柴 威
(山西萬(wàn)家寨水控水資源有限公司調(diào)度分公司,山西 太原 030000)
PLC 技術(shù)是基于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的一種全新控制手段,其在計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字控制等技術(shù)的支撐下,通過(guò)數(shù)字運(yùn)算實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)的控制。從PLC 技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看,其內(nèi)部設(shè)置有可編程序存儲(chǔ)器,該存儲(chǔ)器不僅為邏輯運(yùn)算、順序控制的執(zhí)行奠定了良好基礎(chǔ),而且為定時(shí)、計(jì)數(shù)等操作指令的實(shí)現(xiàn)提供了支撐,在可編程序存儲(chǔ)器的作用下,通過(guò)輸入各種數(shù)字或模擬式的控制指令可實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)中各類設(shè)備的有效控制[1]。隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展,通過(guò)計(jì)算機(jī)控制PLC 技術(shù)已經(jīng)幾乎涵蓋了整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷深入,顧客對(duì)產(chǎn)品的需求也在向著小批量、個(gè)性化、低成本和高質(zhì)量方向發(fā)展,為了適應(yīng)市場(chǎng)需求,工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備就必須滿足自動(dòng)化、可靠性和靈活性,PLC 技術(shù)的出現(xiàn)正好能夠滿足以上這些功能的需求。本文就PLC 技術(shù)在水利泵站自動(dòng)化運(yùn)行控制中的應(yīng)用要點(diǎn)展開分析。
現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)模式下,工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)從過(guò)去粗獷式的生產(chǎn)方式,逐漸轉(zhuǎn)變成更加自動(dòng)化、精細(xì)化、高效率的生產(chǎn)方式。PLC 技術(shù)就是為了滿足上述需求而設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出來(lái)的,其主要功能包含有定時(shí)、存儲(chǔ)、邏輯運(yùn)算等,能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中所需的各種操作,用戶在使用過(guò)程中可以按照自身需求進(jìn)行邏輯編程和靈活調(diào)整,并通過(guò)采樣錄入、執(zhí)行操作、完成刷新共同構(gòu)成PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)步驟,從而形成一個(gè)多功能、高效率、復(fù)雜而統(tǒng)一的自動(dòng)控制模塊[2]。這些模塊具有與工業(yè)設(shè)備緊密相連的輸入輸出程序和信息網(wǎng)絡(luò),能夠快速、高效地完成工業(yè)生產(chǎn)所需的各種操作,從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行,且能夠達(dá)到各項(xiàng)功能間緊密結(jié)合、相互補(bǔ)充的完整體系。PLC 技術(shù)下的工業(yè)設(shè)備配套齊全,功能完善,其不僅具有較強(qiáng)的抗干擾能力,而且整體的適應(yīng)性較強(qiáng),有效保證了工業(yè)生產(chǎn)的可靠性?,F(xiàn)階段,憑借著簡(jiǎn)單易學(xué)易用的優(yōu)勢(shì),PLC 技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為廣泛。
PLC 控制技術(shù)最早產(chǎn)生于上世紀(jì)60 年代,其在改變工業(yè)生產(chǎn)模式的基礎(chǔ)上,有效提升了工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。相比傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)備控制技術(shù),PLC 控制技術(shù)本身的可靠性較高,實(shí)用性較好,而且在實(shí)際應(yīng)用中,其具有接口功能強(qiáng),編輯簡(jiǎn)單的特點(diǎn),能有效滿足工業(yè)設(shè)備直觀化、模塊化控制需要。
