黃松清，王庭有，楊安園

(1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.開(kāi)封大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，河南 開(kāi)封 475000)

水泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)作為工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分不僅為選礦廠生產(chǎn)用水提供了保障，而且為實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的目標(biāo)提供了有利支撐，系統(tǒng)各種設(shè)備能否穩(wěn)定、可靠、高效地運(yùn)行，對(duì)整個(gè)選礦廠的生產(chǎn)效率有著重要的影響。HMI技術(shù)的引入實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，PLC技術(shù)和傳感器檢測(cè)技術(shù)的使用提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。該控制系統(tǒng)不但可以作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行，而且還可作為一個(gè)子系統(tǒng)無(wú)縫接入礦山綜合自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)。

1 供水泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

利用排水系統(tǒng)從礦井中排放到地表水池中的水，經(jīng)過(guò)沉淀、去污等系列措施的處理后，將其作為工業(yè)用水使用，最終實(shí)現(xiàn)水資源的再利用。本設(shè)計(jì)應(yīng)在該廠原以建成的兩個(gè)供水泵站(每個(gè)泵站均配備有4臺(tái)離心泵和2臺(tái)真空射流泵)的基礎(chǔ)設(shè)施上來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。使該供水系統(tǒng)能夠具備遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)控制、手動(dòng)控制等功能，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各水泵的工作狀態(tài)、進(jìn)線電壓、運(yùn)行電流、管路壓力、管路流量等參數(shù)，并可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及預(yù)設(shè)的控制邏輯，自動(dòng)控制設(shè)備的運(yùn)行與停止，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)恒壓供水。

2 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用三級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵房的“無(wú)人值守”和遠(yuǎn)程監(jiān)控[1]。

設(shè)備層：各類傳感器的使用實(shí)現(xiàn)水泵軸溫、吸水管路真空度、水池水位、管路壓力、管路流量等參數(shù)的數(shù)據(jù)采集。三相交流電流電壓頻率表完成對(duì)水泵進(jìn)線電壓、運(yùn)行電流的監(jiān)測(cè)。同時(shí)對(duì)控制后的水泵開(kāi)/停、電動(dòng)閥開(kāi)/閉等相關(guān)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行采集，判斷控制執(zhí)行效果，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)自動(dòng)控制過(guò)程的邏輯閉環(huán)。

傳輸層：為了減少干擾，采用工業(yè)級(jí)的千兆/百兆工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，完成控制柜、視頻攝像機(jī)等設(shè)備與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互[2]。

管理層：利用控制柜中PLC的邏輯處理、運(yùn)算存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)上傳、控制執(zhí)行等功能，實(shí)現(xiàn)分散式設(shè)備的集中管控?？刂乒裆系挠|摸屏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示水泵、閥門、壓力、溫度、流量等信息，并作為用戶現(xiàn)場(chǎng)控制的操作平臺(tái)。上位機(jī)更是提供了友好的人機(jī)界面，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)，生成各種圖表和曲線，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)、多維度展示，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵房設(shè)備的科學(xué)管理。系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)控制設(shè)備功能單元

水泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)部分主要包括以下設(shè)備的建設(shè)：液位計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、流量計(jì)、電動(dòng)閘閥、水泵、射流真空泵、電動(dòng)球閥、控制柜等。

液位計(jì)：主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)水池液位的高低進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)被控制柜采集，作為水泵開(kāi)啟或停止的第一數(shù)據(jù)來(lái)源。

壓力傳感器：主要監(jiān)測(cè)泵的進(jìn)口和出口的壓力情況。對(duì)于水泵進(jìn)口壓力的監(jiān)測(cè)，用于判斷水泵入水口真空度的抽到程度，以決定是否可以打開(kāi)水泵。而安裝在出水口的壓力傳感器，是判斷水泵是否正常出水的重要依據(jù)。

溫度傳感器：用于檢測(cè)水泵的軸溫，判斷水泵的工作狀態(tài)，當(dāng)水泵軸溫過(guò)高，系統(tǒng)自動(dòng)控制停泵，同時(shí)報(bào)故障，進(jìn)行聲光報(bào)警。

流量計(jì)：主要監(jiān)測(cè)水泵出水管路上的水流量，為自動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)算和分析提供數(shù)據(jù)，以決定是否要減少或增加水泵的工作數(shù)量、是否停泵等自動(dòng)控制操作。

