趙娜

上海安科瑞電氣股份有限公司

摘要：近年來，PLC在泵站自動化控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的自動化控制，本文介紹基于觸摸屏、PLC和電力儀表^[1]等設(shè)計實現(xiàn)的安科瑞泵站自動化控制管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要實現(xiàn)對楊樹浦泵站高低壓配電系統(tǒng)控制柜電流電壓、內(nèi)外河水位、水泵運(yùn)行狀態(tài)、閘門開度等信號的監(jiān)測，水泵的遠(yuǎn)程啟閉、閘門的遠(yuǎn)程開關(guān)操作，閘門、站變柜及高低壓開關(guān)柜各設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控，由PLC控制現(xiàn)場水泵、閘門等設(shè)備，并采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，傳送至觸摸屏進(jìn)行狀態(tài)顯示，同時通過觸摸屏實現(xiàn)對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，整個系統(tǒng)保證了楊樹浦泵站系統(tǒng)自動化控制，提高了泵站運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性，具有廣泛的應(yīng)用景。 

關(guān)鍵詞：楊樹浦泵站、PLC、觸摸屏、自動化控制

0引言

    隨著民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對市政建設(shè)和管理提出了高的要求，水泵作為泵站控制系統(tǒng)的主要設(shè)施，擔(dān)負(fù)著排水防澇的重要任務(wù)，對泵站系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制具有重要意義，能達(dá)到減員增效和提高管理水平的目的，泵站自控系統(tǒng)應(yīng)用于泵站中^[2]，能夠?qū)崿F(xiàn)對水泵的自動化運(yùn)行控制、管理，同時泵站建立獨(dú)立的、功能完善的自動化控制系統(tǒng)，泵站內(nèi)各種設(shè)備的運(yùn)行均由泵站自控系統(tǒng)直接控制，PLC控制作為泵站自控系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)^[2]，負(fù)責(zé)泵站內(nèi)全部工藝設(shè)備的運(yùn)行控制，系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場泵站運(yùn)行工況來進(jìn)行控制，并且泵站接收整個自控系統(tǒng)的全局性運(yùn)行數(shù)據(jù)和調(diào)控指令，作為泵站自動控制的條件參數(shù)，以配合實現(xiàn)水泵系統(tǒng)的自動化控制。

    本文以楊樹浦泵站管理遷建工程為例，提出利用觸摸屏、PLC和電力儀表等設(shè)計套安科瑞泵站自動化控制管理系統(tǒng)應(yīng)用于楊樹浦泵站中，工程主要包括雙向運(yùn)行主水泵、主泵進(jìn)出水工作閘門、內(nèi)河側(cè)清污機(jī)及皮帶輸送機(jī)、高壓柜、低壓柜及主變柜等設(shè)備，安科瑞泵站自控系統(tǒng)實現(xiàn)對楊樹浦泵站現(xiàn)場設(shè)備實時控制，控制與檢測水泵、閘門的手/自動轉(zhuǎn)換、起動/停止、運(yùn)行、故障信號，并將現(xiàn)場泵站運(yùn)行信號傳送至觸摸屏，對泵站進(jìn)行運(yùn)行狀況的顯示、報警記錄及實時操作控制。 

1用戶需求

    楊樹浦泵站主要負(fù)責(zé)排水防澇工作，是市政建設(shè)和工程管理的重要設(shè)施，擔(dān)負(fù)著排水防澇的重要任務(wù)，楊樹浦泵站的控制和管理水平與智能化控制存在定差距，在電氣控制上，自動化控制程度低，泵站僅有單級的常規(guī)控制，部分仍為人工操作運(yùn)行，在管理水平上，采取人工管理，手工記錄、統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為了對楊樹浦泵站實現(xiàn)自動化控制，實時了解現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況，因此對所設(shè)計的楊樹浦泵站自控系統(tǒng)提出以下需求：

    1) 自控功能：PLC實現(xiàn)對現(xiàn)場水泵進(jìn)行自動控制，觸摸屏實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控；

