PLC在水利排灌站智能化管理中的應用

1 引言
排灌站的主要功能是將城外河道的水源引入城內，為水利部門提供排灌，同時也擔當著抗洪排澇的重任。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行的水泵，輕者使其葉輪卡死;重者使其葉輪斷裂，導致電機燒壞事故的發生，所以對排灌站水泵的安全運行帶來了種種隱患。為了確保水道的暢通、防洪防汛以及水環境治理，必須采用格柵(帶有橫豎條的篩子)攔截污物，但是，當污物在格柵前堆積到一定數量后，格柵前后的水位差就會迅速加大，導致水泵抽水困難、功耗增大，同時格柵后的水位快速降低，這時水泵容易抽進空氣而使葉輪等部件產生氣蝕，縮短水泵的使用壽命，所以應及時清除柵前污物。工程采用的回轉式撈污機，可以均勻連續地從河道里撈取污物，以便于后道工序的處理。排灌站的設備分布如圖1所示。

圖1 泵站設備分布示意圖
對排灌站的8個并列格柵和4臺水泵進行統一管理，實現設備全工作過程(抽水、清污、輸送、擠壓)的自動化控制，出現故障及時報警停機并自我診斷，確保其正常運轉，這是設計自控系統的思路和初衷。撈污、擠壓設備及自行設計的整套自動控制系統現安裝于江蘇省南京市的一個水利排灌站，同時也適用于其它市政部門的泵站應用。
排灌設備主要由4臺水泵、8臺撈污機、2臺輸送機(水平和傾斜輸送各1臺)、1臺污物擠壓機和自控系統組成，濕落落的污物經設備處理后，變成干的塊狀垃圾，既可減少該站的污物存放場地(在城市尤為重要)，又能增加車輛裝載量，減少運輸次數和節約運輸成本;同時可避免運輸途中的拋撒、滴漏所造成的二次污染，有利于環境保護。

2 控制原理設計
該工程自控系統分手動、半自動、全自動間歇和全自動水位差等四種方式，操作人員可根據需要任選一種，四種控制方式實現互鎖。
2.1 水泵
在自動狀態下，水泵的開停由水位高度決定，當超聲波傳感器測得的模擬量相當于6m水位時，水泵電機按順序啟動，開始抽水;當模擬量相當于4.5m水位時，水泵全部停止抽水。自控系統根據水量的大小做出判斷，自動選擇開啟水泵的數量。
(1) 水泵1工作30min后還未達到模擬量相對應的低水位(說明水量較大)，系統自動開啟水泵2。
(2) 水泵1、2同時工作30min后還未達到低水位(說明水量很大)，系統自動開啟水泵3。
(3) 水泵1、2、3同時工作30min后還未達到低水位(說明水量特大)，系統自動開啟水泵4。
(4) 水泵1工作30min后還超過高水位(說明水量特大)，系統自動開啟水泵2、3、4。
(5) 水泵過載時，熱繼電器將切斷主電路，整套設備停止工作，同時做出水泵電流過載的聲、光報警。
2.2 撈污機
(1) 格柵前后兩個超聲波測得的模擬量相對應的水位之差大于等于300mm時(水泵在開啟狀態，否則就沒有水位差)，自控系統通過模擬量比較，按順序啟動撈污電機開始回轉撈取污物。
(2) 格柵前后水位差小于等于50mm時，撈污機全部停止工作。
(3) 撈污機采用雙重安全保護，撈污機過載時，熱繼電器或磁性開關動作，切斷主電路，整套設備停止工作，并做出撈污機電流或機械過載的聲、光報警。
2.3 輸送機
(1) 撈污機啟動數秒鐘后，自控系統啟動輸送電機，水平然后再向上傾斜輸送污物。
(2) 輸送機過載時，熱繼電器將切斷主電路，設備停止工作，同時做出輸送機電流過載的聲、光報警。
2.4 擠壓機
(1) 大推頭動作
箱內污物達到預定高度(可調，調節光電傳感器的垂直角度)，2個光電傳感器同時反饋信號，大推頭進(水平初壓)。
(2) 主壓頭動作
大推頭進限位開關動作，主壓頭下(垂直高壓)，下壓8s鐘后，延時15s鐘進行第一次擠壓污水;主壓頭繼續下(垂直高壓)，下限位開關動作，主壓頭停留15s鐘進行第二次擠壓污水。
(3) 二循環或三循環動作
如果污物擠壓得較松散，可選用“二循環”或“三循環”，擠壓機對污物高壓后，主壓頭和大推頭復位，再把第二批或第三批污物與第一批一起擠壓。
(4) 小門動作
保壓15s鐘后，小門開(放料)，同時主壓頭上。
(5) 推頭動作
小門開限位和主壓頭上限位開關同時動作，小推頭進將污物推至污物車。
(6) 復位動作
小推頭進限位開關動作，數秒鐘后，小推頭、主壓頭、小門、大推頭按順序復位。
(7) 擠壓機過載時，壓力繼電器或熱繼電器動作，切斷主電路，并做出擠壓機油壓或電流過載的聲、光報警。
(8) 液壓站采用雙重油壓安全保護，當污物初壓或高壓過程中遇到硬物卡住，壓力繼電器動作，切斷主電路，并做出擠壓機油壓過載的聲、光報警;若其失靈，則溢流閥動作，避免液壓部件受損。

