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1、基于PLC的泵站监控的设计方案1 绪论1.1 本课题的研究意义 泵站在国民经济建设的各个领域中发挥着重要的作用，随着经济的进一步发展，人们必将对泵站的运行提出更高的要求，研究泵站监控并实现其高效运行是很有现实意义的。 实现泵站控制系统的自动运行会带来很大的益处，对减少泵站运行管理人员的数量有很大帮助。为泵站建立一个控制系统并改善其各方面的控制功能，达到泵站运行自动化的目的。泵站的自动化运行还能够带来稳定性和安全性的提升。PLC对现场的控制又是专门为在工业环境下应用而设计的工业计算机，具有高可靠性，编程简单，安装简单，维护方便等优点。再结合组态软件可以很好的完成对泵站的监控。1.2 国内外泵站的
2、发展现状 目前，国内中小型泵站机组的启动、运行和停车大多靠人工操作来完成，这种情况下不仅工作强度大，而且工作效率不高。近年来兴建的大型泵站中，大都设置了微机数据采集系统，但一般情况下还不能实现对运行过程的计算机控制。国内泵站的发展还存在以下问题: 缺乏统一的设计标准，系统扩展困难，随着计算机的普及，上世纪90年代以来，中国的许多行业开始采用计算机控制技术，泵站也不例外，但由于没有统一的标准，各设计院设计的泵站有很大的不同，缺乏统一的功能和技术规范使得系统扩展困难;不完善的系统设备，有些泵站使用的设备不完善，功能不全，就地控制单元和其他控制功能缺失;数据连接标准的缺乏，选择的元件和系统不匹配导致
3、数据无法交换，没有通信接口或接口协议之间出现矛盾，当控制系统发出一个信号，如温度信号，以及其他的水位监测元件的信号，若出现问题不能顺利传输数据,导致无法及时解决问题;泵站运行人员和技术人员严重短缺，技术人才严重短缺已成为一个普遍现象，泵站操作人员大多没有正规的专业教育和足够的专业培训，文化素质不高,计算机水平很有限，当自动化设备出现故障，泵站运行人员不能解决，导致泵站继续运行从而很可能演变成一个更大的问题，造成更加严重的后果。当要求设备生产商服务时，却发现自动化设备制造商之间激烈的市场竞争导致许多厂商已经倒闭，用户很容易会遇到找不到厂商服务的情况。 国外像荷兰、美国等国家，它们的泵站发展速度很
4、快，拥有非常先进的技术和更好的管理水平，有许多方面是我们可以学习和研究的。比如在泵的设计和安装方面，荷兰有世界著名的液压机械专家可以对泵站的各种装置的性能进行测试，包括水击计算，模型试验等。在机械方面，他们对计算和测量振动，监测泵的性能和噪声方面也很有研究。他们还广泛利用计算机，利用计算机辅助选择（CAS），计算机辅助设计（CAD），计算机辅助制造（CAM）等先进的技术；在泵的叶片方面，他们从液压，结构优化等方面进行设计，并对叶片的加工进行严格控制，在充分利用计算机这样一个在制造工艺上高度先进的设备的基础上进行设计工作。荷兰对研究的投资很高，研究实力很强，研究机构齐全，设施非常先进，对水泵和进
5、出口管道有一个较为系统的研究。完美的设计和制造，对提高机组的性能和增加水泵运行的安全性和稳定性很有帮助。美国拥有世界最大流量和扬程的抽水站埃德蒙斯顿泵站。它位于加利福尼亚中部圣华金河谷地区的南部郊区的贝克斯菲尔德，加利福尼亚南部的南水北调工程上的22个大型泵站总的绵延长度达到864公里（加利福尼亚整个特哈查比山脉南运河的水运到加利福尼亚北部）。埃德蒙斯顿泵站有14台泵，每个泵具有9m3/ s的流量，必须提供587m的静扬程（不包括管道损失），效率为92.2%，速度为600r / m（带电机），配套电机功率为80000马力（近60000千瓦）。泵的总流量为125m3s，配套的总功率为112万马力
