周保安

（上?，k源水生態(tài)環(huán)境工程有限公司，上海 200003）

1 工程背景與概況

近年來，山西壽陽縣對(duì)白馬河、東梁河、石門河等進(jìn)行了河道整治，這些工程的完成大大減小了縣城洪水隱患，對(duì)改善城市環(huán)境、優(yōu)化居民生活空間起到了重要作用。但部分河段仍然存在著防洪達(dá)標(biāo)不足、水質(zhì)污染、濱水環(huán)境不佳、配套設(shè)施不完善等問題，隨著壽陽縣現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，需對(duì)縣城河道進(jìn)行系統(tǒng)、全面的梳理和綜合整治。2021年初，壽陽縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)管理局實(shí)施了石門河水環(huán)境提升項(xiàng)目工程。工程整治石門河總長(zhǎng)度約2.2km，主要內(nèi)容為河道防洪達(dá)標(biāo)建設(shè)、調(diào)蓄水系統(tǒng)建設(shè)、生態(tài)修復(fù)工程建設(shè)、濱水空間提升、智慧水務(wù)管理及調(diào)度工程5大部分，其中調(diào)蓄水系統(tǒng)建設(shè)包括新建分級(jí)蓄水建筑物，新建引水一體化泵站和管道，一體化泵站使用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)。一體化泵站規(guī)模為520m3/h，采用潛污泵3臺(tái)，兩用一備，單臺(tái)泵參數(shù)為Q=260m3/h，H=16m，N=30kW。

一體化泵站是一種集潛水泵、泵站設(shè)備、除污格柵設(shè)備、控制系統(tǒng)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的產(chǎn)品，主體由GRP井筒、水泵、管道、閥門、傳感器、控制系統(tǒng)等部件組成。一體化預(yù)制泵站施工速度快、質(zhì)量可靠、使用方便、維修簡(jiǎn)便、成本低、占地面積小，對(duì)周邊環(huán)境影響小。一體化泵站可比傳統(tǒng)泵站造價(jià)至少節(jié)省20%［1］，一體化泵站工程為交鑰匙工程。

2 一體化泵站設(shè)置PLC自控系統(tǒng)的必要性

目前，一體化泵站PLC自控系統(tǒng)已成功運(yùn)用在石門河水環(huán)境提升運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目中，此自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了除污格柵、潛水泵、電動(dòng)閥等設(shè)備的自動(dòng)化控制運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集記錄設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和儀表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)管理者通過手機(jī)APP、網(wǎng)頁Web等方式進(jìn)行遠(yuǎn)程查看和管理，實(shí)現(xiàn)一體化泵站的智慧運(yùn)營(yíng)管理。項(xiàng)目實(shí)施后，一體化泵站實(shí)現(xiàn)了無人值守、運(yùn)行安全穩(wěn)定、管理效率提升、縮減運(yùn)行成本，尤其在一體化泵站補(bǔ)水方面，PLC自控系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，從根本上解決了人工操作不及時(shí)、不準(zhǔn)確的弊端。一體化泵站PLC控制系統(tǒng)具有的反應(yīng)速度快、安全性強(qiáng)、操作方便、功能完善［2］優(yōu)點(diǎn)，顯著提高設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行效率和安全性，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了石門河一體化引水泵站工程的實(shí)際應(yīng)用需求。

3 一體化泵站PLC自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 一體化泵站控制系統(tǒng)的組成

泵站控制系統(tǒng)的主控模塊由主控制器模塊、液位檢測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊、遠(yuǎn)程控制模塊構(gòu)成。其中，主控制器模塊主要工作是采集處理水泵運(yùn)行過程中相關(guān)信號(hào)和數(shù)據(jù)，液位檢測(cè)模塊主要工作是檢測(cè)實(shí)時(shí)液位信號(hào)和轉(zhuǎn)換，人機(jī)交互模塊用于顯示水泵運(yùn)行狀況和系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，遠(yuǎn)程控制模塊方便人員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)端控制和獲得數(shù)據(jù)。泵站控制系統(tǒng)工作流程如圖1。

圖1 工作流程

4個(gè)主控模塊的工作原理與方式如下：

（1）主控制器模塊。主控制器模塊收集I/O模塊上報(bào)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)組態(tài)的控制方案完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。本模塊選擇西門子PLCS7-200系列做為主控制器，使用CPU224型做為主機(jī)模塊。該模塊控制點(diǎn)數(shù)為14點(diǎn)輸入、10點(diǎn)輸出，配有一個(gè)RS-485通訊/編程口，具備PPI通訊、MPI通訊及自有方式通訊能力，具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、組成靈活、操作方便、傳輸快等優(yōu)點(diǎn)，其各項(xiàng)基本參數(shù)、性能均能滿足泵站控制系統(tǒng)的要求，可實(shí)現(xiàn)圖1所示的工作流程。

（2）液位檢測(cè)模塊。液位檢測(cè)模塊的核心部件是液位監(jiān)測(cè)傳感器，負(fù)責(zé)監(jiān)控測(cè)量液位、反饋處理信號(hào)。本工程采用靜壓式液位傳感器，監(jiān)控測(cè)量補(bǔ)水湖面和筒內(nèi)液位高度，將信號(hào)傳到控制單元。靜壓測(cè)量原理如下，當(dāng)液位傳感器投入到被測(cè)液體中某一深度時(shí)，傳感器迎液面受到的壓力公式為：P=ρgH+P0，式中：P為變送器迎液面所受壓力，ρ為被測(cè)液體密度，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，P0為液面上大氣壓，H為變送器投入液體的深度。通過導(dǎo)氣不銹鋼將液體的壓力引入到傳感器的正壓腔，再將液面上的大氣壓P0與傳感器的負(fù)壓腔相連，以抵消傳感器背面的P0，使傳感器測(cè)得壓力為ρgH，此時(shí)通過測(cè)取壓力就可以得出液位深度。

