楊啟堯,項(xiàng)國云,徐柳娟

(1.浙江水利水電?？茖W(xué)校,浙江 杭州 310018;2.浙江亞大科技發(fā)展有限公司,浙江 杭州 310012)

0 引 言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷提高,目前產(chǎn)生的工業(yè)污水和生活污水越來越多.而城市的各級(jí)污水泵站存在數(shù)量多、距離遠(yuǎn)等問題,原先采用的倚靠人工進(jìn)行對(duì)各級(jí)泵站進(jìn)行控制管理的方法存在效率低下、安全性差、成本高等缺點(diǎn),已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足城市發(fā)展的要求.在國內(nèi)近年來興建的大型泵站中,大都設(shè)有微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),但一般情況下還不能實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行過程的計(jì)算機(jī)控制[1].隨著PLC控制技術(shù)的發(fā)展,集散控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,采用集PLC自動(dòng)控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的自動(dòng)化系統(tǒng),才能將污水泵站的自動(dòng)化管理水平提升到新的高度.

1 控制系統(tǒng)工藝概況

浙江紹興縣城區(qū)(開發(fā)區(qū))泵站及中控系統(tǒng)自動(dòng)化改造工程為紹興縣污水治理系統(tǒng)工程之一,是解決紹興縣城區(qū)(開發(fā)區(qū))生活污水及部分印染污水排放問題而進(jìn)行的一項(xiàng)技改項(xiàng)目,污水匯集后經(jīng)柯西、中心、柯東等泵站輸送到污水處理廠.現(xiàn)排水公司所屬在運(yùn)城區(qū)(開發(fā)區(qū))泵站共計(jì)17座構(gòu)成了污水泵群.

1.1 泵站工藝流程

污水泵站的主要功能是將污水提升輸送到下一個(gè)泵站或污水處理廠.污水泵站內(nèi)主要工藝設(shè)備有啟閉機(jī)、格柵機(jī)、潛水泵、電動(dòng)閥,主要檢測(cè)工藝信號(hào)有集水池液位、出水總管壓力及綜合電量參數(shù)等.泵站運(yùn)行的工藝流程見圖1.

各企業(yè)排放的工業(yè)污水、城區(qū)的生活污水及上一級(jí)泵站輸送來的污水進(jìn)入集水池,在集水池和出水池之間通過一個(gè)啟閉機(jī)連接,當(dāng)啟閉機(jī)開啟時(shí),集水池內(nèi)的污水通過重力自流進(jìn)入出水池,當(dāng)該啟閉機(jī)關(guān)閉時(shí),集水井內(nèi)的污水與出水池不連通.

圖1 泵站控制工藝流程圖

在啟閉機(jī)后是格柵機(jī),格柵機(jī)的主要功能是過濾從集水池進(jìn)入出水池的污水,將漂浮在污水上的木條、布匹等雜物從污水中撈起,防止大體積的雜物進(jìn)入出水池堵塞潛水泵.潛水泵是整個(gè)污水泵站的核心設(shè)備,它安裝在出水池內(nèi),將出水池內(nèi)的污水提升輸送到下一級(jí)泵站.電動(dòng)閥安裝在每臺(tái)泵的出水管上,當(dāng)對(duì)應(yīng)的潛水泵運(yùn)行時(shí),該閥開啟,污水從出水池輸送到下一級(jí)泵站去;當(dāng)對(duì)應(yīng)的潛水泵停止時(shí),該閥需要關(guān)閉,防止出水管內(nèi)的水倒流進(jìn)入出水池.