6、，约600000万千瓦的年用电量。泵为立轴4级串联，高9.45m，转子直径4.88 m，重220吨。泵和电机直接相连,总高度近20米，重420吨。该项目于1951年提出方案，在1965年5月确定方案并于1971年9月正式施工,1984完成三个机组的最终安装，总投资约17500万美元。 国外在对泵站的管理方面有许多值得我们学习的地方： 1.国外泵站自动化程度高 国外水利工程在建设过程中对质量的要求非常严格。荷兰的泵站与业务管理之间的关系比我国更紧密，运营管理设计人员对泵站非常熟悉，他们与泵站管理单位在设计，生产，制造，测试，安装，调试，运行和维护等各个环节配合默契。国外泵站的状态都保养得很好，这
7、不仅提高了泵站运行的效率而且能大大延长泵站的使用寿命，减少事故的发生。 国内泵站的质量不是很好。国内的泵站，结构简单，制造质量普遍较差，很多泵站在建设过程中没有严格的质量监管系统，这不仅降低了泵站的运行效率，而且留下了许多隐患。 国外泵站的自动化程度很高，对泵站运行的各项指标进行长期跟踪，监控和记录，发现问题，随时可以解决。此外，自动化程度的增加会大大减少事故的发生，也减少了泵站管理人员。如美国，几十公里的水路，只有几个工作人员。而国内的大多数泵站由于建设时间较早，设备陈旧，自动化程度较低，往往采用经验主义管理并且缺乏定期的检修，导致运行成本的增加，带来不必要的经济损失。 2.国外泵站运行管理
8、人员素质高，分工明确 国外泵站运行管理人员只相当于我国的1/10，而且泵站能够在良好的秩序中保持长期运行。以荷兰为例，我们知道泵是泵站装配和维护的核心部件，泵站管理人员只负责小规模的检查维护工作，而大规模的检修工作由专业的公司来完成。这些劳动分工与合作方面的成功经验，值得我们认真研究和借鉴。 国外泵站拥有经验丰富的管理人员，他们能够在泵站运行过程中，及时发现问题，正确处理各种突发事件。而国内许多泵站管理人员素质差，专业技能低，地方保护主义严重，不注重管理人员的培训，导致泵站的管理水平很落后。 3.国外十分重视工程的维护并拥有足够的运营和管理资金 国外泵站清洁工作做得很好，一般都配有清洗专用设备
9、，这样可以确保泵站的安全运行，节能降耗，降低了泵的磨损，延长使用寿命。而国内的泵站，工作环境差，设施不齐全，许多都没有配备清洗设备，缺乏资金投入。 在运行和管理费用方面，国外泵站是国家资金的受益者，拥有足够的资金，所以有能力根据不同的要求进行翻新，维修和扩建。而在我国，很多泵站工程一次性投资完成后，缺少后期的投资，导致设施落后，使部分泵站不能达到应有的工作效率。此外，有些泵站在运行管理资金上的缺乏导致工人工资都得不到保障，就更不用说泵站的更新改造了。1.3泵站监控系统研究的发展趋势 实时监控系统在上个世纪90年代之前，是传统的，封闭的，它升级是非常困难的。近年来，随着计算机技术，图形化UI界面
10、技术，网络技术，传感器技术的飞速发展，系统的升级和扩展的问题，已经得到解决。从技术层面和可靠性的角度考虑，采用PLC+IPC这种控制方式而不是常规的控制系统，是泵站监控系统发展的必然趋势。 在泵站控制软件方面，采用组态软件开发将成为必然的趋势。组态软件是一种监测系统开发工具，通过简单形象的组态配置工作，就能构造出监控系统的结构和功能,这对于监控系统的设计和开发具有十分重大的意义。泵站监控系统与故障诊断的结合会更加紧密。监控系统与故障诊断技术有着不可分割的关系。在泵站监控过程中，如果发现泵站出现故障，故障诊断系统会自动判断故障类型，并给出措施，即使故障排除。泵站监控系统会朝着更加智能化的方向发展
11、。人们对控制系统性能的要求越来越高，而传统的控制系统已很难到达人们所要求的性能指标，而智能控制可以很好的完成这个任务。自动化是设计控制系统的核心目的，而智能控制是自动控制系统发展的高级阶段，如果把智能控制理论应用在泵站监控系统中，势必会带来让人惊喜的效果。1.4本课题的研究内容及方案 设计一套适合城市排水的基于PLC的泵站监控系统，以达到安全，高效的控制泵站运行的目的。具体包括：选择泵站监控系统所需要用到的各种传感器，以实现对流量、压力、液位等参数的测量；根据控制要求选择合适的PLC并进行硬件系统设计，包括PLC的选型、外电路的设计、不同控制方式的实现、plc编程等问题；结合MCGS组态软件，
