基于PLC 控制的泵房自动化改造

2014-03-16陈敏

净水技术 2014年1期

陈敏

(上海市自来水市南有限公司长桥自来水厂，上海 200231)

1 背景

近期，发改委、住房建设部联合下发了《关于做好城市供水价格管理工作有关问题的通知》，各地制水企业有了更大的资金空间来改善水质质量，提高居民用水水平。目前有着一大批自来水厂，将要面对如何通过改造实现高效能的自动化控制，实现科技进步，提高居民用水质量，降低水质成本的问题。

目前，长桥水厂1#、2#、3#出水泵房，提升泵房、备用取水泵房的PLC控制系统都已顺利运行，使水厂生产和管理的自动化水平大大提高。

本文就长桥水厂自行设计、施工的泵站——备用取水泵房，谈一谈PLC系统在水厂自动化控制中的应用，为其他相关单位的自动化改造提供一些参考。

取水泵站是水处理工艺的第一道工序，原水经过它升压后直接输送到净水系统，是水厂制水工艺的基础。所以，怎样应用现代科学控制技术，改善和提高取水泵站的自动化控制水平，设计出先进的PLC控制系统，安全优质保障城市供水是相关部门的首要任务。

2 工艺流程及设计要求

2．1 设备控制要求

系统采用“集中监测，分散控制”的方式，设计严格依据备用取水泵站的实际工况。整个自控系统由主站与现场工作站组成，主要对泵房、矾液池、矾水码头与回馈井及其他辅助生产设备和工艺流程进行自动控制，主站建在泵房操作室中。

监测的运行参数有:高压柜开合状态、电动机状态、运行状态，污水液位、压力，阀门开启位置、出水流量等。

监测的电气参数有:配电系统的电流、功率、电压、有功/有功电度、无功/无功电度等。

2．2 网络通信要求

在满足备用取水泵房本地通讯的要求之外，还必须将其数据共享至厂部调度室。因此本地网络使用同轴电缆通讯。同时租用一根电信光纤将备用取水泵房的数据传送至厂部调度室。

2．3 软件与硬件要求

现场工作站的PLC使用RSLogix5000按工艺要求编制梯形图。组态与人机界面的开发使用RSView32。PC机采用研华工控机。考虑到取水泵房维护成本、维护时间以及与厂部PLC设备的兼容性、稳定性。此次取水泵房自动化PLC依旧采用controllogix系列产品。

3 系统构成

主要控制设备有机泵设备、外围电气设备、UPS与上位机、PLC基站及各类传感器。

3．1 外围电气设备包括

西门子6 KV高压控制柜;

6 kV高压电动机(11#～17#共7台);

出水调流阀(11#～17#共7台);

电机控制箱(11#～17#共7台);

风机控制箱(11#～14#共4台);

泵顶真空控制箱(11#～17#共7台);

户外真空控制箱(1#，2#共2台);

真空泵(1#，2#共2 台)。

3．2 上位机及UPS

配套上位机电脑一台(供操作人员监控整个系统及开、停机泵使用)，UPS一套(为上位机提供不间断电源)。

PLC(可编程控制器)通过对有微机保护的高压柜、出水阀门、控制箱等设备和相关仪表输出的各种信号、参数(如:状态、位置等开关量信号和电流、电压、功率、压力、物位等模拟量信号)进行实时采集、分析、处理，再输出给控制对象，利用 PC机，通过PLC的组态软件，做成一个非常友好、生动鲜明的界面，方便地监视本站点的生产工况并对设备进行控制。现场工控网络把本站点的PLC和PC电脑与其他站点、调度室等连接起来构成一个工控网络。

3．3 PLC 基站

A-B各类PLC输入输出模块;

信号隔离器;

输出继电器。

3．4 各类传感器包括

水泵泵前真空变送器(11#～17#共7台);

水泵泵后压力变送器(11#～17#共7台);

1#吸水井超声波液位仪(1台);

2#吸水井超声波液位仪(1台)。

4 备用取水泵房自动化系统设计

4．1 设计原则

此次备用取水泵房自动化改造要求整个系统与厂部系统兼容，并实现与厂部生产数据共享。因此设计遵循先进性、实用性、可靠性、经济性、开放性的原则，满足供水生产管理和工艺对自动化控制的要求。

4．2 系统图

根据生产实际情况，备用取水泵自控系统由现场设备层、过程监控层和管理层三层组成，如图1所示。

图1 备用取水泵自控系统组成Fig．1 Automatic Control System of Backup Raw Pump

5 具体设计

5．1 现场监控系统

建立取水泵房控制室，带有操作显示终端，现场监控计算机选择运行速度快、性能稳定的计算机，监控软件选择组态灵活、功能强大、界面人性化且在自来水行业内获得了成功运用的软件包，如图2所示。

