基于PLC的无人泵站全自动控制系统

摘要：泵站自动控制在工业自动化控制领域中相对比较简单，但在工程实际应用中无人值守泵站全自动控制却由于种种原因，在稳定性、功能性上存在一定的问题。本文结合实践给出一种无人泵站全自动控制方案，其控制模式多样化，具有智能保护、短信通知等功能，不但降低了巡检人员工作强度，而且能确保巡检人员及时发现泵站故障情况。

关键词：无人泵站；全自动控制；短信通知；泵站智能保护

1　引言

   无论是城市污水处理厂还是自来水厂，在其管网上都分布着许多的泵站。随着社会的发展，人工成本逐年上升，现在越来越多的泵站改为无人值守方式运行。目前无人值守泵站的自动控制系统有的采用浮球控制泵的启停，有的采用PLC根据液位或浮球控制泵组的启停，但很少泵站自动控制系统能利用泵组台时、泵组状态等综合分析出泵组的优先级，然后再根据液位设定值、泵组优先级选择启停泵组，进而形成完整的设备动作记录和故障短信报警功能。

   本文给出的这种无人值守泵站自动控制系统，以多年工程实践经验为基础，在增加极少投资的情况下，不但可确保泵站自动控制系统稳定运行，还可及时发现故障，进行事故追溯。

2　方案设计

2.1　方案架构

    本文以无锡市某泵站为例设计。该泵站共有三台水泵，自动控制系统采用罗克韦尔自动化的PLC作为核心，PLC通过RS485总线与数据记录模块（Drec）、短信汇报模块（Sms）连接。系统总体架构如图1所示。

   系统需采用UPS供电，并且短信汇报模块本身自带电池，与UPS形成双回路冗余供电，确保巡检人员及时收到故障信息。泵组常规监控信号（运行、故障、启动、停止、电流）和液位信号等通过电缆连接至PLC的IO模块，UPS的状态和进线电压信号也连接至PLC。监测进线电压主要用于泵站跳闸报警。同时PLC预留以太网接口，在需要的情况下可以通过专线或者GPRS连接至控制中心。

   数据记录模块主要通过总线获得泵站内泵组启停、泵组状态、液位信号等数据，并将这些数据按照事先约定编码在SD上以文本形式记录，在需要时可以直接导出为EXCEL表格。

   短信汇报模块可以设置为两种触发模式：常规汇报和异常汇报。常规汇报在每天8:00~18:00将每隔两个小时以短信方式发送一次泵站的当前运行状况；异常汇报在泵站出现故障时（进线跳闸、泵组异常、液位异常等）发送短信给巡检人员，便于巡检人员及时发现故障，降低故障的影响。

   这种设计方案与常规泵站自动化控制系统相比，仅仅在硬件方面增加了数据记录模块和短信汇报模块，对泵站自控系统建设费用的影响可以基本忽略不计。

2.2　控制模式

   无人泵站全自动控制系统的控制模式分为调试模式、液位联动模式、定时运行模式、液位自动模式四种。如图2所示，除调试模式外另外三种控制模式使用时都自动调用智能监测子程序保护系统安全运行。

   在使用中，用户可以在四种控制模式任意选择一种，当系统掉电重启后仍旧进入掉电前选择的控制模式。这四种控制模式都是通过PLC编程实现。

   调试模式又称手动模式，以点动方式控制各泵组启停，主要用于现场测试设备诊断、故障修复时的调试等。

   液位联动模式下分别为三台泵组设置不同的启停液位。在本方案液位分别设置为（3.40，1.20）、（3.00，1.00）、（2.50，0.80），即1#泵组在液位高于3.40米时启动，液位低于1.20米时停止。这种模式主要适用于三台泵组功率不一样的情况，本次施工泵站的三台泵组功率都相同，因此这种控制模式保留方便日后将控制程序整体移植到其他泵站。

   定时运行模式主要适用于泵站间歇进水或供水的情况下。在这种模式下设置最高警戒液位3.60米和最低警戒液位0.60米。当液位在这个区间之内，泵组将根据预先设定的时间启停，比如泵组在6:00~9:00、11:00~15:00、18:00~22:00运行，其余时间停止。在启动之前PLC将根据泵组运行台时、泵组状态等综合分析出泵组的优先级，然后启动优先级最高的泵组。运行到指定时间后停止该泵组。当下一次需要启动之前再次计算优先级并选择优先级最高的泵组启动。当液位超过警戒液位时，泵组按事先设定的保护动作进行启停，确保泵站设备安全。