    2) 數(shù)據(jù)采集功能：PLC采集電流、電壓、功率等電參數(shù)傳送至后臺實時顯示，同時采集泵組運(yùn)行狀態(tài)在觸摸屏實時顯示；

    3) 泵站自控系統(tǒng)實時反映設(shè)備的故障狀態(tài)，進(jìn)行報警記錄顯示，便于后續(xù)設(shè)備故障的維修。

2項目介紹

    泵站自動控制系統(tǒng)能夠?qū)ΜF(xiàn)有泵站控制和管理進(jìn)行改造和完善，向無人化泵站監(jiān)控管理發(fā)展，以達(dá)到減員增效和提高管理水平的目的，該楊樹浦泵站項目基于用戶對現(xiàn)場泵站自動化控制管理系統(tǒng)的需求，對原有的水泵控制柜進(jìn)行控制升級改造，整個改造項目主要包括公用LCU柜及泵組LCU柜，由現(xiàn)地控制級的PLC實現(xiàn)對楊樹浦泵站現(xiàn)場主泵電機(jī)、開關(guān)等設(shè)備參數(shù)采集及輸出控制，PLC通過通訊采集高低壓柜電力儀表電流電壓等電參數(shù)傳送至后臺實時顯示，并采集主泵電機(jī)繞組溫度、定子繞組溫度等模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時利用PLC實時采集楊樹浦泵站現(xiàn)場高壓柜斷路器、手車工作狀態(tài)及控制電源狀態(tài)、水泵運(yùn)行狀態(tài)、低壓柜開關(guān)合閘、分閘位置、閘門開度、故障跳閘等信號進(jìn)行邏輯處理，便于輸出控制，并將設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)傳送至觸摸屏進(jìn)行狀態(tài)顯示及故障記錄，PLC輸出控制開關(guān)分閘及合閘、主泵內(nèi)、外側(cè)工作門提升、主泵開關(guān)緊急分閘等，同時在觸摸屏上能夠?qū)崿F(xiàn)對水泵正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、起動、停止遠(yuǎn)程操控，安科瑞泵站自控系統(tǒng)既能實現(xiàn)對楊樹浦泵站的遠(yuǎn)程控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性^[3]。

3 設(shè)計方案

3.1參考標(biāo)準(zhǔn)

DG/TJ08-2124-2013     《水泵站自動化系統(tǒng)設(shè)計規(guī)程》

GB 16655-1996 工業(yè)自動化系統(tǒng) 集成制造系統(tǒng)安全的基本要求

CJJ 120-2008       《水泵控制系統(tǒng)電氣與自動化工程技術(shù)規(guī)程》

GA/T75-2000        《安全防范系統(tǒng)通用圖形符號》

GB 50265           《泵站設(shè)計規(guī)范》

GB 50054-2011      《低壓配電設(shè)計規(guī)范》

GB/T50314－2000       《智能建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》

JGJ16-2008        《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》

GA308-2001         《安全防范系統(tǒng)驗收規(guī)則》

GB 50348-2004         《安全防范工程技術(shù)規(guī)范》

GB50168          《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規(guī)范》

GB50150          《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》

GB50093          《工業(yè)自動化儀表工程施工及驗收規(guī)范》

3.2泵站系統(tǒng)介紹

    楊樹浦泵站管理遷建系統(tǒng)主要由10KV高壓系統(tǒng)、0.4KV低壓系統(tǒng)及安科瑞泵站自控系統(tǒng)組成，具體介紹如下所述。

3.2.110KV配電系統(tǒng)

