小型泵站无人值守PLC自动控制系统
日期：2009-11-17 10:15:13 点击：
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引言
总装机容量1000kW以下的小型泵站在农田水利、防洪排涝泵站中占有相当大的比例，采用传统的单机控制和集中控制方式，运行管理成本较高，尤其在装机容量100kW以下的农田灌溉和作物喷管工程中的群布式小型泵站，使用人工值守运行，运行人工费用占运行成本较大比例。为了降低小型泵站运行费用，提高小型泵站的自动化程度，根据小型泵站的运行工艺特点，采用可编程序控制器（PLC）进行控制，通过设定运行程序对整座泵站进行运行和监控，实现半无人值守或无人值守。通过无线传输设备联网，可以实现数十公里范围内多泵站无人值守泵站群控运行，大大降低小型泵站运行人工费用，让有限的运行费用更多的用于泵站设备改造、维修和维护，更有效提高泵站设备完好率和可用保证率。
一、数据自动采集与检测
数据自动采集与检测主要分为两类；模拟量数据和数字量数据。
模拟量检测的数据主要有：水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、流量；数字量检测的数据主要有：水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电磁阀状态、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力。
数据自动采集主要由PLC实现，PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，将水位变化信号进行转换处理，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，控制排水泵的启停。电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器与变送器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，超限报警，以避免水泵和电机损坏。PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理的条件和依据，控制排水泵的启停。
在数据采集过程中，模拟量信号的处理是将模拟信号变换成数字信号（A/D转换），其变换速度由采样定律确定。一般情况下，采样频率应为模拟信号中最高频率成分的２倍以上，这样经A/D变换的精度可完全恢复到原来的模拟信号精度。A/D变换的精度取决于A/D变换器的位数。同时，PLC所采用的A/D模块均以积分方式变换，可使输入信号的尖峰噪音和感应噪声平均化，适用于噪音严重的工业场所。
二、系统功能及特点
（１）、PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序结构具有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。
（２）、系统根据水位和压力控制原则，自动实现水泵的轮换工作，延长了水泵的使用寿命。
（３）、系统可根据投入运行泵组的位置，自动选择启动就近的真空泵，若在程序设定的时间内达不到真空度，便自动启动备用真空泵。
（４）、系统根据电网负荷和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段，以“避峰填谷”原则确定开、停水泵时间，从而合理地利用电网信息，提高矿井的电网运行质量。
（５）、PLC自动检测水位信号，计算单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行。
（６）、在触摸屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障画面自动弹出，故障点自动闪烁。具有故障记录，历史数据查询等功能。
（７）、系统具有通讯接口功能，PLC可同时与触摸屏及地面监测监控主机通讯，传送数据，交换信息，实现遥测遥控功能。
（８）、系统保护功能有以下几种。
超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及PLC实现超限报警。
流量保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值，通过流量保护装置使本台水泵停车，自动转换为启动另一台水泵。
电动机故障：利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障，并参与控
电动闸阀故障：由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障，并参与水泵的联锁控制。
（９）、系统控制具有自动、半自动和手动检３种工作方式。
三、 系统方案
1、生产流程分析
以一座装机容量为6台37kW的某小型排涝抽水泵站为例，其作业流程如图1所示。
该类型泵站主要以水泵轮流循环作业，根据泵站进水前池来水量及水位高低，自动调整投运水泵数量，保持进水前池水位处于一个相对稳定的预定设定点。
2、工艺流程对系统的要求
（1）、 水泵启动数量、运行时间：根据进水前池来水量及进水前池水位确定启动水泵数量和运行时间。
（2）、水泵的启停、循环：要求系统能够实现在不需要6台水泵同时开机运行的情况下，以每一时段分别增、减1台水泵的方式实现一个循环周期内每台机组开停机时间相同，避免有的机组连续工作时间过长，有的机组运行时间过少，有效避免有的机组过度磨损，有的机组则长期停机的情况。
（3）、电气控制：要求水泵不能在过短时间内频繁启停，影响配电系统稳定。在水泵启动及运行过程中均有可靠、合理的过载、过流保护，具有低水位保护、高水位报警、大来水流量预警、水位连续测量功能。
3、系统结构
系统主要由：PLC主控模块，电源模块，触摸显示屏，开关量、模拟量输入、输出模块，现场仪表以及其他辅助设备组成。结构见图2。
（1）、 PLC主控模块：负责发出和接收各种运行程序指令，是整个控制系统的中枢部分，要求具有高可靠性和稳定性。
（2）、电源模块：稳定可靠的电源供应是整个系统安全、可靠运行的重要条件，要求电源模块稳定、可靠，留有一定的功率余量。
2.3.3 触摸显示屏：触摸显示屏是整个系统中人机对话的界面设备，要求耐用、美观，能清晰显示各种运行、设定等信息。
2.3.4 开关量、模拟量输入、输出模块：该部分是PLC装置正确接收信息和发出指令的关键设备，要求有高可靠性、稳定性，能实现某些电、磁的隔离功能。