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2,采用了第四代的集散控制系統(tǒng)(Distributed Control system簡(jiǎn)稱DCS)的四層結(jié)構(gòu),分為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、控制級(jí)、車間級(jí)、管理級(jí).該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示：現(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要是17座泵站的各種泵、電磁閥門、傳感器,同時(shí)還專門設(shè)計(jì)了圖像監(jiān)控系統(tǒng),負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集和監(jiān)控.控制級(jí)針對(duì)每一個(gè)泵站都采用獨(dú)立的PLC,負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的信號(hào)進(jìn)行控制.車間級(jí)相當(dāng)于中央監(jiān)控室,所有泵站的信號(hào)都采集到中央監(jiān)控室,由4臺(tái)工況監(jiān)控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)監(jiān)控.同時(shí)由3臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成圖像監(jiān)控系統(tǒng),負(fù)責(zé)各泵站現(xiàn)場(chǎng)的視頻監(jiān)控.最后一級(jí)是管理級(jí),上級(jí)管理人員可以通過遠(yuǎn)程訪問控制室了解現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的運(yùn)行情況.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是采用了虛擬專用網(wǎng)(VPN網(wǎng)絡(luò))的結(jié)構(gòu),向監(jiān)控中心傳送數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)和音頻信號(hào).同時(shí)監(jiān)控中心通過該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站的遠(yuǎn)程監(jiān)控[2].

2 控制系統(tǒng)的硬件組成

2.1 PLC的特點(diǎn)及配置

PLC采用美國A-B公司SLC 500系列的PLC模塊,型號(hào)為1747-L551.每套PLC控制系統(tǒng)由電源模塊、DI模塊、DO 模塊、AI模塊、AO 模塊、以太網(wǎng)通訊模塊等構(gòu)成.各泵站的受控工藝設(shè)備主要有啟閉機(jī)、格柵機(jī)、潛污泵、電動(dòng)閥等,受PLC控制的還有變頻器等,PLC需要檢測(cè)液位、壓力、流量以及電量參數(shù)等[3].

圖2 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

由根據(jù)該泵站的實(shí)際I/O點(diǎn)配置如下的 I/O點(diǎn),僅列舉一個(gè)站點(diǎn),即藍(lán)寶石泵站各信號(hào)類型的冗余量和冗余系數(shù)見表1.

表1 藍(lán)寶石泵站PLC配置點(diǎn)數(shù)

2.2 系統(tǒng)其他硬件

系統(tǒng)的其他硬件主要有圖象監(jiān)控服務(wù)器PowerEdge2800,圖象監(jiān)控機(jī)DELLPrecision380,泵站監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)服務(wù)器PowerEdge2800,泵站監(jiān)控機(jī)DELLPrecision470DT,屏幕控制PC機(jī)DELLPrecision380.現(xiàn)場(chǎng)還在每個(gè)污水泵站的控制柜上設(shè)立一個(gè)觸摸屏,采用美國A-B公司生產(chǎn)的2711-T10C20型觸摸屏.

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

程序采用模塊化設(shè)計(jì),先對(duì)污水泵站的運(yùn)行工藝進(jìn)行分解,針對(duì)不同的工藝設(shè)備和不同的操作功能編制不同的程序功能塊.各個(gè)功能塊之間相互獨(dú)立,若要進(jìn)行設(shè)備擴(kuò)展時(shí)極其方便.編程采用梯形圖(LAD)的方式.程序流程見圖3.

3.1 通訊處理程序

該功能塊主要用于實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)與多功能電量采集儀表間的通訊、與觸摸屏間的通訊、與上位機(jī)間的通訊.

3.2 參數(shù)及狀態(tài)檢測(cè)程序

該功能塊主要是采集工藝參數(shù)檢測(cè)儀表(液位計(jì)、壓力變送器等)檢測(cè)的工藝參數(shù)值,和各工藝設(shè)備的狀態(tài)值(如潛水泵的手/自動(dòng)信號(hào)、運(yùn)行信號(hào)等),并將這些檢測(cè)值進(jìn)行處理.對(duì)于采集的模擬量信號(hào),該功能塊首先要進(jìn)行程序處理,將采集的整型轉(zhuǎn)變成便于理解的實(shí)數(shù)型,然后放置在指定的內(nèi)存中,供其它程序訪問.本功能塊主要檢測(cè)的模擬量參數(shù)為出水池的液位信號(hào)和出水總管上的管壓力信號(hào).對(duì)于采集的設(shè)備狀態(tài)信號(hào),則直接存放到指定的內(nèi)存區(qū)域,供其它程序訪問.

