SIEMENS SIMATIC S7-300 PLC在排水泵站自動化監控系統中的應用

排水泵站（下簡稱泵站）作為市政建設和管理工程的主要設施，擔負著城市排水防澇的重要任務。從目前國內大部分的泵站控制和管理來看還是處于相當 落后的狀況，與國外相比具有很大的差異。 在電氣控制上，自動化監控程度低，大部分的泵站僅有單級的常規控制。在管理水平上，大部分泵站的管理記錄和統計都是手工操作。泵站控制和管理沒有形成區域化的網絡。隨著國民經濟的飛速發展，對市政建設和管理提出了更高的要求。所以必需對現有泵站控制和管理進行改造和完善。向國外無人化泵站監控管理發展，以達到減員增效和提高管理水平的目的。該項目是以上海市浦東新區塘橋泵站為實施對象，進行整個泵站的自動化監控和管理的改造。
2.泵站工況概述
塘橋泵站位于上海市浦東新區塘橋路黃浦江邊，該泵站主要用于附近地區的污水排放處理和防汛抗澇。服務面積240公頃，總排水量為13.8米3/秒。
2.1設備分布
同大部分的泵站一樣，其設備分布平面圖如下（圖1）所示。
①進出水閘門：用來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外區，污水由內區流經格柵除污后，到外區排入黃浦江中。集水池內外區邊安裝有超聲波液位儀用來檢測內外區水位和水位差。
③除污機：泵站裝有鋼絲繩牽引式格柵除污機2臺，除污機用于把附于格柵上的垃圾和污物從集水池中提出來處理。
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控器監測三相溫度，當溫度超限能自動啟動風機降溫和報警。
⑤水泵房：塘橋泵站安裝了六臺180 kW的軸流水泵；在存水房裝有水位檢測器。
⑥控制柜房：房內裝有進線柜2臺（柜1，13）；功率因素補償柜4臺（柜2，3，11，12）；泵開關柜（柜4-6，8-10）和聯接柜1臺（柜7）。
2.2控制要求
以塘橋泵站為設施對象，進行整個泵站的自動化監控和管理的改造。
①改造泵站的水泵控制開關柜，使之具有就地和遠程控制的功能。
②改造泵站的功率因素補償柜，能實現就地自動補償和遠程電網監控。
③改造泵站的變壓器房對于變壓器A，B，C三相溫度進行遠程顯示，高溫報警等功能；
④建立泵站的控制室，對泵站實施三級控制，在控制室內設置自動化監控操作臺和信號處理柜。
⑤采用SIEMENS的S7-300系列PLC，對整個泵站實現自動化監控 ，水泵將根據泵的狀態 ，水位，雨量，電網狀況，閘門位置等工況自動投切。
⑥通過對水位差的檢測，提示或自動投切除污機。
⑦采用高性能的10英寸真彩LCD觸摸式顯示屏，對整個泵站進行動態監控管理，故障報警，工況記錄和報表打印。
⑧預留通信接口，可通過電話線路或DDN網聯網進行區域監控和數據傳送。
3.硬件系統構成
根據以上要求，我們開發研制了下述這套塘橋泵站自動化監控系統。系統的結構見圖2。 主要 的配置如下。
3．1 PLC配置
泵站自動化監控系統的PLC采用SIEMENS的S7-300系列。根據系統要求 ，PLC總體配置如下：
① 中央處理模塊（CPU）：選用CPU314，內存RAM擴展到64K。
② 數字量輸入模塊（DI）：選用SM321,共8塊（16點/塊）。處理128點輸入信號。
③ 數字量輸出模塊（DO）：選用SM322,4塊為16點/塊，4塊為8點/塊。處理96點輸出信號。
④ 模擬量輸入模塊（AI）：選用SM331,共3塊（8點/塊）。處理24點輸入信號。
⑤ 通信模塊：選用CP340,共2塊，1塊為RS232接口，1塊為RS485接口。
PLC采用了四個框架，在RTU信號柜內有三個，其中一個為備用擴展框架；另一個在操作臺內，通過IM361擴展連接，這樣簡化了接線，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（當時SIEMENS還沒有此類HMI）來 實 現上述要求。HMI是以RS232接口與PLC的CP340連接，采用SIEMENS的3964R的協議完 成 通信。
3．3電網監控配置