在調(diào)試階段，通過人機(jī)界面上的觸摸屏設(shè)定補(bǔ)水湖面液位、筒體內(nèi)的啟動(dòng)液位，運(yùn)行時(shí)PLC控制器不斷監(jiān)視筒體內(nèi)和補(bǔ)水湖面液位的水位傳感器信號(hào)，并于設(shè)定值相比較，當(dāng)水位低于湖面保證液位且高于筒體內(nèi)啟動(dòng)液位時(shí)，啟動(dòng)兩臺(tái)水泵運(yùn)行，如果其中一臺(tái)水泵發(fā)生故障時(shí)，啟動(dòng)備用水泵。當(dāng)補(bǔ)水湖面液位超過設(shè)定值時(shí)水泵停機(jī)，等待下一個(gè)工作循環(huán)。系統(tǒng)水位控制原理如圖2。

圖2 系統(tǒng)水位控制原理

（3）人機(jī)交互模塊。人機(jī)交互模塊主要用于泵站狀況的監(jiān)控、顯示，表示為聯(lián)系人與機(jī)器的人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)反映水泵系統(tǒng)各種狀態(tài)下主要技術(shù)參數(shù)變化情況，便于巡視人員及時(shí)掌握水泵、動(dòng)力源等主要設(shè)備運(yùn)行狀況。模塊擬采用具備功能完善、操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)等突出特點(diǎn)的MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)（通用版），后與CPU224相連接，并通過驅(qū)動(dòng)構(gòu)件添加PPI通訊協(xié)議，形成MCGS與執(zhí)行PLC的驅(qū)動(dòng)通訊構(gòu)件。之后根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)備與子設(shè)備基本參數(shù)設(shè)置，建立數(shù)據(jù)變量，繪制出人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)泵站各種運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。除設(shè)置有觸摸屏顯示外，控制箱面板上還設(shè)有所控每臺(tái)設(shè)備設(shè)置開/停按鈕、自動(dòng)/手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)、開停及故障指示燈。人機(jī)操作界面如圖3。

圖3 人機(jī)操作界面

（4）遠(yuǎn)程控制模塊。遠(yuǎn)程自控由配套控制箱接受廠區(qū)自動(dòng)控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。如4圖4所示，一體化泵站系統(tǒng)控制柜自帶Ethernet有線通信端口，可通過交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，在偏遠(yuǎn)無人、無有線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域，可以選配GPRS模塊將引水提升系統(tǒng)接入無線網(wǎng)絡(luò)。聯(lián)網(wǎng)之后，操作者可以通過在智能手機(jī)上安裝專門開發(fā)的一款手機(jī)APP，或電腦上安裝相應(yīng)的監(jiān)控程序，登錄后可從遠(yuǎn)處獲得一體化泵站系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，設(shè)定參數(shù)甚至控制系統(tǒng)的啟停。遠(yuǎn)程控制原理如圖4。

圖4 遠(yuǎn)程控制原理

3.2 一體化泵站PLC自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)采用西門子S7-200的編程軟件step7microwin設(shè)計(jì)，操作方式主要使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表這3種來進(jìn)行［3］，水泵自控系統(tǒng)的梯形圖如圖5。PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、上位機(jī)通信、執(zhí)行下發(fā)指令和自動(dòng)控制水泵運(yùn)行。系統(tǒng)上位機(jī)功能由MCGS軟件編程完成，既可以實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì)水泵安裝高度，出水高度等固定參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修正，掌握筒內(nèi)液位和補(bǔ)水湖面液位高度等關(guān)鍵因素，也能夠及時(shí)記錄、存儲(chǔ)水泵運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)，便于后期管理。

圖5 PLC主程序梯形圖

（2）硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。PLC是一體化泵站的核心硬件系統(tǒng)，在選擇具體機(jī)型時(shí)，需要考慮工程需求、結(jié)構(gòu)特性、施工成本等因素，不需要追求過多的完善功能。在硬件選型的過程當(dāng)中，①需要確定I/O端口數(shù)量，分配I/O端口地址。輸入端子地址分配如表1，輸出端子地址分配如表2。②需要確定和設(shè)置涉及的開關(guān)值、模擬值、特殊功能和智能模式等。③選擇合適存儲(chǔ)設(shè)備，其存儲(chǔ)量大小應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，但要預(yù)留備用余量，在選擇存儲(chǔ)余量時(shí)，一般可按實(shí)際需要的25%考慮。

表1 輸入端子地址分配表

表2 輸出端子地址分配表

4 結(jié)語

隨著城市化進(jìn)程的加快，使得城市水環(huán)境治理項(xiàng)目越來越多，對(duì)水環(huán)境治理的效率與效果等提出了更高的要求，而PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合了最先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)等［4］，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水環(huán)境治理信息的及時(shí)采集與存儲(chǔ)，達(dá)到了水環(huán)境治理的高效率，促進(jìn)了可持續(xù)發(fā)展。