基于PLC的污水泵站远程监控系统研究

基于PLC的污水泵站远程监控系统研究

【摘要】本文从污水泵站系统结构介绍、污水泵站工艺流程监控、监控系统的选择、监控系统的分布、监控系统的组成和监控系统的功能几个方面对PLC 技术在污水泵站远程监控系统做了详细的分析和研究，通过研究对污水泵站的装置和运行给以理论指导。

【关键词】污水泵站PLC 远程监控系统研究

传统的污水泵站处理系统性能比较差，数据信息不齐全，系统容易出错，管理和操作难度大，无法及时准确的掌握污水泵站的工作情况，形成了高成本，低智能的情况。采用可编程控制器（PLC）有效的提高污水泵站运行能力，降低了成本，使系统运行更加可靠、安全和稳定。

1 污水泵站的系统结构

污水泵站将生活污水和雨水通过收集管网汇入具有调节来水量与抽升量之间平衡功能的污水池内，避免了水泵启动过于频繁。在隔间过滤掉颗粒大的悬浮物后，利用投入式液位仪检测集水池内水位，通过远程监控系统控制潜水泵的启停，当污水池内污水位达到一定体积时，通过污水泵站抽取、输送到污水处理厂。从图1中可以看出，各子泵站负责区域内的工业污水、生活污水和雨水收集、抽取、排放、输送，所以各泵站都应具备根据当地实际情况和可能出现的突发情况及时做出相应的处理，各子泵站与中央控制站之间的污水处理能力和协调能力，都将直接影响城市的排污、废水回用的效果。

2 监控系统的选用

集散控制系统即所谓的分布式控制系统（DCS），是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了自动化、计算机，通信等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。它是以微型处理器为基础，通过通信链路与操作系统连接起来的自动控制系统。污水泵站的管理控制中按照分级分散原则组成，地理位置上纵向分为若干级，而每一级又可在横向上分为若干子系统，每个污水工作泵站是一个独立的子系统自动控制单元，它可以独立执行整个自动控制系统总任务中的一项任务。

3 监控系统的分布

污水处理控制系统的合理设计能提高系统的稳定性和可靠性。如图2所示，控制系统的总体分布为3大部分：主控室、配电室、现场部分。主控室设备主要包括上位机与PLC柜，他们之间有一定的距离。现场部分主要为现场执行设备，如果主控室与控制设备距离较远，可以把PLC从站（或远程I/O模块）置于现

场，这可以节约大量的传输线，同时也保证了信号传输的质量。不论是现场设备或主控室，都需要现场配电柜的支持，同时对配电柜配备相应的保护装置。

（1）上位机。上位机操作站主要完成人机交互即对系统中各类参数的设置、监视、数据保存等操作以及显示流程图画面、工艺流程、设备生产运行情况。可以在流程图画面上对现场设备进行手动操作，发出控制指令。生产过程的运行数据可以进行历史存储。操作具备开发软件及网络通信接口。上位机采用工业控制计算机，与普通微机相比，它有更高的可靠性和稳定性。

（2）PLC柜与UPS柜。PLC柜安装PLC、UPS等部件。它完成全部现场工艺参数信号的采集和控制。PLC柜内装有S7-300控制器，由CPU卡、电源卡及拆卸式DI、DO、AI、AO模块组成，要求能方便地进行扩充和操作维护。其输入模块的信号类型可由程序进行选择，输出模块具有直接功率输出功能，能完成各种常规及复杂的控制回路PLC输出用OMRON隔离器进行隔离，PLC本身配有通信接口以便于上位机联系。PLC柜上还装有急停按钮，用于紧急情况下的停机操作。

（3）现场配电柜。现场配电柜的功能有，一是进行现场的手动操作，二是与各个远程I/O站连接，将各个设备状态信号传给PLC。现场手动操作具有比中央控制器更高的优先权，只有将状态开关打到自动控制，自动控制程序才起作用。

