，有效地減少了泵的啟停次數，通過DeviceNet直接讀取變頻器、軟啟動器中的電流、電壓、故障信息等相關數據，簡化了設計，并通過現場總線實現了變頻泵的無級調速。

　　實際運行表明，江濱泵站PLC系統控制程序與應用Intouch編寫的上位監控界面相結合，實現了PLC本地自動控制、上位遠程遙控、遠程設置參數等要求，完全滿足設計要求，達到了預期的目標。

參考文獻：

　　[1] 李鳳閣, 林景波, 佟為明. 羅克韋爾SLC 500系列可編程序控制器及其應用[J]. 低壓電器, 2005（8）：42～45.

　　[2] 王海瑞，張勇. 計算機與PLC集成控制系統在干冰生產過程中的應用[J]. 微計算機信息, 2006, 2: 39～41.

　　[3] Rockwell automation. SLC 500TM 系列可編程序控制器[G]. 2003.

　　[4] Rockwell automation. SLCTM 500 Instruction Set Reference Manual[G]. 2003.

　　[5] Rockwell automation. SLC 500TM Programmable Controllers & I/O Modules[G]. 2001.

　　[6] Rockwell automation. SLC 500 System Selection Guide[G]. 2005.

　　[7] Rockwell automation. SLC 500 Modular Hardware Style User Manual[G]. 2003.

作者簡介：

　　黃巧亮（1970-），男（漢），江蘇淮安人，碩士，講師，主要研究方向為智能儀器與系統;

　　龐科旺（1963-），男（漢），陜西咸陽人，副教授，主要研究方向為電氣傳動及其自動化;

　　陳玉亮（1979-），男（漢），江蘇鹽城人，碩士，實驗師，主要研究方向為智能控制。