從PLC 控制技術(shù)應(yīng)用過(guò)程來(lái)看,其控制功能的實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用有較大關(guān)系。在與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)銜接中,PLC 承擔(dān)下位機(jī)的職能,在PLC 系統(tǒng)作用下,工業(yè)生產(chǎn)人員能快速地完成輸出控制,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的判斷。微型計(jì)算機(jī)或工業(yè)控制器在整個(gè)控制系統(tǒng)中承擔(dān)上位機(jī)角色,這些上位機(jī)不僅要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、計(jì)算,還要進(jìn)行相關(guān)信息存儲(chǔ)和狀態(tài)現(xiàn)實(shí),此外其需要根據(jù)生產(chǎn)需要完成打印輸出工作,實(shí)現(xiàn)被控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
水利工程項(xiàng)目建設(shè)中,人們對(duì)于水利泵站的自動(dòng)化控制要求不斷提升,基于這一要求,PLC 技術(shù)在水利泵站實(shí)時(shí)監(jiān)控中得到了廣泛應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)PLC技術(shù)與微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)的集合,有效地實(shí)現(xiàn)了水利泵站實(shí)際運(yùn)行狀況的分析和監(jiān)測(cè)。在水利泵站運(yùn)行中,基于PLC 技術(shù)能實(shí)現(xiàn)多個(gè)項(xiàng)目的自動(dòng)化檢查。其中較為常見的檢查項(xiàng)目不僅包含設(shè)備規(guī)格型號(hào)檢查,還需開箱檢查,而且涉及產(chǎn)品說(shuō)明書判斷、合格證、資料和附件檢查,此外設(shè)備外觀是否有損傷、緊固件是否松動(dòng)等都是PLC 技術(shù)下水利泵站自動(dòng)化檢查的重要內(nèi)容。實(shí)際檢查中,為提升PLC 技術(shù)的應(yīng)用水平,還應(yīng)注重以下要點(diǎn)控制:其一,應(yīng)通過(guò)手動(dòng)實(shí)驗(yàn),確認(rèn)盤面觸摸屏顯示正常,操作靈敏,同時(shí)應(yīng)判斷空開分合閘是否靈活、可靠。其二,在靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中,應(yīng)確保輸入、輸出開關(guān)信號(hào)是否正確,保證中間繼電器正常動(dòng)作,此外應(yīng)確保接地/接零牢靠,滿足設(shè)計(jì)要求。其三,主站安全檢查中,應(yīng)判斷其接地電阻,要求接地電阻小于4 Ω,在此基礎(chǔ)上,應(yīng)保證輸入輸出信號(hào)正確,反應(yīng)靈敏,尤其是在上位機(jī)通信控制中,要求以太網(wǎng)按照10 MB/s 的速率運(yùn)行,數(shù)據(jù)傳輸正常。
PLC 在其應(yīng)用過(guò)程中需要根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)使用的實(shí)際需求進(jìn)行選型,不同型號(hào)的PLC 產(chǎn)品具有不同的價(jià)格、操作系統(tǒng)、市場(chǎng)價(jià)格、編程和結(jié)構(gòu)方式,企業(yè)必須根據(jù)自身的實(shí)際使用需求來(lái)選擇和組建能夠滿足使用需求且性價(jià)比高的組合方案。在選擇PLC 型號(hào)時(shí)需要參考以下幾點(diǎn)技術(shù)參數(shù):(1)PLC 的容量,該項(xiàng)技術(shù)參數(shù)能夠直接決定其能夠設(shè)置的最大編程步數(shù),企業(yè)在選擇時(shí)一定要選擇大于自身編程步數(shù)需求的產(chǎn)品,以滿足工業(yè)生產(chǎn)和使用的需求;(2)電源模塊,該模塊不僅為CPU 模塊的運(yùn)行提供了可靠的電源,而且為I/O 模塊等其他擴(kuò)展模塊的運(yùn)作提供了動(dòng)力支撐。要注意的是,PLC 主機(jī)用電電源具有有限性,如果在使用過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需求增加擴(kuò)展或外設(shè)單元,并且新增的擴(kuò)展或外設(shè)單元和原有單元模塊的用電量超出主機(jī)電源額定值時(shí),這個(gè)PLC 主機(jī)就需要增加電源模塊;(3)I/O 模塊,主要功能是作為PLC和工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相互聯(lián)系的橋梁,其中輸入模塊是用來(lái)接收和采集輸入信號(hào)的,輸出模塊是用來(lái)接收CPU 模塊處理過(guò)的數(shù)字信息的;(4)通信聯(lián)網(wǎng)能力,在通信聯(lián)網(wǎng)作用的支撐下,不僅能實(shí)現(xiàn)PLC 與PLC 之間的信息交互,而且實(shí)現(xiàn)了PLC 與上位計(jì)算機(jī)以及其他智能設(shè)備的數(shù)據(jù)流通,在一定程度上,通信聯(lián)網(wǎng)使得PLC 與控制單元形成了一個(gè)統(tǒng)一的整體,實(shí)現(xiàn)了個(gè)單元的分散集中控制。