2.3.5 现场仪表：PLC系统通过接收现场仪表设备发出的信号判断被控制设备的运行状态，以及是否适于设备运行的运行环境条件，因此要求现场仪表设备具有高可靠性和稳定性、精确性。
2.3.6 其他辅助设备：辅助设备如冷却风扇、UPS不间断电源等是完善整个系统所必须的，对提高系统的可靠性和使用寿命有较大的帮助。
2.4 系统选型方案实例
以已投入运行的某防洪排涝泵站为例，主控模块选用三菱FX2N-48MR型PLC模块；开关量扩展模块和模拟量扩展模块分别选用三菱FX2N-16EX和FX2N-4AD型；触摸屏选用10英寸16色彩色触摸屏。接线原理见图3。
4 结束语
可编程序控制器（PLC）小型自控系统具有造价低廉，可靠性高，能耗低，适用于各种环境条件下运行等优点，并且在系统硬件组成不变的情况下通过更改软件设置来适应多种工艺运行方式的需要，是传统继电器控制的理想替代品。尤其在农田水利系统的小型泵站中实现无人值守或半无人值守具有广阔的应用前景和应用价值。
参考文献：
［1］徐晓松,钱存元,谢维达.异步电动机泵控软起动器的软停控制[J].电力电子技术,2001,35（3）
［2］薛均义,姚燕南.微机控制系统及其应用[M].西安:西安交通大学出版社,1993
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
总装机容量1000kW以下的小型泵站在农田水利、防洪排涝泵站中占有相当大的比例，采用传统的单机控制和集中控制方式，运行管理成本较高，尤其在装机容量100kW以下的农田灌溉和作物喷管工程中的群布式小型泵站，使用人工值守运行，运行人工费用占运行成本较大比例。为了降低小型泵站运行费用，提高小型泵站的自动化程度，根据小型泵站的运行工艺特点，采用可编程序控制器（PLC）进行控制，通过设定运行程序对整座泵站进行运行和监控，实现半无人值守或无人值守。通过无线传输设备联网，可以实现数十公里范围内多泵站无人值守泵站群控运行，大大降低小型泵站运行人工费用，让有限的运行费用更多的用于泵站设备改造、维修和维护，更有效提高泵站设备完好率和可用保证率。
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一、数据自动采集与检测
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数据自动采集与检测主要分为两类；模拟量数据和数字量数据。
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模拟量检测的数据主要有：水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、流量；数字量检测的数据主要有：水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电磁阀状态、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力。
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数据自动采集主要由PLC实现，PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，将水位变化信号进行转换处理，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，控制排水泵的启停。电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器与变送器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，超限报警，以避免水泵和电机损坏。PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理的条件和依据，控制排水泵的启停。
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在数据采集过程中，模拟量信号的处理是将模拟信号变换成数字信号（A/D转换），其变换速度由采样定律确定。一般情况下，采样频率应为模拟信号中最高频率成分的２倍以上，这样经A/D变换的精度可完全恢复到原来的模拟信号精度。A/D变换的精度取决于A/D变换器的位数。同时，PLC所采用的A/D模块均以积分方式变换，可使输入信号的尖峰噪音和感应噪声平均化，适用于噪音严重的工业场所。
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二、系统功能及特点
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（１）、PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。该程序结构具有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。
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（２）、系统根据水位和压力控制原则，自动实现水泵的轮换工作，延长了水泵的使用寿命。
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（３）、系统可根据投入运行泵组的位置，自动选择启动就近的真空泵，若在程序设定的时间内达不到真空度，便自动启动备用真空泵。
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（４）、系统根据电网负荷和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段，以“避峰填谷”原则确定开、停水泵时间，从而合理地利用电网信息，提高矿井的电网运行质量。
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（５）、PLC自动检测水位信号，计算单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行。
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（６）、在触摸屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障画面自动弹出，故障点自动闪烁。具有故障记录，历史数据查询等功能。