    高壓配電系統(tǒng)主要由進(jìn)線計量柜、進(jìn)線開關(guān)柜、電壓測量、避雷器柜、站變柜、電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制柜組成，根據(jù)《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，本工程主要用電負(fù)荷為二級用電負(fù)荷，采用兩回10KV電源供電，供電電源線路采用10KV電纜線路，進(jìn)戶方式為10KV電纜，10KV母線采用單母線分段接線方式，正常運(yùn)行時兩路電源同時供電，分段開關(guān)打開，工程中主水泵電機(jī)采用10KV高壓異步電機(jī)，無功補(bǔ)償采用機(jī)端補(bǔ)償方式，補(bǔ)償設(shè)備延用原有補(bǔ)償容量及配置，因此，用戶不僅要求對設(shè)備數(shù)據(jù)、用電量等信息采集分析，還需要實時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，便于及時解決故障，安科瑞泵站自控系統(tǒng)，綜合泵站設(shè)計規(guī)范及用戶對楊樹浦泵站監(jiān)控要求，提供高壓柜電壓、電流、功率等電力參數(shù)采集顯示、水泵、閘門設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、控制等功能，幫助用戶實現(xiàn)用電信息化、控制智能化，形成完整的楊樹浦泵閘管理系統(tǒng)。

圖1  10KV配電系統(tǒng)圖

3.2.2  0.4KV配電系統(tǒng)

    低壓配電系統(tǒng)主要由站用變壓器柜、進(jìn)線柜、電容補(bǔ)償柜、出線柜和聯(lián)絡(luò)柜組成，整個0.4KV低壓配電系統(tǒng)電源引自站用變壓器，0.4KV母線選用單母線分段帶分段接線方式，安科瑞泵站自控系統(tǒng)將低壓配電系統(tǒng)柜作為公用LCU柜，主要由公用PLC采集現(xiàn)場斷路器分、合閘位置、手車工作、試驗位置、保護(hù)裝置信號、控制回路、電壓回路開關(guān)分閘、控制母線、合閘母線分閘等信號進(jìn)行邏輯處理，PLC輸出控制開關(guān)分閘及合閘，0.4KV低壓系統(tǒng)圖如下圖所示。

圖2  0.4KV配電系統(tǒng)圖

3.2.3 安科瑞泵站自控系統(tǒng)

    安科瑞泵站自控系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、溫控器和電源等模塊組成，實現(xiàn)對楊樹浦泵站高低壓控制柜中水泵、閘門等設(shè)備實時控制及運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，PLC根據(jù)現(xiàn)場工藝要求對水泵進(jìn)行實時控制，并通過PLC采集現(xiàn)場水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)及電力參數(shù)，通過通訊將電力參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心進(jìn)行顯示，同時在觸摸屏進(jìn)行泵組正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、起動、停止操作，根據(jù)采集的水泵運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)狀態(tài)顯示及報警記錄，楊樹浦泵站自控系統(tǒng)原理如下圖所示。

圖3 楊樹浦泵站自控系統(tǒng)圖

1)  PLC控制回路

    楊樹浦泵站自控系統(tǒng)PLC控制回路主要由CPU模塊、PLC數(shù)字量輸入、輸出模塊、模擬量輸入模塊、通訊模塊組成，數(shù)字量輸入模塊采集楊樹浦泵站現(xiàn)場的斷路器合閘、分閘位置、手車工作、試驗位置、彈簧儲能、保護(hù)裝置信號、主泵手動、遠(yuǎn)方控制、急停按鈕、電源故障等數(shù)字量輸入信號，模擬量輸入模塊采集楊樹浦泵站的主泵電機(jī)繞組溫度、定子繞溫度、主泵進(jìn)、出口壓力等模擬量信號，將采集的信號傳送至CPU模塊，由CPU模塊內(nèi)部程序進(jìn)行邏輯處理，輸出控制開關(guān)合閘、分閘控制、主泵開關(guān)緊急分閘、故障跳閘、主泵內(nèi)、外側(cè)門提升等，同時，由通訊模塊實現(xiàn)PLC與現(xiàn)場多功能表的通訊、數(shù)據(jù)采集，PLC控制原理圖如下圖所示。