要注意的是,幾乎所有的新一代PLC 產(chǎn)品都有通信聯(lián)網(wǎng)功能,在RS-232 接口的作用下,通過(guò)與雙絞線、同軸電纜或光纜的應(yīng)用,PLC 新產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)較大范圍內(nèi)的信息交換,滿足了實(shí)際應(yīng)用需要;(5)特殊功能模塊,主要功能是為了滿足PLC 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的某些特殊需求而增加的對(duì)應(yīng)擴(kuò)展模塊,主要用于實(shí)現(xiàn)CPU 無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特定功能單元,其功能的實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于CPU 之外。
水利泵站運(yùn)行中,泵站主控室不僅包含了PLC 柜、配電柜,而且涉及上位機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)和保護(hù)裝置等單元的應(yīng)用,其中以主控制室內(nèi)上位機(jī)監(jiān)控和PLC 系統(tǒng)為主,其電源由低壓配電室進(jìn)行供電,現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由低壓和高壓配電室根據(jù)設(shè)備自身的運(yùn)行需求情況進(jìn)行供電。
公用設(shè)備控制系統(tǒng)外,PLC 現(xiàn)場(chǎng)控制單元包含了機(jī)組輔助系統(tǒng)的應(yīng)用,此外泵機(jī)閘門啟??刂葡到y(tǒng)也是PLC 現(xiàn)場(chǎng)控制單元的重要組成。從現(xiàn)場(chǎng)控制單元結(jié)構(gòu)布局來(lái)看,其在一個(gè)控制柜當(dāng)中集中裝入各個(gè)機(jī)組控制系統(tǒng),這些機(jī)組控制系統(tǒng)不僅包含回油箱油泵、發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī),而且涉及軸承油泵、高壓油頂起裝置,此外調(diào)速器油壓裝置等都是機(jī)組控制系統(tǒng)的重要組成。為保證主控制回路運(yùn)轉(zhuǎn)的高效性、穩(wěn)定性,在其設(shè)計(jì)階段,應(yīng)在控制系統(tǒng)中考慮各個(gè)泵站的軟啟動(dòng)設(shè)計(jì),同時(shí)對(duì)熱繼電器、接觸器、斷路器的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)管理,此外應(yīng)考慮中間繼電器、隔離變壓器、信號(hào)燈的使用過(guò)程控制,值得注意的是,在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,還應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)換開關(guān)、空氣開關(guān)、按鈕及可編程控制的回路進(jìn)行優(yōu)化,提升整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。
PLC 現(xiàn)場(chǎng)控制單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含了較多的內(nèi)容,其中除程序設(shè)計(jì)、硬件配置外,安全回路設(shè)計(jì)、任務(wù)分解也是PLC 現(xiàn)場(chǎng)控制單元極為重要的內(nèi)容,另外人們?cè)谙到y(tǒng)設(shè)計(jì)中還需考慮泵站功能分析,繼而在控制室面板的作用下,實(shí)現(xiàn)各個(gè)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程控制單元的有效分析。要注意的是,在PLC 現(xiàn)場(chǎng)控制單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,應(yīng)注重各個(gè)設(shè)計(jì)單元之間的連鎖管理,以此來(lái)保證各控制單元相互作用功能的實(shí)現(xiàn)。機(jī)體的電氣控制系統(tǒng)除了驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)之外還包含了潤(rùn)滑油泵、制動(dòng)器控制、電機(jī)速度控制、電機(jī)溫度控制、冷卻風(fēng)機(jī)控制等功能。
