摘 要：可編程序控制器以其獨有的特點，在工業(yè)控制自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，它既可檢測和處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，還可實現(xiàn)對現(xiàn)場自動化設(shè)備的控制。本文介紹了A-B公司SLC 5/05系列PLC，及其在江濱泵站自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用;介紹了PLC的硬件軟件設(shè)計及上位監(jiān)控 軟件所實現(xiàn)的功能。實際運行表明：設(shè)計符合控制要求，系統(tǒng)運行可*性高、效率高。
江濱泵站是鎮(zhèn)江市污水截流工程中的核心泵站，該泵站附近地區(qū)的污水和其它泵站的污水匯集到江濱泵站后，經(jīng)排污泵加壓提升再輸送到污水處理廠。江濱泵站運行可*性的高低直接關(guān)系到鎮(zhèn)江市污水處理廠的安全可*運行，本文應(yīng)用A-B(Allen-Bradley)公司的SLC500系列 PLC(Programmable Logic Controller，可編程序邏輯控制器)實現(xiàn)江濱泵站的自動控制，并通過以太網(wǎng)接口與上位監(jiān)控管理軟件相結(jié)合，提高了系統(tǒng)的可*性和運行效率。
1 泵站工藝流程和控制對象簡介
江濱泵站工藝流程簡圖如圖1所示。圖中格柵機的作用是將水中較大的固體垃圾抓取到和過濾后經(jīng)皮帶輸送機輸送到垃圾箱;橋式刮砂機定時將沉砂池中的細(xì)小固體顆粒刮至排砂泵處，排砂泵將砂水混合物輸送至砂水分離器，砂水分離器將細(xì)小的固體顆粒與水分離，水進(jìn)入集水池、固體顆粒進(jìn)入垃圾箱;集水池部分 的作用是蓄集污水，并通過潛水泵將污水輸送至污水處理廠。
江濱泵站的控制對象主要由三個相對獨立的部分組成：格柵池、沉砂池和污水集水池，此外還有兩個過江管道。格柵池部分有三個水道，共有六個進(jìn)/出 水閘門(啟閉機)、三臺細(xì)格柵機、一臺粗格柵機(共用)和一臺皮帶輸送機(共用);沉砂池部分有四個水道，分為兩組，共有兩臺橋式刮砂機、四臺排砂泵、兩臺砂水分離器和四個進(jìn)水閘門;污水集水池部分有兩個集水池，兩者之間有一連通閘門(不參與自動控制，正常情況下，該連通閘門處于開啟狀態(tài))，每個集水池有三臺污水泵，共六臺(四臺配置了軟啟動器、兩臺配置了變頻器)，十二個電動閥門(泵進(jìn)出/水閥門);此外，兩個出水總管各有一個閥門，共兩個閥門。
2 泵站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介
泵站控制系統(tǒng)由PLC、低壓控制屏、MCC柜及外圍電氣設(shè)備(如格柵機、閥門、泵等)組成，并通過以太網(wǎng)與中控室相連，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
PLC是整個系統(tǒng)自動控制的中樞，它負(fù)責(zé)對泵站設(shè)備運行和工作狀態(tài)的采集、與中控室監(jiān)控系統(tǒng)通信、實現(xiàn)相關(guān)的控制;低壓控制屏用以控制功率較小 的泵、閥、格柵等設(shè)備，設(shè)備的運行狀態(tài)通過低壓控制屏輸入PLC的開關(guān)量輸入模塊，相應(yīng)的PLC輸出開關(guān)量通過低壓控制屏對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制;MCC柜用 以控制220KW的大功率排污泵，泵的運行狀態(tài)通過MCC柜輸入PLC的開關(guān)量輸入模塊，六臺泵分別配有軟啟動器或變頻器，通過現(xiàn)場總線 DeviceNet與PLC相連，PLC通過現(xiàn)場總線模塊可讀取變頻器、軟啟動器的運行狀況及實現(xiàn)變頻調(diào)速和軟啟動器參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置;集水池水位、出水流 量、出水管道壓力、PH值、溫度等信號由現(xiàn)場傳感器直接接入PLC的模擬量輸入模塊。
3 PLC硬件設(shè)計
SLC500系列PLC具有大型PLC的功能，小型PLC的價格和不斷擴充的控制能力和通信能力，可隨時滿足工業(yè)控制中的各種要求。由羅克韋爾 自動化公司所屬的A-B公司生產(chǎn)，包括模塊化處理器、輸入輸出模塊、特殊功能(專用)模塊、電源、框架等。產(chǎn)品目錄號為1746和1747系列，采用框架 式結(jié)構(gòu)，為在不同的工業(yè)現(xiàn)場使用提供了穩(wěn)定的可*平臺。其中SLC 5/05系列PLC是SLC500 系列PLC中支持以太網(wǎng)通信的PLC。
3.1 處理器的選擇