2.5 基本控制流程
(1) 設備動作示意如圖2所示。設備動作及信號反饋流程見圖3和附表。

圖2 設備動作示意圖

圖3 設備動作及信號反饋流程

附表 排灌站設備動作及信號反饋表

3 控制對象及任務分析
3.1 控制對象
采用西門子S7-200PLC主要控制水泵的4臺電機、撈污機的8臺電機、輸送機的2臺電機的開停和液壓站的4個油缸的雙向動作。
其中包括:
(1) 控制手動、半自動、全自動間歇和全自動水位差等四種運行方式。
(2) 控制14臺電機分別完成抽水、撈取污物、輸送污物等動作。
(3) 控制液壓站電機完成復位、水平初壓、垂直高壓、放料、出料等動作。
(4) 控制設備的運行技術安全。即控制各運行方式的互鎖保護;控制垂直方向與水平方向動作的互鎖保護;控制水泵、撈污機、輸送機和油泵的電流過載保護;控制撈污機的機械過載保護;控制液壓站的油壓過載保護。
3.2 控制任務
(1) 現手動方式控制，即手動獨立完成上述9個基本動作。
(2) 實現半自動方式控制，即自動完成上述基本動作1至動作9。
(3) 實現全自動間歇和全自動水位差方式控制，在間歇工作開或水位差≤50mm的狀態下，即自動進行上述基本動作5至動作9的循環。

4 硬件選型與配置設計
4.1 主控系統選型與配置
系統采用了西門子S7-200可編程控制器，使自控系統結構緊湊，執行指令快捷，可靠性提高。編程軟件基于Windows平臺。PLC在清污設備中的應用，使修改控制參數、擴展控制功能等變得非常簡便，避免了分立電氣元件抗震性能差、誤動作多、定位精度不高等弊端。設計中該系統的控制點數為116點，其中輸入點數66點，輸出點數50點，擬選用的PLC的控制點數為120點。實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)、數字量擴展模塊EM223二塊(16入16出)、EM223一塊(8入8出)、EM221二塊(8入)，總輸入點數70點，總輸出點數50點，實際使用為66入50出，一般需要預留出5至10%的點數，考慮到成本問題，所有的按鈕輸入都采用點動方式，省去了不必要的輸入點數，預留輸入點數為5%，所以能夠滿足設計要求。
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TU- RCK超聲波傳感器(型號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關。
(3) 控制撈污機安全銷過載的信號反饋元件選用霍爾式傳感器。
(3) 控制水泵、撈污機、輸送機、液壓站電機電流的元件選用熱繼電器。

5 控制程序設計
5.1 固定時序工作方式
全自動間歇方式即設備工作X小時，停機Y小時(簡化為X/Y)，共有4檔可調(2h/1h;1h/1h ;1h/2h;2h/2h)，如果遇到停機時間，正在進行的程序保持至結束，然后設備停機待命(與水泵的自動開停無關)。
5.2 水位差工作方式
全自動水位差方式即當格柵前后兩個超聲波傳感器測得的水位之差大于等于300mm時(水泵在開啟狀態，否則就沒有水位差)，自控系統從撈取污物開始，至出料結束，然后等待下一個污物箱裝滿信號;當水位差小于等于30mm時，抽水、撈污、輸送停止，而正在進行的程序將保持至結束，然后等待下一個水位差信號(與水泵的自動開停無關)。
排灌站設備控制程序框圖見圖4。