PLC 網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場(chǎng)控制單元功能發(fā)揮中起到關(guān)鍵作用,就PLC 各控制單元而言,其主要是借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連接中,在這些系統(tǒng)連接下,現(xiàn)場(chǎng)控制單元形成了一個(gè)分布式的集散控制系統(tǒng),有效地保證了各單元通信功能傳輸功能的實(shí)現(xiàn)?,F(xiàn)階段,計(jì)算控制系統(tǒng)應(yīng)用于水利泵站自動(dòng)化運(yùn)行控制當(dāng)中是開展工業(yè)控制,該系統(tǒng)就需具備一些特定功能。首先,應(yīng)確保其網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性,需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際通訊,實(shí)時(shí)地將現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程信息傳送至控制系統(tǒng)當(dāng)中,并要將系統(tǒng)所發(fā)出的操作管理信息實(shí)時(shí)地傳送至現(xiàn)場(chǎng);其次,考慮到集散控制系統(tǒng)通信的連續(xù)性,要求PLC 網(wǎng)絡(luò)具有良好的可靠性,最大可能地避免端口故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效果的影響。同時(shí)應(yīng)盡量避免設(shè)備、系統(tǒng)運(yùn)行失常對(duì)工作人員人身安全的威脅;此外,所建立的集散控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具備易維護(hù)的特點(diǎn),因其發(fā)生故障可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓等嚴(yán)重后果,所以,必須具備易維護(hù)的特點(diǎn),一旦發(fā)生故障應(yīng)能夠在短時(shí)間內(nèi)得到修復(fù),確保系統(tǒng)能夠安全、高效地運(yùn)行。
某泵站位于深圳水庫(kù)庫(kù)尾,屬于新建應(yīng)急水利工程項(xiàng)目。本站總投資月200 萬(wàn),建成后,泵站供水規(guī)??蛇_(dá)到50 萬(wàn)m3/d,有效地滿足了深圳寶安區(qū)中西部片區(qū)供水需要。從泵站組成來(lái)看,該泵站包含3 套機(jī)組,其中正常工作機(jī)組為2 套,1 套為備用機(jī)組,3 套機(jī)組均屬于異步機(jī)組。機(jī)組的總裝機(jī)量為2 000 kW,設(shè)計(jì)流量和揚(yáng)程分別為5.79 m3/s 和16.4 m。機(jī)組電器系統(tǒng)運(yùn)作中,選用10 kV 專線保證供電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量。為提升泵站控制效果,將各系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接起來(lái),并在全微機(jī)控制的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)PLC 控制技術(shù)的融合應(yīng)用,真正達(dá)到了泵站管理無(wú)人值班、少人值守的目的。
從本泵站PLC 控制系統(tǒng)來(lái)看,采用Modicon TSX Premium 系列的PLC 控制裝置,該裝置的浮點(diǎn)運(yùn)算能力較為突出,在大、中型控制系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛。同時(shí)為保證控制功能的全面性,設(shè)計(jì)使用PL7Pro 編程軟件,并基于該軟件深化指令表、梯形圖應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)泵站運(yùn)行數(shù)據(jù)的有效分析,借助觸摸屏人機(jī)界面開展操作管理,實(shí)現(xiàn)了泵站機(jī)組部分、公用部分的自動(dòng)化、高效化控制。
本系統(tǒng)運(yùn)行方案設(shè)計(jì)中,除機(jī)組高壓柜外,在電容饋線柜中也配置一定的ALSTOM 智能保護(hù)裝置,在這些裝置的作用下,可通過(guò)MODBUS 總線將相應(yīng)的I/O 參數(shù)傳輸?shù)絇LC 單元,隨后實(shí)現(xiàn)機(jī)組、輔助設(shè)備各狀態(tài)點(diǎn)與PLC 單元的銜接,可通過(guò)PLC 實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理,最后信息處理結(jié)構(gòu)傳輸?shù)缴衔粰C(jī),可輔助操作人員完成相應(yīng)的指令控制,實(shí)現(xiàn)PLC 控制與水利泵站應(yīng)用實(shí)際的有效結(jié)合。
4.3.1 報(bào)警功能
高壓柜和電容饋線柜是水利泵站重要的應(yīng)用單元,其在實(shí)際應(yīng)用中容易出現(xiàn)故障,此時(shí)借助PLC 控制系統(tǒng)可控制觸摸屏上彈出事故和故障報(bào)警界面,這為工作人員的故障發(fā)現(xiàn)和處理創(chuàng)造了有利條件,同時(shí)其能控制高壓柜、風(fēng)機(jī)停機(jī),避免設(shè)備造成較大傷害。