图2 长桥水厂备用取水泵(头部取水泵)登陆主界面Fig．2 Sign in Page of the System

5．1．1 现场监控系统主要实现以下功能

(1)采集、接受、处理、显示PLC收发的各个数据。

(2)检测各类生产数据，并根据实际工况做出调整。

(3)有选择的记录绘制数据趋势图。

(4)报表打印和设备报警。

(5)对各种数据实时存储。

5．1．2 实现的控制功能

主要功能:电动机温度检测，集水井水位监测、水泵震动监测、水泵出口压力。

主要监控设备:泵房出水阀、高压电机、高低压电气设备、7台水泵。

5．1．3 主要工况的监测

水泵的工况:运行、停役、检修。

阀门的工况:全开、全关、出水阀位、故障。

主要参数显示:电机和水泵温度、电气数据、液位及压力。

5．1．4 控制内容

每台电机运行控制:整个电机控制过程中，PLC根据工艺条件事先设定开机条件，调节出水阀的开度，保证生产过程的正常运行。

5．2 数据表格编制

为使软件设计工作人员能更加方便灵活地进行梯形图编程，我们还编制了生产流程图及PLC数据表格，如图3、表1所示。由于数据量较大，只列出部分以供读者参考。

图3 备用取水泵自控系统配置(开电动机)Fig．3 Arrangement Drawing of the System

表1 PLC控制模块1756-IB32(DI32)数据表Tab．1 Data Table of 1756-IB32

续表

5．3 软件设计

采用强大功能的组态软件进行整个泵站自动化控制系统的管理和维护，上位机的软件实现以下功能:

(1)动态流程画面显示:动态显示泵房工艺流程图和各工艺单元流程图，并能在流程图上选择弹出多级细部详图。

(2)动态数据显示:各种模拟信号、开关信号、各类累计量信号的数值和范围清单，通过滑标、按钮、开关、信号灯、颜色、百分比、填充等手段实时生动地表示出来。

(3)趋势曲线:显示各主要工艺参数变化曲线，各种模拟量的历史曲线、即时曲线图，并能在一幅图形上对比显示多种参数。

(4)报表打印:即时报表、日报表、月报表、年报表。

(5)控制调节功能:在动态流程图和细部详图上能进行各种被控工艺参数设定值的调整，并能进行手动、自动切换及各设备的工况控制。

(6)报警功能:故障发生时中控室及相应PLC发出声响报警，控制软件自动弹出相应故障点详图，显示故障现象，同时打印报警和故障记录文件。

(7)安全功能:按不同操作级别分级加密。并记录操作人员工号和所有操作信息。

(8)数据库管理功能:能建立生产数据库、操作信息库、故障信息库。

(9)数据处理功能:能利用实时数据和历史数据、计算主要生产指标。

(10)在线修改:能在线修改程序。为了方便工程师调试与二期选用相同的组态软件RSView32。

5．4 自动化改造中的技术改进方式

在本次改造中，笔者借鉴以往自动化改造的经验，通过认真的比较分析，发现在PLC改造中存在着控制节点多、回路多、程序复杂等问题，导致运行过程中故障点多，故障检修时间长的问题，同时造价和运行成本也相对较高。

针对以上情况，笔者在改造规划阶段，在不降低设备可靠性的前提下，整合控制系统的各个功能，实现单命令多设备的就地控制，目的是达到减少操作程序，简化回路设计，降低工程难度及造价的目的。具体举例如下:

5．4．1 合理调整自控方式

如图4所示，按照原先的控制方式是在高压断路器合上后，输出一个状态信号至PLC模块，然后再由PLC输出控制信号，控制风机、加热器等设备的动作。

现在，我们通过对现有电气二次回路的整改，控制信号不是由PLC模块而是直接利用断路器合闸信号串联在风机、加热器等电气设备的二次回路里，从而达到自动控制的最终目的，电气二次回路如图5所示。

图4 控制原理示意图Fig．4 Control Principle Diagram

图5 电气二次回路图Fig．5 Secondary Circuit of Power System Diagram

利用以上方法，对设备的其他控制回路予以简化改进，可以大大减少PLC模块、信号电缆、接线端子的数量以及程序编制的复杂性，从而降低成本，加强整个自控系统的可靠性。

5．4．2 产用新通讯方式，加强PLC与设备之间的信息互访

在整个设计过程中，我们尝试通过应用MODBUS通讯约规，连接所有西门子高压柜上的阿尔斯通综合保护器，取得了良好的效果，结果是只用一根通讯电缆，就可以连接所有的设备，从而采集到PLC系统所需要的信息和数据，按照以前的工艺，应敷设大量的信号电缆进行每一信号的点对点硬连接，经过这次尝试，整个工程又节约了大量信号电缆。