電網監控采用法國SOCOMEC公司的DIRIS M型的電量監控器，可檢測三相四線制 的相電壓，線電壓，相電流，零線電流，有功無功功率，功率因素，頻率及相應的最大值。監控器以RS485接口采用MODBUS協議與PLC的CP340連接，傳送電網監控數據。因為泵站是采用 雙路電網進線，故應用了兩套電量監控器，分別安裝兩側進線柜上。
其他的裝置的信號都是通過數字量或模擬量點出點入與PLC連接。

遠程網絡
控制室
現場設備
4．軟件監控實現
塘橋泵站自動化監控系統的軟件主要有兩部分：PLC監控軟件和觸摸屏圖控軟件。 PLC監控 軟件由幾大模塊組成。
4．1系統檢測和故障處理模塊
系統檢測處理所有的輸入信號，根據具體情況將作出不同響應。處理的信號有：六臺泵電機的溫度和振動；進出水閘門狀態；存水房液位；防火防盜安全；兩臺電源變壓器溫度；雨量；四臺功率因素補償柜工況；電網工況（電壓欠壓和過壓監控；三相電流過載監控；缺相監控；三相不平衡監控；功率過載監控；功率因素監控；電量累計）；污水池水位等。
系統故障分類為三級:一級故障定義為最高級。當發生此類故障，將禁止所有控制輸出。聲光報警，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，按人工復位鍵后系統恢復正常工作。二級故障定義為次級。當發生此類故障時將禁止故障點的控制輸出，系統作自動調正繼續當前操作。故障報警和恢復同一級故障。三級故障定義位最低級。當發生此類故障時，僅聲光預警，不中斷當前操作。根據系統中產生的各種故障實施相關的故障聲光報警和記錄。此刻觸摸式顯示屏進入故障報警畫面，顯示故障內容，性質，地點，時刻和解決方案，并打印。
4．2除污機和排水泵的運行處理
泵站有兩臺除污機,系統對除污機的工況進行監控。故障信號置位，置二級故障報警，由<系統故障處理>模塊處理。根據信號狀態點亮或熄滅有關指示燈。機同時在觸摸式顯示屏上顯示。當除污機柜上的選擇開關選擇遠控，操作臺在泵自動運行前，先進行排污操作。采用水位差檢測，則根據水位差標志實施自動排污。在自動排污時，先在現場聲光預警，再運行裝置。
泵啟動柜有六臺與操作臺相聯進行控制。
①當故障信號置位，置二級故障報警，由<系統故障處理>模塊處理。
②根據信號狀態點亮或熄滅有關指示燈。
③當泵開關柜上的選擇開關選擇遠控，在操作臺上可實施四種泵運行方式：手動方式；自動方式；預抽空方式；檢修方式。
④在操作臺上對每臺泵設置有各自的狀態指示燈；手動操作按紐和選擇開關。
⑤單臺泵的選擇開關有四檔：停止；檢修；手動和自動。當設置手動檔時可實施手動或預抽空操作。在自動檔時則允許該泵進入系統自動運行組態。
⑥在系統操作上設置有三檔的選擇開關：停止；自動和預抽空。<停止>禁止所有泵的運行；<自動>允許單臺泵選擇開關設置在自動檔的泵進入自動運行組態。<預抽空>允許單臺泵選擇開關設置在手動檔的泵預抽空運行。
⑦泵的啟動和停止要延時依次投入和退出。
⑧泵的基本聯鎖條件：A.一級故障，電源故障禁止所有泵運行；B.泵電機故障，泵啟動柜故障禁止對應泵運行；C.泵的不同運行要附合上述泵啟動柜，操作臺之間的正確設置；D.水位聯鎖。
⑨當滿足上述不同聯鎖條件，泵可進入手動，檢修,預抽空或自動運行。
⑩在泵自動運行時,要根據水位點和水位區來確定需運行的泵數；判斷能投入自動組態的泵是否滿足上述要求，如不滿足，則故障報警；如可組態的泵多于所需投入運行的泵，則依據這些泵運行時間累計數小的泵投入運行。隨著水位降低，逐步退出當前運行時間最長的泵。
4．3數據處理和人機界面處理
①數據統計：泵啟動柜交流接觸器動作計數；泵運行時間累計；泵站排水量累計；降雨量累計；用電量累計。
②數據設置：水位值，水位差值和流量值設置；變壓器的溫度和瓦斯值設置；雨量值設置；泵電機的溫度和震動值設置；電力參數設置；防盜有效與否設置。
③與觸摸式顯示屏的數據通信：觸摸式顯示屏采用工業級人機介面。主要完成下列任務：泵站運行監控；故障報警,記錄和排除提示；參數設置；模擬鍵盤操作；數據記錄處理；工藝曲線顯示；工況模擬顯示；泵站概貌顯示。
④打印機打印處理：故障隨機打印；運行狀態打印；參數設置打印；工作報表打印；動態曲線打印；設備狀態打印；數據統計打印；顯示屏幕打印。
5．結語
塘橋泵站自動化監控系統自1998年改造至今已近兩年，正常運行證明：整個系統設計合理 先進；操作簡便；可靠性高；完全符合用戶預期的要求，將推廣應用至其他地區。