4.3.2 機(jī)組啟停
設(shè)備正常運(yùn)作時(shí),通過(guò)按開機(jī)或停機(jī)鍵可完成機(jī)組啟停,而當(dāng)設(shè)備故障時(shí),PLC 控制單元可自動(dòng)化完成機(jī)組停機(jī)。
4.3.3 機(jī)組輔助設(shè)備及蝶閥控制
結(jié)合機(jī)組啟停程序可知,要實(shí)現(xiàn)水利泵站機(jī)組的啟??刂疲刂戚o助設(shè)備外,還需要加強(qiáng)對(duì)蝶閥裝置的管理。PLC 控制系統(tǒng)在機(jī)組輔助設(shè)備及蝶閥控制中有廣泛應(yīng)用,其對(duì)于整個(gè)機(jī)組的安裝、調(diào)試具有積極作用。
4.3.4 數(shù)據(jù)處理功能
PLC 數(shù)據(jù)處理包含了較多的模擬量,這里的模擬量不僅包含泵組進(jìn)口壓力、出口壓力,而且涉及電機(jī)定子溫度和油水溫度。在這些模擬量控制中,采用專門的功能塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從數(shù)據(jù)處理過(guò)程來(lái)看,先需要進(jìn)行數(shù)據(jù)賦值管理,將這些數(shù)據(jù)依次賦值給功能塊,然后采集10 次運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行公用變量求和,在剪去最大值和最小值后,計(jì)算數(shù)據(jù)平均值。此時(shí)功能模塊的輸出值為模擬量值,而功能模塊對(duì)應(yīng)的地址為該值在輸出緩沖區(qū)中的地址,通過(guò)對(duì)這些模擬量值和緩沖區(qū)地址的管理,為觸摸屏采集和顯示提供了便利條件。
4.3.5 通信功能
本項(xiàng)目泵站通信系統(tǒng)包含串口通信和總線通信兩個(gè)單元,其中串口通信與觸摸屏相關(guān),而總線通信與智能保護(hù)裝置相關(guān)。從控制過(guò)程來(lái)看,觸摸屏MT500 是專門針對(duì)PLC 的人機(jī)界面,本泵站EasyBuilder500 應(yīng)用中,將觸摸屏系統(tǒng)參數(shù)中的PLC 類型設(shè)置為TELEMECANIQUE UniTelWay,同時(shí)在PLC 系統(tǒng)進(jìn)行相同的設(shè)置,基于觸摸屏進(jìn)行界面編制時(shí),可有效促進(jìn)串口通信功能的實(shí)現(xiàn)。在串口通信中,使用MODBUS 通訊協(xié)議,基于該協(xié)議可實(shí)現(xiàn)主從結(jié)構(gòu)式網(wǎng)絡(luò)的有效監(jiān)控。同時(shí)在該協(xié)議下,選用RTU 通信模式,該模式下的信息幀包含了地址域、功能域和CRC 校驗(yàn)域三個(gè)基本單元,所有字符位由16 進(jìn)制數(shù)組成。
實(shí)際通信中,PLC 作為主站通過(guò)輪巡的方式訪問(wèn)從站,實(shí)現(xiàn)了各泵站數(shù)據(jù)的讀取。在PLC 控制過(guò)程中,借助READ_VAR 指令可完成從站的有效范圍,并且在MODBUS 協(xié)議下,可完成從站相應(yīng)數(shù)據(jù)的快速讀取?;诒谜究刂菩枰?,PLC 讀取的從站數(shù)據(jù)不僅包含網(wǎng)絡(luò)號(hào)、從站地址號(hào),而且涉及數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)首地址,此外數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)、接收緩沖區(qū)地址等都是極為重要的內(nèi)容。另外本項(xiàng)目泵站在執(zhí)行CRC 校驗(yàn)前設(shè)有專門的子程序,該程序?qū)yte型消息段轉(zhuǎn)化為高8 位為16 進(jìn)制數(shù)00 的WORD 型數(shù)據(jù)段,為數(shù)據(jù)的讀取和應(yīng)用提供了便利,提升了泵站的控制效果。
通過(guò)PLC 技術(shù)組建自動(dòng)控系統(tǒng)對(duì)水利泵站自動(dòng)化運(yùn)行控制項(xiàng)目產(chǎn)生深入影響,提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)操作的影響的效果。同時(shí)專業(yè)的相關(guān)人員通過(guò)PLC技術(shù)為水利泵站項(xiàng)目設(shè)計(jì),提供的平臺(tái)起到了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,使設(shè)計(jì)方案在實(shí)際施工過(guò)程中具有能夠合理施工的作用。PLC 技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目的協(xié)調(diào)發(fā)展是不可分割的關(guān)系,工業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案應(yīng)充分利用PLC 技術(shù),以充分優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。