圖4 排灌站設備控制程序框圖

6 主要特點和技術難點
6.1 主要特點　
(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，傳感器的測量范圍為250至3000mm，實際監控距離為1000mm(對應水位6000mm)至2500mm(對應水位4500mm)，當高于等于高水位時PLC自動開啟水泵;當低于等于低水位時PLC自動停止抽水。
(2) 水位差控制　
調節格柵前后2個傳感器反饋的模擬信號差值，當對應水位差大于等于300mm時，PLC自動開始撈污;當其小于等于30mm時PLC自動停止撈污。
(3) 污物高度控制　
2個光電傳感器屬“與”的關系，主要用于PLC判斷污物裝載量的多少，調節其垂直角度或水平距離，均可以調整污物的裝載高度。
(4) 水泵控制　
PLC根據較大、很大、特大的水量，自動選擇開啟水泵的數量。
(5) 撈污機控制
因為撈污電機起動電流較大，所以由PLC對8臺撈污電機按順序延時開啟。
(6) 報警控制
PLC對水泵、撈污機、輸送機、油泵的電流過載報警，同時對撈污機的安全銷機械過載報警，對油泵的油壓過載報警。為了用戶能迅速準確地找出故障部位，PLC對各種故障分別用指示燈加以顯示，同時用鈴聲進行提醒。
(7) 一鍵式清理　
由于殘留污物會對設備產生腐蝕，同時會腐爛產生臭味，所以當設備工作結束時，在不開水泵的情況下，可按“清理”按鈕，設備自動將撈污機、輸送機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 主要技術難點
(1) 標定水位值　
超聲波傳感器的模擬信號通過模數轉換成為數字信號，具體對應的水位只有在操作現場才能調試出來。首先將最大、最小模擬電信號與最高、最低水位對應起來，理論計算出水位的單位毫米數所對應的電信號模擬量，最后還需現場標定和調整，因為傳感器安裝角度或位置等因素的影響，實際上高、低水位對應的模擬量數值與理論上的有一定的出入。
(2) 標定水位差值　
2個超聲波傳感器應選用技術參數相近的，盡量做到“匹配”，將2個傳感器的“模擬量/毫米”進行平均，再計算出水位差300mm和30mm對應的模擬量差值，最后進行現場標定和調整。
(3) 設計光電傳感器的安裝方案　
由于污物箱為金屬結構，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定污物量，經過比較最終選定了光電傳感器。原設計將其放在有機玻璃后面，但經污水污物覆蓋風干后，或經污物及大推頭的長期磨擦后，有機玻璃透明度就會降低，導致光電傳感器失靈，通過多次方案論證和試驗，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有時會伴有脈沖信號，使設備出現誤動作，采用PLC中的計時器，就很好地解決了這個問題。
(5) 在調試程序過程中，發現各動作有相互干涉現象，主要表現在循環或復位等程序中，這樣不得不采用大量的輔助繼電器，增加了調試難度，最終采用步進法進行編程，調試效果令人滿意。
排灌站設備控制程序框圖如圖4所示。

7 結束語
清污設備在市政和水利部門具有廣泛的應用，而PLC在排灌站智能化管理中的成功應用，為人機對話和遠距離控制奠定了基礎。
目前的水面污物清撈設備正在朝多功能、智能化、網絡化的方向發展，市政泵站和水利排灌站的發展趨勢是控制遠程化、管理無人化。下一步的設想就是將各種傳感器采集的信號或攝像探頭拍攝的圖像，隨時反饋至控制室，或通過Internet網絡反饋至控制中心，操作人員通過監視器中各個角度、放大或縮小的多組畫面，可直接看清其水位和水面的情況、設備的運行狀況等，通過觸摸屏進行人機對話，直接干預設備的運行，對設備采用機械、電流、溫度、應力、限位等多重保護，確保遠程控制的安全性和可靠性，并有PLC自動診斷故障，顯示故障部位和原因、維修保養建議等，真正實現市政泵站和水利排灌站各種設備的智能化、網絡化、無人化控制。