根據(jù)鎮(zhèn)江市污水收集自動控制系統(tǒng)需通過以太網(wǎng)實現(xiàn)城域網(wǎng)的構(gòu)建，首先確定處理器為支持以太網(wǎng)通信的SLC 5/05系列，再根據(jù)I/O點數(shù)等估 算存儲容量并選型。本設(shè)計中選用的是有以太網(wǎng)接口、支持塊傳輸指令的16K存儲容量的1747-L551B處理器模塊。
3.2 輸入/輸出模塊的選擇
根據(jù)江濱泵站的控制對象、檢測參數(shù)及控制要求，統(tǒng)計PLC的I/O點數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計的I/O點數(shù)，考慮價格、備用模塊通用性及留有10%～15% 的裕量，本設(shè)計中選用了2個四通道模擬量輸入模塊1746-NI8，20個16點直流24V開關(guān)量輸入模塊1746-IB16和6個交流240V繼電器輸 出模塊1746-OW16。
3.3 框架和電源的選擇
1)框架選擇 由上述所選擇的輸入/輸出模塊選用3個10槽的框架，框架間通過框架擴展電纜1746-C9實現(xiàn)互連。
2)電源選擇 根據(jù)文獻(xiàn)[2][4]中的方法計算并選擇電源模塊，在編程環(huán)境中進(jìn)行I/O組態(tài)(IO Configuration)時，可利 用 Power Suplly校驗電源是否滿足要求。本系統(tǒng)中所用電源為1746-P4。
3.4 現(xiàn)場總線模塊選擇
江濱泵站的六臺潛水泵的功率均為220KW，為了減小啟動沖擊電流和減少泵的啟停次數(shù)，其中四臺泵配置了軟啟動器、兩臺泵配置了變頻器，軟啟動 器和變頻器都支持DeviceNet現(xiàn)場總線通信，通過與軟啟動器和變頻器的通信可實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的讀取、修改及泵的調(diào)速，本設(shè)計中選用了 DeviceNet模塊1747-SDN。
4 PLC程序設(shè)計
4.1 控制要求
1)格柵池部分 根據(jù)三種運行模式(白天、夜間、暴雨)，細(xì)格柵機輪值(輪值時間可在上位機上設(shè)定)或全部參與運行;粗格柵機在有細(xì)格柵機運行 的水道之間自動輪值(由其自身PLC根據(jù)外部井位選擇輸入實現(xiàn));水道切換時，新投入運行的格柵機正常運行后，原運行格柵機根據(jù)運行模式停止運行或繼續(xù)運 行(如：1、2轉(zhuǎn)換為1、3或2、3);細(xì)格柵機運行采用定時控制方式，定時時間可在上位機上設(shè)置，水道切換時選擇設(shè)備無故障且運行時間最短的格柵機所在 的水道;白天運行模式時，投運兩個水道;夜間運行模式時，投運一個水道;暴雨運行模式時三個水道同時投入運行;白天、夜間運行模式根據(jù)切換時間點(可在上位機上設(shè)定)自動切換;正常(白天、夜間)運行模式和暴雨運行模式的切換在上位機遙控完成;皮帶輸送機與細(xì)格柵機聯(lián)動，只要有一臺細(xì)格柵機運行，皮帶輸送 機就運行(由外圍電氣控制實現(xiàn));在格柵機故障的情況下，關(guān)閉故障格柵機對應(yīng)的進(jìn)水閘門，同時置位相關(guān)報警信息位。
2)沉砂池部分 正常時兩組刮砂機組同時工作，投入運行時先啟動排砂泵，然后啟動砂水分離器，在排砂泵運行后，再打開對應(yīng)的進(jìn)水閘門，然后周期(時間可上位設(shè)置)啟停橋式刮砂機;若排砂泵故障，則關(guān)閉對應(yīng)的進(jìn)水閘門;若某刮砂機故障，則關(guān)閉對應(yīng)的兩個進(jìn)水閘門;投入運行的排砂泵每隔1小時反復(fù)沖 洗一次，即停泵10秒后再開泵10秒，反復(fù)5次，以避免排砂泵管道堵塞;當(dāng)集水池水位連續(xù)2小時低于2.6米時，未使用水道排砂泵暫停運行，直至水道恢復(fù) 工作或水位再次高于2.6米。
3)污水集水池部分 污水泵的進(jìn)水閥在自身、對應(yīng)泵和對應(yīng)出水閥無故障的情況下，長期處于開啟狀態(tài)，不參與自動控制，但可在上位機上根據(jù)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控;在兩過江管道閥門有一個全開的情況下，根據(jù)水位和可參與自動運行的泵的臺數(shù)，確定污水泵的運行臺數(shù);正常情況下，第一臺啟動變頻泵，然后根據(jù) 水位的上升情況遞加軟起泵，兩臺變頻泵之間輪值，四臺軟啟動泵之間輪值;在變頻泵工作水位段，變頻泵一直工作，在需增加水泵時，先啟動水泵再降低變頻泵轉(zhuǎn) 速，減泵時，先停泵再提高變頻泵轉(zhuǎn)速;加泵時，啟動無故障、未運行泵中運行累計時間最短的泵;減泵時，停運運行泵中累計運行時間最長的泵;某臺泵啟停2分 鐘內(nèi)，其它泵不可啟動(遠(yuǎn)程遙控?zé)o時間限制);某臺泵自停止運行起，10分鐘內(nèi)不可再啟動(遠(yuǎn)程遙控?zé)o時間限制);啟動時，先啟動泵，10秒后再開啟對應(yīng) 出水閥，停止時，先關(guān)閥門，閥門關(guān)閉后再停泵;加泵時發(fā)出開泵信號后，如在20秒內(nèi)沒有檢測到其運行信號則切換到另外一臺泵;泵啟動后開啟相應(yīng)的出水閥 門，開啟閥門信號發(fā)出后，如1分半鐘內(nèi)沒有檢測到閥門未全關(guān)信號則要關(guān)閉該閥門，并停止對應(yīng)的水泵;減泵時，關(guān)閉閥門信號發(fā)出1分半鐘后，若無閥門未全關(guān) 信號則要強行停止對應(yīng)的水泵并報警。