控制柜：完成所有傳感器數(shù)據(jù)的采集，并根據(jù)所設(shè)置的工作模式，完成水泵的自動(dòng)控制，同時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)集中顯示在本地PLC控制柜的觸摸屏上。

2.3 主要控制過(guò)程設(shè)計(jì)

2.3.1 真空射流泵啟動(dòng)

應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)PVC材質(zhì)的桌布、文具袋、服裝袋、化妝品袋、餐具袋8個(gè)批次的樣品中6種重金屬元素含量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表4。

1號(hào)電動(dòng)閘閥的關(guān)閉和電動(dòng)球閥轉(zhuǎn)動(dòng)+90°作為設(shè)備層的初始化信號(hào)。當(dāng)PLC接收到反饋的電信號(hào)后(電流或電壓模擬量)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成多位二進(jìn)制數(shù)字量，再與設(shè)定值通過(guò)比較指令進(jìn)行比較，以此判斷電動(dòng)閘閥是否關(guān)到位，電動(dòng)球閥是否轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)位置。當(dāng)電動(dòng)閘閥和電動(dòng)球閥按照設(shè)定初始化成功時(shí)，啟動(dòng)真空射流泵。但當(dāng)其初始化失敗時(shí)，電動(dòng)球閥自動(dòng)復(fù)位，再反向轉(zhuǎn)動(dòng)90°，同時(shí)關(guān)閉2號(hào)電動(dòng)閘閥，PLC再基于其接收到的反饋電信號(hào)進(jìn)行判定。當(dāng)2號(hào)電動(dòng)閘閥和電動(dòng)球閥反饋的信號(hào)顯示其轉(zhuǎn)動(dòng)到了相應(yīng)位置，啟動(dòng)真空射流泵，同時(shí)1號(hào)電動(dòng)閘閥報(bào)故障。當(dāng)2號(hào)電動(dòng)閘閥和電動(dòng)球閥反饋的信號(hào)顯示無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)定位置時(shí)，上位機(jī)顯示電動(dòng)閥故障。操作員可以進(jìn)入設(shè)備運(yùn)行界面查看故障設(shè)備，確定故障點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行維修。系統(tǒng)真空射流泵啟動(dòng)流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)真空射流泵啟動(dòng)流程圖

2.3.2 真空度檢測(cè)與離心泵啟動(dòng)

真空射流泵運(yùn)行5 min后，壓力傳感器對(duì)其進(jìn)行負(fù)壓檢測(cè)(離心泵入水口)，當(dāng)吸水管的真空度沒(méi)有達(dá)到動(dòng)態(tài)計(jì)算值或偶爾達(dá)到動(dòng)態(tài)計(jì)算值，但不能持續(xù)1 min時(shí)，系統(tǒng)報(bào)負(fù)壓故障，離心泵電機(jī)不會(huì)啟動(dòng)。若吸水管的真空度達(dá)到動(dòng)態(tài)計(jì)算值，且持續(xù)1 min后，啟動(dòng)離心泵電機(jī)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行15 s后，利用三相交流電流電壓頻率表反饋的電壓、電流信號(hào)確定離心泵的運(yùn)行情況，當(dāng)反饋的參數(shù)值與設(shè)定好的計(jì)算值進(jìn)行比較顯示異常時(shí)，立即執(zhí)行停機(jī)操作，同時(shí)報(bào)顯電機(jī)故障。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行15 s后顯示運(yùn)行正常，開(kāi)啟電動(dòng)閘閥，再過(guò)30 s后PLC根據(jù)反饋的電信號(hào)檢測(cè)電動(dòng)閘閥是否開(kāi)到位。在此臺(tái)水泵運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)持續(xù)檢測(cè)其負(fù)壓，當(dāng)離心泵運(yùn)行1 min后，實(shí)際負(fù)壓值符合動(dòng)態(tài)計(jì)算值的要求時(shí)，先關(guān)閉電動(dòng)球閥，再停止真空泵工作，以防止水倒流。當(dāng)負(fù)壓值小于動(dòng)態(tài)計(jì)算值時(shí)，提高離心泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，使負(fù)壓值達(dá)到動(dòng)態(tài)計(jì)算值，再執(zhí)行后續(xù)指令操作。如果實(shí)際負(fù)壓值持續(xù)小于動(dòng)態(tài)計(jì)算值時(shí)，此水泵立即執(zhí)行關(guān)機(jī)程序，同時(shí)啟動(dòng)另一臺(tái)水泵供水且此臺(tái)水泵報(bào)故障。系統(tǒng)真空度檢測(cè)與離心泵啟動(dòng)流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)真空度檢測(cè)與離心泵啟動(dòng)流程圖