圖3 程序流程圖

3.3 控制策略運(yùn)算程序

該功能塊主要是將通訊程序塊接收的控制命令和檢測(cè)程序檢測(cè)的結(jié)果,通過設(shè)定的控制程序運(yùn)算,得出各受控設(shè)備需要執(zhí)行的控制命令,然后將該控制命令傳送到內(nèi)存中指定的位置,供其它程序訪問.

3.3.1 水泵控制程序

當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)時(shí),水泵根據(jù)出水池的液位進(jìn)行啟/?？刂?液位高開泵、液位低停泵.泵的啟/停按累計(jì)運(yùn)行時(shí)間排序,每次先啟動(dòng)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的泵,每次先停止累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長的泵,通過這樣的排序控制,來平衡每臺(tái)水泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間,使每臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間相互接近,延長水泵的運(yùn)行壽命.每次啟動(dòng)水泵時(shí),若已運(yùn)行的水泵中沒有變頻泵,則優(yōu)先啟動(dòng)變頻泵;每次停止水泵時(shí),若已運(yùn)行的水泵中有工頻泵,則優(yōu)先停止工頻泵.

對(duì)運(yùn)行中的變頻泵,系統(tǒng)采用PID連續(xù)調(diào)節(jié)的方式,若當(dāng)前液位高于設(shè)定的液位時(shí),則提高變頻器的運(yùn)行頻率;若當(dāng)前液位低于設(shè)定液位時(shí),則降低變頻器的運(yùn)行頻率.

當(dāng)水泵處于上位機(jī)(觸摸屏)手動(dòng)控制時(shí),水泵接收上位機(jī)(觸摸屏)發(fā)送的控制命令進(jìn)行開/?？刂?

3.3.2 出水電動(dòng)閥控制程序

當(dāng)閥處于自動(dòng)時(shí),與對(duì)應(yīng)的潛水泵進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制.若某臺(tái)水泵要啟動(dòng)時(shí),先關(guān)閉對(duì)應(yīng)的電動(dòng)閥,當(dāng)該泵完全啟動(dòng)后,開啟該電動(dòng)閥,直至全開.若某臺(tái)泵要關(guān)閉時(shí),先關(guān)閉對(duì)應(yīng)的電動(dòng)閥,當(dāng)對(duì)應(yīng)的電動(dòng)閥全關(guān)后再停止該泵.

當(dāng)閥處于上位機(jī)(觸摸屏)手動(dòng)控制時(shí),接收上位機(jī)(觸摸屏)發(fā)送的控制命令進(jìn)行開/關(guān)控制.

3.3.3 啟閉機(jī)控制程序

當(dāng)啟閉機(jī)處于自動(dòng)時(shí),若出水池液位達(dá)到報(bào)警的高限,則關(guān)閉該啟閉機(jī),若出水池液位低于報(bào)警液位時(shí),開啟該啟閉機(jī).當(dāng)啟閉機(jī)處于上位機(jī)(觸摸屏)手動(dòng)控制時(shí),接收上位機(jī)(觸摸屏)發(fā)送的控制命令進(jìn)行開/關(guān)控制.

3.3.4 格柵機(jī)控制程序

當(dāng)格柵機(jī)處于自動(dòng)時(shí),根據(jù)設(shè)定的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行啟動(dòng)/停止控制.當(dāng)格柵機(jī)處于上位機(jī)(觸摸屏)手動(dòng)控制時(shí),接收上位機(jī)(觸摸屏)發(fā)送的控制命令進(jìn)行啟動(dòng)/停止控制.

3.4 輸出執(zhí)行程序

該功能塊是將PLC系統(tǒng)的控制命令發(fā)送到受控設(shè)備的程序,用于控制受控設(shè)備的開/停和變頻器的運(yùn)行頻率.