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（８）、系统保护功能有以下几种。
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超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及PLC实现超限报警。
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流量保护：当水泵启动后或正常运行时，如流量达不到正常值，通过流量保护装置使本台水泵停车，自动转换为启动另一台水泵。
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电动机故障：利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障，并参与控
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电动闸阀故障：由电动机综保监视闸阀电机的过载、短路、漏电、断相等故障，并参与水泵的联锁控制。
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（９）、系统控制具有自动、半自动和手动检３种工作方式。
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三、 系统方案
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1、生产流程分析
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以一座装机容量为6台37kW的某小型排涝抽水泵站为例，其作业流程如图1所示。
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该类型泵站主要以水泵轮流循环作业，根据泵站进水前池来水量及水位高低，自动调整投运水泵数量，保持进水前池水位处于一个相对稳定的预定设定点。
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（1）、 水泵启动数量、运行时间：根据进水前池来水量及进水前池水位确定启动水泵数量和运行时间。
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（2）、水泵的启停、循环：要求系统能够实现在不需要6台水泵同时开机运行的情况下，以每一时段分别增、减1台水泵的方式实现一个循环周期内每台机组开停机时间相同，避免有的机组连续工作时间过长，有的机组运行时间过少，有效避免有的机组过度磨损，有的机组则长期停机的情况。
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（3）、电气控制：要求水泵不能在过短时间内频繁启停，影响配电系统稳定。在水泵启动及运行过程中均有可靠、合理的过载、过流保护，具有低水位保护、高水位报警、大来水流量预警、水位连续测量功能。
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3、系统结构
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系统主要由：PLC主控模块，电源模块，触摸显示屏，开关量、模拟量输入、输出模块，现场仪表以及其他辅助设备组成。结构见图2。
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（1）、 PLC主控模块：负责发出和接收各种运行程序指令，是整个控制系统的中枢部分，要求具有高可靠性和稳定性。
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（2）、电源模块：稳定可靠的电源供应是整个系统安全、可靠运行的重要条件，要求电源模块稳定、可靠，留有一定的功率余量。
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2.3.3 触摸显示屏：触摸显示屏是整个系统中人机对话的界面设备，要求耐用、美观，能清晰显示各种运行、设定等信息。
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2.3.5 现场仪表：PLC系统通过接收现场仪表设备发出的信号判断被控制设备的运行状态，以及是否适于设备运行的运行环境条件，因此要求现场仪表设备具有高可靠性和稳定性、精确性。
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2.4 系统选型方案实例
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以已投入运行的某防洪排涝泵站为例，主控模块选用三菱FX2N-48MR型PLC模块；开关量扩展模块和模拟量扩展模块分别选用三菱FX2N-16EX和FX2N-4AD型；触摸屏选用10英寸16色彩色触摸屏。接线原理见图3。
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可编程序控制器（PLC）小型自控系统具有造价低廉，可靠性高，能耗低，适用于各种环境条件下运行等优点，并且在系统硬件组成不变的情况下通过更改软件设置来适应多种工艺运行方式的需要，是传统继电器控制的理想替代品。尤其在农田水利系统的小型泵站中实现无人值守或半无人值守具有广阔的应用前景和应用价值。
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参考文献：
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［1］徐晓松,钱存元,谢维达.异步电动机泵控软起动器的软停控制[J].电力电子技术,2001,35（3）
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［2］薛均义,姚燕南.微机控制系统及其应用[M].西安:西安交通大学出版社,1993
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