圖4  PLC輸入輸出控制原理圖

2) 溫濕度回路

    楊樹浦泵站自控系統(tǒng)溫濕度控制回路由溫控器、風(fēng)扇、加熱器組成，溫控器的輸出觸點控制加熱器或風(fēng)扇，當(dāng)現(xiàn)場控制柜內(nèi)溫度、濕度達(dá)到或超過設(shè)定的數(shù)值，溫控器控制加熱器或風(fēng)扇接通電源工作，對控制柜進(jìn)行加熱或鼓風(fēng)等；段時間后，控制柜內(nèi)溫度或濕度遠(yuǎn)離設(shè)定值，加熱器或風(fēng)扇停止工作，保證了現(xiàn)場LCU柜內(nèi)溫、濕度的正常，溫濕度控制回路原理圖如下圖所示。

圖5  溫濕度控制原理圖

3) 觸摸屏回路

    楊樹浦泵站自控系統(tǒng)的觸摸屏控制回路主要用來對現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障記錄實時顯示，便于用戶實時了解現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況，對出現(xiàn)的故障及時處理，并對設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，可以對泵組LCU柜水泵正轉(zhuǎn)起動、停止、反轉(zhuǎn)起動、停止控制等，操作簡捷方便。

3.3 設(shè)備選型

應(yīng)用場景	產(chǎn)品需求	產(chǎn)品型號	產(chǎn)品描述
10kV高壓配電系統(tǒng)	10kV進(jìn)線計量	PCS-9611D	實現(xiàn)對線路的保護(hù)及測控，保證線路的安全性
	進(jìn)線開關(guān)	PZ96L	三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能等電參量測量
	備用自投	AM5	完成兩段母線互為備用、兩路進(jìn)線互為備用以及備用電源之間的自動投入切換，備自投邏輯可圖形化編程自定義
0.4kV低壓配電系統(tǒng)	變壓器溫控器	ID-B10-10DB	根據(jù)溫升自動控制冷卻風(fēng)機(jī)的啟停、超溫報警直至超高溫跳閘以保證電力變壓器的安全運(yùn)行
	低壓進(jìn)線	ACR220E	三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能等電參量測量
	低壓出線	PZ72L	三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能等電參量測量
	低壓電機(jī)保護(hù)	ARD2F	電機(jī)起動超時、過載、堵轉(zhuǎn)、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、阻塞、過壓、欠壓、繞組超溫等保護(hù)
泵組LCU柜	水泵控制PLC	LK205	水泵正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)起動、停止控制，采集現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電力儀表參數(shù)傳送至后臺監(jiān)控
	觸摸屏	TPC1162Hi	采用10.4英寸高亮度液晶顯示屏，四線電阻式觸摸屏，預(yù)裝MCGS嵌入式組態(tài)軟件，具備強(qiáng)大圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。
	溫濕度控制	WHD72-11-M	用于控制柜內(nèi)部溫度和濕度的調(diào)節(jié)控制，防止因低溫、高溫造成的設(shè)備故障及受潮或結(jié)露引起的爬電、閃絡(luò)事故發(fā)生

4 系統(tǒng)功能

4.1 現(xiàn)場監(jiān)控

    整個楊樹浦泵站控制室柜子的運(yùn)行狀況關(guān)系到整個水泵能否正常運(yùn)行，對控制室各個控制柜進(jìn)行監(jiān)控，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

圖6 控制室

4.2 控制功能

    楊樹浦泵站自控系統(tǒng)控制分手動、現(xiàn)場PLC、遙控三種控制級別模式，以手動高于現(xiàn)場PLC控制，現(xiàn)場PLC控制高于遙控為先級別順序：

    手動控制：設(shè)備的現(xiàn)場控制LCU柜上的“就地/遠(yuǎn)方”開關(guān)選擇“就地”方式時，通過現(xiàn)場控制箱上的按鈕實現(xiàn)對設(shè)現(xiàn)有設(shè)備的手動啟停、正反轉(zhuǎn)操作。

    現(xiàn)場PLC控制：現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠(yuǎn)方”開關(guān)選擇“遠(yuǎn)方”方式，且現(xiàn)場控制站的“現(xiàn)場/遙控”設(shè)定為“現(xiàn)場”方式時，設(shè)備的運(yùn)行*由各泵組柜PLC根據(jù)泵站采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)要求來完成對設(shè)備的運(yùn)行或開/關(guān)控制，而不需要人工干預(yù)。