以上設(shè)備中除泵的出水閥外，其它設(shè)備均可上位設(shè)為遠(yuǎn)程遙控模式，進(jìn)行遙控。
4.2 程序設(shè)計
從前面的控制要求可知，江濱泵站的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，不僅PLC的輸入/輸出點數(shù)較多、控制邏輯復(fù)雜，而且有現(xiàn)場手動(相對獨立，PLC不參 與)、本地自動和遠(yuǎn)程遙控等工作方式。針對這種復(fù)雜情況，在程序設(shè)計時，首先確定程序的總體結(jié)構(gòu)，根據(jù)三個相對獨立的組成部分及通訊要求，將PLC程序按 工作方式和功能分為：主程序、格柵池部分子程序、沉砂池部分子程序、集水池部分子程序及通訊子程序。
主程序內(nèi)容主要包括：PLC自身的檢測和故障診斷(即“自診斷”)，以及初始化程序。初始始程序主要作用是一方面為啟動作必要的準(zhǔn)備，另一方面避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。
三個相對的獨立組成部分的子程序內(nèi)容主要包括：控制程序，檢測、故障診斷程序，保護(hù)、連鎖程序等。控制程序的作用是實現(xiàn)各個組成部分的控制要求，檢測、故障診斷程序的作用是實時檢測相關(guān)數(shù)據(jù)，為控制提供相關(guān)依據(jù)，并根據(jù)輸入的故障信號，確定故障點置位對應(yīng)的報警位或故障處理建議位;保護(hù)、連鎖 程序與控制程序相結(jié)合，以杜絕由于非法操作而引起的控制邏輯混亂，以保證系統(tǒng)運行安全、可*。
通訊子程序主要作用是實現(xiàn)PLC基于現(xiàn)場總線DeviceNet與軟啟動器、變頻器間的通信，PLC基于以太網(wǎng)與其它泵站PLC間及與上位機間 的信息交換。
5 上位監(jiān)控程序功能
本設(shè)計中應(yīng)用組態(tài)軟件Intouch 9.0進(jìn)行上位監(jiān)控程序設(shè)計，所設(shè)計的監(jiān)控程序在上位機上通過以太網(wǎng)交換機與泵站相聯(lián)，主要實現(xiàn)以下功能：
1）顯示鎮(zhèn)江市污水管道的管網(wǎng)圖、各泵站在鎮(zhèn)江市地理上的分布情況、各泵站的工藝流程、設(shè)備的運行情況、各泵站現(xiàn)場儀表的實時檢測值（如流量、液位、壓力、PH值等）、測量點（如流量、壓力、液位等）的實時趨勢曲線及歷史曲線、各泵站的電力系統(tǒng)狀態(tài)圖等。
2）實時顯示報警信息，并將報警記錄實時存入數(shù)據(jù)庫，可隨時查閱和打印。
3）可在監(jiān)控畫面上通過簡單操作實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和有關(guān)參數(shù)的設(shè)定。
4）自動生成主要設(shè)備的日/月運行報表、設(shè)備故障報表、巡更記錄報表等，并可打印。
5）可對視頻信號（攝像）統(tǒng)一管理及在工業(yè)控制計算機上進(jìn)行顯示。
6 結(jié)論
本文的創(chuàng)新點：將智能變頻器和DeviceNet現(xiàn)場總線應(yīng)用到污水泵的控制中，有效地減少了泵的啟停次數(shù)，通過DeviceNet直接讀取變頻器、軟啟動器中的電流、電壓、故障信息等相關(guān)數(shù)據(jù)，簡化了設(shè)計，并通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)了變頻泵的無級調(diào)速。
實際運行表明，江濱泵站PLC系統(tǒng)控制程序與應(yīng)用Intouch編寫的上位監(jiān)控界面相結(jié)合，實現(xiàn)了PLC本地自動控制、上位遠(yuǎn)程遙控、遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)等要求，完全滿足設(shè)計要求，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。
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