2.3.3 恒壓閉環(huán)邏輯控制

系統(tǒng)的恒壓供水設(shè)計(jì)，采用經(jīng)典的PID控制算法，該算法在城市恒壓供水系統(tǒng)中已得到了實(shí)際的應(yīng)用。系統(tǒng)以離心泵出水口檢測(cè)的壓力(稱正壓力)作為反饋信號(hào)，通過(guò)壓力傳感器和變送器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)PA(n)送入到PLC的模擬量輸入模塊，經(jīng)PID運(yùn)算與給定壓力參數(shù)P(n)進(jìn)行比較，得出調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水泵轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使系統(tǒng)的供水管網(wǎng)壓力保持在給定壓力上[3-7]。恒壓控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 恒壓控制系統(tǒng)原理框圖

2.3.4 升/降泵組控制

當(dāng)水泵房接收到水泵啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，先基于1、2、3號(hào)水泵的故障報(bào)警信息、檢修狀態(tài)、以及運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行變頻泵的啟動(dòng)選擇，當(dāng)選礦廠車間用水量上升時(shí)，其管網(wǎng)中的水壓也會(huì)相應(yīng)的改變，當(dāng)壓力下降時(shí)，變頻泵需加快轉(zhuǎn)速提高供水流量，即提高電機(jī)運(yùn)行頻率，當(dāng)水泵運(yùn)行頻率達(dá)到工頻50 Hz時(shí)，切換水泵電機(jī)到工頻電網(wǎng)直接運(yùn)行，同時(shí)斷開(kāi)變頻器進(jìn)行清零處理，清零后的變頻器再次基于剩余兩臺(tái)水泵的故障報(bào)警信息、檢修狀態(tài)、以及運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行變頻泵的啟動(dòng)選擇。當(dāng)檢測(cè)到管網(wǎng)壓力值依舊小于設(shè)定值時(shí)，切換水泵電機(jī)到工頻電網(wǎng)直接運(yùn)行，同時(shí)斷開(kāi)變頻器進(jìn)行清零處理，清零后的變頻器變頻啟動(dòng)最后一臺(tái)水泵，直到管網(wǎng)壓力恢復(fù)到動(dòng)態(tài)設(shè)定值為止，最終實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定運(yùn)行。4號(hào)備用泵作為1、2、3號(hào)水泵檢修狀態(tài)時(shí)的替換泵，備用泵將接收被替換泵的全部運(yùn)行信息包括序列號(hào)[8]。

當(dāng)選礦廠用水量減少時(shí)，壓力傳感器檢測(cè)到管網(wǎng)中的壓力值正在逐步上升，此時(shí)需進(jìn)行降泵控制。通過(guò)先啟動(dòng)先停機(jī)原則(限工泵)，關(guān)閉最先變頻啟動(dòng)的工泵，變頻泵進(jìn)行減頻調(diào)節(jié)(下限頻率為10 Hz)，持續(xù)檢測(cè)管網(wǎng)中水壓是否達(dá)到設(shè)定的動(dòng)態(tài)值，穩(wěn)定運(yùn)行20 s后再次檢測(cè)管網(wǎng)壓力值。當(dāng)壓力值依舊大于設(shè)定值時(shí)，此時(shí)需對(duì)剩余工泵進(jìn)行停機(jī)操作，同時(shí)對(duì)變頻泵進(jìn)行升頻調(diào)節(jié)，直至管網(wǎng)壓力達(dá)到設(shè)定的動(dòng)態(tài)值[9-10]。

2.3.5 控制權(quán)限設(shè)定

水泵站的控制系統(tǒng)可進(jìn)行控制方式、權(quán)限的自由選擇和切換?？刂茩?quán)限的優(yōu)先級(jí)由高到低為：“手動(dòng)控制”、“本地控制”、“遠(yuǎn)程控制”3種控制模式，其中本地控制、遠(yuǎn)程控制這兩種模式又包含“手動(dòng)”和“自動(dòng)”兩種控制方式，其控制權(quán)限和方式的選擇與切換可以在泵房控制柜上的觸摸屏設(shè)定或由控制中心設(shè)定。手動(dòng)控制模式，主要是指操作人員根據(jù)水池顯示水位，本地人工手動(dòng)開(kāi)/停水泵及確定開(kāi)泵臺(tái)數(shù)。優(yōu)先級(jí)控制權(quán)選定后應(yīng)閉鎖比其低的優(yōu)先級(jí)控制權(quán)限。