    遠(yuǎn)程控制：現(xiàn)場控制箱上的“現(xiàn)場/遙控”開關(guān)選擇“遙控”方式時，操作人員通過自控系統(tǒng)操作站的觸摸屏畫面遠(yuǎn)程對設(shè)備進(jìn)行啟停、正反轉(zhuǎn)操作，實現(xiàn)水泵的正轉(zhuǎn)起動、停止、反轉(zhuǎn)起動、停止控制，觸摸屏遠(yuǎn)程操控界面如下圖所示。

圖7 系統(tǒng)操作界面圖

4.3 數(shù)據(jù)采集

    系統(tǒng)主要采集現(xiàn)場電力儀表電流、電壓、功率、功率因數(shù)、電能等參數(shù)，然后通過PLC將參數(shù)傳送至上位機(jī)監(jiān)控界面實時顯示，1#水泵正反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)采集界面如下。

圖8  數(shù)據(jù)采集界面

4.4 泵組狀態(tài)采集

    楊樹浦泵站自控系統(tǒng)通過PLC控制水泵運(yùn)行，同時PLC采集水泵的運(yùn)行狀態(tài)，包括手動、自動、遠(yuǎn)方運(yùn)行指示、電源運(yùn)行正常指示、開關(guān)柜斷路器合閘指示等，方便用戶實時了解現(xiàn)場水泵運(yùn)行狀況，對出現(xiàn)的故障及時解決處理，狀態(tài)顯示界面如下圖所示。

圖9  泵組狀態(tài)顯示界面

4.5 報警顯示

    楊樹浦泵站系統(tǒng)報警顯示界面主要用來實時顯示PLC電源故障、開關(guān)柜保護(hù)裝置故障、跳閘記錄、控制電源故障、主泵接線盒進(jìn)水、電機(jī)腔空氣濕度報警燈，便于用戶實時了解現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行故障并及時處理。

圖10  報警顯示界面

5 系統(tǒng)特點

    簡便的操作模式，只需要在觸摸屏操作界面按下正轉(zhuǎn)起動、正轉(zhuǎn)停止、反轉(zhuǎn)起動、反轉(zhuǎn)停止按鈕，即可實現(xiàn)水泵的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制。

    系統(tǒng)運(yùn)行可靠，提供楊樹浦泵站系統(tǒng)主要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)報警記錄顯示，便于操作人員對于故障報警和事故狀態(tài)進(jìn)行應(yīng)急處理。

    完善的數(shù)據(jù)采集及邏輯控制，實現(xiàn)楊樹浦泵站的全部儀表數(shù)據(jù)采集和機(jī)電設(shè)備的自動化控制，泵站的控制由PLC實現(xiàn)，數(shù)據(jù)由PLC采集傳送至后臺監(jiān)控。

    安全運(yùn)行監(jiān)視，操作人員借助觸摸屏系統(tǒng)人機(jī)界面，監(jiān)視泵站的現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)，并實時顯示，便于設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變時及時進(jìn)行分析和處理。

    實現(xiàn)自動控制，減輕泵站運(yùn)行人員的勞動強(qiáng)度，提高安全運(yùn)行水平^[4]。

6 結(jié)束語

    PLC是泵站自控系統(tǒng)*的部分，能夠?qū)崿F(xiàn)泵站系統(tǒng)的自動化控制，通過PLC為楊樹浦泵站自動控制提供自動控制的條件，體現(xiàn)了自動化的發(fā)展趨勢，PLC在泵站中主要是提升控制系統(tǒng)自動化的運(yùn)行水平，能夠結(jié)合現(xiàn)場控制工藝要求，提出自動處理的方式，確保水泵運(yùn)行的可靠性，因此，泵站自控系統(tǒng)在楊樹浦泵站自動化的建設(shè)方面，發(fā)揮主要作用，體現(xiàn)自動控制的勢。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介

趙娜，女，本科。任職單位：現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司