12、实现更加可视化的监控。 方案:根据设计要求和实际情况，采用基于PLC的监控系统并辅以上位机组态软件的分布式控制系统。 此方案主要优点有： 可靠性和可维护性高； 编程方便、开发周期较短； 设计和施工周期短，调试修改方便。2 监控系统要求及设计方案2.1泵站监控系统的设计要求 泵站监控系统是实现对各个泵站设备的监测和控制功能，实现监测泵站运行的状态和运行参数，接收故障报警信息，并能够通过计算机下达控制信号，实现实时数据的显示和历史数据的统计等功能。具体要求如下：运行方式：手动操作和自动运行相结合。实时监控：实时监测系统工作流程，动态显示流程画面、自动监控整个系统的各种变量，包括水位、泵的启停、流量
13、、压力。用户界面：提供友好的监控界面。报警功能：实现系统的自动报警功能，并能够记录故障的时间等信息。数据显示：具有系统实时数据显示的功能。历史数据：能够实现对系统历史数据的统计和保存等功能。2.2泵站监控系统的总体设计方案 图2.1是泵站监控系统的系统构成图，此系统采用安装有MCGS的IPC作为上位机，PLC作为下位机。PLC与IPC通过PC/PPI电缆连接，采用PPI协议进行通讯。传感器通过现场电流、电压信号或RS-485数字通讯的方法来实现与PLC的连接。整个系统能够实现对泵站的监测和控制，能够满足监控系统的设计要求。图2.1 泵站监控系统的系统构成图3 监控系统的硬件设计部分3.1PLC
14、概述可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境设计。它采用了可编程程序的存储器，用来在其内部存储逻辑、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产过程；而有关的外围设备，都应按易于与工业系统连成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。PLC的种类很多，但它的结构和工作原理基本上是相同的，主要由CPU（中央处理器）、记忆模块、输入/输出单元、供电部分、扩展接口、通讯接口、编程设备、其他组件等部分组成。1、PLC的工作原理（1）与继电器控制系统的区别继电器控制系统是一种硬件逻辑系统，当电源被接通时，继电器控制电路处于受控状态，该闭合的
15、部分闭合，受到某种限制不能闭合的不闭合，它属于并行工作模式。而在PLC内部设备的各种循环扫描过程中，逻辑的，数字的输出结果都是按照在程序中的前后顺序计算得出，因此它属于串行工作模式。在控制系统的可靠性和可维护性方面，继电器控制系统使用的机械触点很多，连接线也很多。容易出现电弧，机械磨损，寿命较短，因此，在可靠性和可维护性表现一般。而PLC采用微电子技术，无接触，体积小，寿命长，开关动作次数由半导体电路完成，可靠性相当高。在控制速度方面，继电器控制系统依靠机械动作控制触点，工作频率低，打开和关闭行动是以毫秒为单位计算。此外，在机械触点动作时会出现抖动;而PLC是通过半导体电路的程序指令来实现控制，属于非接触式控制，速度一般在微秒数量级，而且不会出现抖动。（2）PLC工作方式PLC的工作过程可以分为三个部分。第一部分是加电处理。PLC系统加电后，需要进行初始化操作，包括硬件初始化，I/O模块配备检查，配置系统的各种参数等其他的初始化过程。第二部分是扫描过程。PLC加电过程处理完成后进入扫描过程后。需要对输入信号和与其他设备之间的通信进行处理，然后再次更新和刷新时钟和特殊寄存器。当CPU处于停止状态时，转入执行自诊断检查。当CPU处于运行模式时，还需要执行用户程序并对输出过程进行处理，再转入执行自诊断检查。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次，执行一次自诊断检查，确定PL