3 觸摸屏畫面組態(tài)

HMI作為技術(shù)人員與可編程控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的對(duì)話窗口。它承擔(dān)著動(dòng)態(tài)顯示過(guò)程數(shù)據(jù)、接收操作人員控制指令、顯示報(bào)警、記錄歸檔、存儲(chǔ)參數(shù)值等任務(wù)。其顯示的內(nèi)容豐富、形象直觀，操作簡(jiǎn)單易懂[11]。

TP-700精智面板作為一個(gè)小型的人機(jī)界面，可以實(shí)現(xiàn)PLC與客戶之間的無(wú)縫連接，相應(yīng)的配套軟件為WINCC-Comfort，本文設(shè)計(jì)配置畫面主要分為3部分，監(jiān)控主畫面，工作方式， 報(bào)警記錄，并設(shè)置系統(tǒng)登錄和退出，針對(duì)具有不同權(quán)限的操作員使用的具體設(shè)計(jì)。監(jiān)控主畫面作為控制系統(tǒng)外圍設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的主要監(jiān)測(cè)畫面，其設(shè)備指示燈“綠色”代表設(shè)備正常運(yùn)行、“紅色”代表設(shè)備停止、“棕色”代表設(shè)備運(yùn)行故障，其系統(tǒng)監(jiān)測(cè)畫面如圖5所示。工作方式畫面顯示了“遠(yuǎn)程控制”、“手動(dòng)控制”、“本地控制”選擇控制按鈕，點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入相應(yīng)的控制模式界面。報(bào)警記錄主要用于采集、顯示和記錄來(lái)自過(guò)程控制中PLC數(shù)據(jù)異常和系統(tǒng)本身狀態(tài)導(dǎo)致的報(bào)警信息[12]。

圖5 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)畫面

4 上位機(jī)通信組態(tài)

遠(yuǎn)程控制中心，上位機(jī)(PC端)在安裝SIMATIC NET后作為OPC服務(wù)器,其通過(guò)模塊化SCALANCE X-400交換機(jī)，采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用光纖作為通信介質(zhì)，PROFINET作為通信服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信連接，最終可以對(duì)設(shè)備層PLC的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作[13-14]。

設(shè)備層PLC與HMI(觸摸屏)的通信設(shè)置，需保證HMI(觸摸屏)和PLC的IP地址同段。在TIA博途軟件的網(wǎng)絡(luò)視圖中，首先進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)視圖，選擇“HMI”連接，單擊HMI的以太網(wǎng)接口，然后按住鼠標(biāo)將箭頭拖拽到PLC的接口上，這樣通信連接便得到了建立。利用HMI(觸摸屏)的RJ45通信接口下載HMI組態(tài)程序，最后通過(guò)以太網(wǎng)電纜連接PLC和HMI(觸摸屏)，驗(yàn)證控制系統(tǒng)功能[15-16]。

5 系統(tǒng)測(cè)試

該選礦廠氧化礦車間生產(chǎn)每噸錫用水19.5 m3，硫化礦車間生產(chǎn)每噸錫用水20.4 m3?；谄鋵?shí)際用水情況進(jìn)行“手動(dòng)控制”模式和“本地控制”自動(dòng)運(yùn)行模式下的用水量和用電量的測(cè)試。實(shí)際監(jiān)測(cè)用水量與耗電量數(shù)據(jù)表如表1所示。經(jīng)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)“本地運(yùn)行”自動(dòng)控制模式下可有效降低用電量，節(jié)約運(yùn)行成本。

表1 用水量與耗電量數(shù)據(jù)表

6 結(jié)束語(yǔ)

基于S7-1200可編程控制器和TIA 博途全集成自動(dòng)化軟件設(shè)計(jì)的選礦廠供水泵站自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，真正的實(shí)現(xiàn)了水泵房的“無(wú)人值守”和遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)，該系統(tǒng)的硬件留有備用容量和網(wǎng)絡(luò)接口，可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展和接入綜合自動(dòng)化平臺(tái)。HMI技術(shù)的使用實(shí)現(xiàn)了操作人員與控制系統(tǒng)之間的信息交流，操作界面的設(shè)計(jì)基于設(shè)備的實(shí)際分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，便于設(shè)備維護(hù)人員快速查看。