4 监控系统的组成

4.1 监控系统的硬件组成

除上位机和PLC之外，控制系统还应包括上位机和PLC的通信部分。监控系统各组成部分的选取可根据监控系统的功能及实际情况来决定，并为了将来实现功能扩展而进行硬件上的预留。根据控制系统总体方案，其硬件组成可分为以下几个方面：（1）上位机（IPC）。上位机主要完成人机界面（HMI）的交互功能。（2）通信链路。通信链路负责上、下位机之间以怎样的方式进行通信，介质如何选择。（3）可编程控制器PLC。PLC是控制系统的关键环节，执行用户的控制程序。（4）控制总线。控制总线以一定方式来传输现场信号。（5）分布式I/O。PLC与信号模块的接口模块。（6）信号模块。用于PLC与现场执行机构之间信号的传递。

4.2 控制系统硬件的选用。

（1）上位机在控制系统中侧重于管理。上位机的功能可分为服务器和客户机，二者对可靠性的要求不同。在中小型监控系统中，所有功能都集中在一台计算机中，没有服务器和客户机之分。上位机一般情况下要安装组态软件，主要完成设备状态监视、现场数据记录、报警显示、趋势曲线绘制、工业参数设置等，是人机交互的主要手段。

（2）PLC为控制系统的核心，这里选择应用广泛的S7-200，程序容量属大

中规模，对二进制和浮点数有较高的处理性能。它有两个DP口，与总线连接简单，并且可以方便地扩展为冗余配置。CPU315-2DP需要配置电源，选择PL307-5A，CPU315-2DP带有128K集成式RAM，不能扩展。FB、FC、DB、OB的最大容量都为16KB，FB、FC最大模块数为2048。

DB最大块数为1023。可以处理最大模拟量I/O总数为1024个，最大数字量I/O总数为16384个。它有PROFIBUS-DP主站/从站接口，可用于建立分布式I/O和大规模I/O配置，并且可以通过CP通信卡来扩展其DP接口。（3）控制总线用于连接现场设备，它有多种连接方式可供选择，PROFIBUS-DP是用语现场层的数据高速传送，它使用OSI参考协议的第一、二层。在同一PROFIBUS-DP 总线上，最多可连接126个站点，系统配置的描述包括站数、站地址、输入/输出地址、输入/输出数据格式、诊断信息格式及所使用的总线参数。每个DO口的状态均在控制单元面板上由LED灯显示；所有I/O电路应具有抗干扰措施及自动保护手段，并且当一个I/O口出现故障时，其它I/O口不受影响，I/O口与内部线路以及机壳之间有电隔离措施。

5 监控系统功能

每个污水泵站采用专用监控器对本站的生产过程进行监制。根据现场泵数量，设计为循环启泵工作模式，以此达到控制每台泵的工作效率，控制方式设计为现场手动控制方式和自动控制方式，以自动控制方式为主。自动控制方式又分为全自动控制方式和远程手动控制方式。自动控制方式下，通过液位计监测污水液位情况，当水位在50%（或指定液位）时，起动其中一台提升泵，完成提升作用。单泵的启动顺序为A泵、B泵、C泵，在污水量较大时，一台泵不能完成排水量，自动增加泵的台数。当水位回落到50%以下时，停一台提升泵。当水位回落到20%以下时，停最后一台泵。运行期间，管道内压力信号做为故障诊断的条件之一。在提升泵启动和运行期间出现无法启动或偷停故障后，远程客户端可接收到现场控制器发出的报警信号，通知值班人员进行维修。具体控制为：加泵时发出开泵信号后，如在20秒内没有检测到其运行信号则切换到另外一台泵，开启阀门信号发出后，如1.5分钟内没有检测到已开到位信号则要关闭该阀门，并停止对应的水泵；减泵时，关闭阀门信号发出1.5秒后，无阀门关到位信号则要强行停止对应的水泵；在此异常情况下，要置位相关报警位，同时解除相应的启动命令，并将相关设备设为不可自动控制，直至故障消除人为复位后，相关设备方可参与自动控制。可根据进一步扩充功能的需要，在上位监控机上将每台水泵及对应的出水阀门设置为远程遥信模式。

参考文献：

[1]刘欣，彭悦勇.基于PSTN的低成本远程监控系统电子技术[J].2002，13（2）：42-43.

[2]钟肇新，彭侃.可编程控制器原理及应用（第二版）[M].华南理工大学出版社，1999.