   液位自动模式需要事先设定三个启动液位，如本方案中分别设置启动液位为2.50米、3.00米、3.40米，停止液位0.8米。当液位超过2.50米时启动优先级最高的泵组，启动失败后将该泵组优先级调至最低然后重新分析各泵组优先级，再启动优先级最高的泵组，直到启动成功。超过3.0米至启动优先级次高的泵组，启动失败后将该泵组优先级调至最低然后重新分析各泵组优先级，再启动优先级次高的泵组（此时优先级最高的泵组在运行）。液位自动模式是本泵站最常使用的控制模式。

2.3　智能监测保护

   该系统的智能监测保护子程序伴随着除调试模式以外的其他几种控制模式运行，和控制模式一样也是通过PLC编程实现。

   智能监测保护主要监测以下几个方面，首先是对进线电压进行监测，当进线缺相或者跳闸时形成报文供数据记录模块和短信汇报模块使用；其次监测泵组运行状态（电流、故障等），当泵组出现异常时（如三相电流不平衡、电流过大或过小等等）自动保护停止该泵组，并重新启动另外一台符合条件的泵组，同时形成报文供数据记录模块和短信汇报模块使用；另外液位监测保护主要是根据泵组运行情况、浮球状态、液位测量信号对泵井液位进行复核，当复核结果异常时（如正常浮球高信号时液位在3.00米，但液位计测量读数已经到3.20米浮球高信号仍旧没有监测到或者浮球高信号监测到但液位计测量液位才2.8米等等），形成报文供数据记录模块和短信汇报模块使用，同时根据预先设定进行异常保护处理。

3　系统实现

3.1 PLC系统编程

   PLC系统使用罗克韦尔自动化的RSLogix500软件编程。RSLogix500是具有结构简单，条理清晰，功能强大等优点。本泵站使用梯形图进行编程，图3给出了部分智能监测程序。

   在PLC编程时尽量考虑可移植性，同时将系统中控制逻辑等编写在PLC程序中。如图3所示当系统触发数据记录模块（B3:200/5置位）时，将需要记录的数据如泵组状态等放到一个连续的存储空间内，并将该连续存储空间内数据一次性写入给记录模块。

3.2　数据记录及短信汇报功能

   数据记录和短信汇报功能主要通过使用自主研发的模块实现，这两种模块使用AVR单片机开发，具有RS485接口并采用标准的Modbus协议通信。模块的硬件设计本文不再讲述，这里主要给出其原理及最终导出数据报表格式。数据记录主要根据PLC内的触发条件进行数据记录，存储介质采用SD卡，文件类型为TXT文本。数据记录为每天一个文档并采用编码方式记录。编码方法根据所需记录类型不同而变化，其中前两个数字表示记录类型，如设备启停记录编码格式为#【12】#【状态】#【液位】#【电流A】#【电流C】#【电流C】#【进线电压】#【日期】#【控制模式】#【泵组】，状态数据采用二进制编码，目前使用其低6位，剩余10为保留。设备启停记录的TXT文件内容可读性不强，这主要是因为单片机如果写入SD卡字符串比较复杂会增加很大的工作量，因而通过编码方式记录。用户可以使用数据记录模块配套的软件将记录的编码表示成可读报表，如某条记录编码为#12#3#255#36#35#36#392#141229143426#3#1#，通过软件读出后为图4所示红色圆圈标注部分。

    短信汇报功能主要利用sms短信发送泵站的情况，可以设置 为常规汇报和异常汇报。常规汇报主要定时发送泵站的运行情 况，异常汇报为泵站出现异常时发送短信。短信汇报模块采用AVR单片机开发，支持中文短信发送。

4　小结

   虽然泵站自动控制相对比较简单，但目前很多泵站的自动控制系统并不完善，究其原因主要有以下几个方面：首先自动化控制技术人员不但需要掌握编程技术还需要具有工作经验；其次目前许多自动化工程公司追求工程的快速而不注重人员的培养。本文给出的方案控制模式比较全，且具有很好的移植型（PLC编写程序时按照五台泵组编写）。而且一旦泵站出现故障将及时短信通知巡检人员，巡检人员到现场通过读取记录的数据能快速分析最近泵站运行情况，追溯故障发生前的状态。

参考文献：

[1]罗克韦尔自动化. RSLogix 500快速入门手册[Z]. 2006.

[2]罗克韦尔自动化. MicroLogix 1400可编程控制器指令集参考手册[Z]. 2010.

[3]张励. 泵站自动化系统中常见故障现象及处理方法[J]. 电气技术. 2013, 11.

[4]王文达. 浅谈我国泵站的自动化发展现状与趋势[J]. 科技创新与应用. 2013. 7.

作者简介

胡锡春（1981-），男，江西泰和人，工程师，本科，主要研 究方向为污水处理厂设备、自控管理。