3.5 故障處理程序

該功能塊主要是處理各種報(bào)警和故障,用于在發(fā)生故障的情況下保護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行.諸如通訊中斷后的設(shè)備保護(hù),不正常操作的識(shí)別和保護(hù),緊急液位的處理、設(shè)備故障發(fā)生的處理等.

4 上位監(jiān)控及其他功能

4.1 上位監(jiān)控功能

工況監(jiān)控計(jì)算機(jī)安裝的是美國WONDERWARE公司上位管理軟件INTOUCH,主要由監(jiān)視畫面、系統(tǒng)圖、泵站運(yùn)行圖、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)庫管理等構(gòu)成.通過工況監(jiān)控,可以看到17座泵站,以動(dòng)畫的形式反應(yīng)泵站中設(shè)備的運(yùn)行狀況及液位指示,同時(shí)提供了與中央控制室是否連通的故障提示畫面,同時(shí)提供良好的人機(jī)交互,操作員可根據(jù)實(shí)際情況方便地設(shè)置各項(xiàng)參數(shù),保存各項(xiàng)數(shù)據(jù).

4.2 圖像監(jiān)控系統(tǒng)

為了更直觀地看到現(xiàn)場(chǎng)泵站的運(yùn)行狀態(tài),該監(jiān)控中心安裝有一臺(tái)圖像服務(wù)器,三臺(tái)圖像監(jiān)控計(jì)算機(jī),各泵站安裝的攝像頭拍攝的視頻信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器傳送到監(jiān)控中心的圖像服務(wù)器上,各圖像監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)訪問圖像服務(wù)器,對(duì)各泵站的圖像信號(hào)進(jìn)行顯示.這樣雙重的監(jiān)控設(shè)施使得監(jiān)控人員可以快速、直觀地了解17座泵站的狀態(tài).

系統(tǒng)將目前國際上頂尖技術(shù)的DLP大屏幕顯示系統(tǒng)應(yīng)用在排水行業(yè),系統(tǒng)由18塊60寸的投影單元組成.該大屏幕可以顯示各泵站工況監(jiān)控畫面以及圖像監(jiān)控畫面等畫面,同時(shí)可對(duì)顯示的畫面進(jìn)行拖動(dòng)和縮放,實(shí)現(xiàn)對(duì)泵站系統(tǒng)的綜合調(diào)度和重點(diǎn)調(diào)度.在該監(jiān)控中心內(nèi)還有GPRS系統(tǒng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及大屏幕控制電腦.整個(gè)監(jiān)控室能全方位顯示各座泵站的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況.

4.3 觸摸屏控制系統(tǒng)

由于各級(jí)泵站距離遠(yuǎn),各泵站有專門的管理人員,為了在現(xiàn)場(chǎng)能方便地控制17座泵站,每個(gè)污水泵站的控制柜上設(shè)立一個(gè)觸摸屏,采用美國A-B公司生產(chǎn)的2711-T10C20型觸摸屏.根據(jù)工藝流程開發(fā)了基于該觸摸屏的一套污水泵站控制程序.該控制程序主要由以下界面和一些腳本運(yùn)行程序構(gòu)成.有主界面、工藝流程界面、參數(shù)設(shè)置界面、設(shè)備操作界面等.工藝流程界面見圖4.

圖4 觸摸屏控制工藝流程圖

5 結(jié) 論

PLC作為遠(yuǎn)程污水泵站的控制核心,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)兩種控制模式,并根據(jù)工藝流程,對(duì)各級(jí)泵站在現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)了合理的程序.同時(shí)配套設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)控、圖像監(jiān)控、大屏幕顯示、觸摸屏控制等,整個(gè)系統(tǒng)能基于虛擬專用網(wǎng)成為一個(gè)有機(jī)的整體,系統(tǒng)投入運(yùn)行近三年,極大提高了工作效率和系統(tǒng)的安全性,而運(yùn)行成本也大大降低.隨著國內(nèi)對(duì)水污染的防治的重視,該P(yáng)LC控制系統(tǒng)也可廣泛推廣到泵站群中使用.

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