安科瑞泵站自控系統的設計應用

周菁

江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 

摘要

    近年來(lái)，PLC在泵站自動(dòng)化控制系統中得到了廣泛的應用，能夠實(shí)現對現場(chǎng)設備的自動(dòng)化控制，本文介紹基于觸摸屏、PLC和電力儀表^[1]等設計實(shí)現的安科瑞泵站自動(dòng)化控制管理系統，系統主要實(shí)現對楊樹(shù)浦泵站高低壓配電系統控制柜電流電壓、內外河水位、水泵運行狀態(tài)、閘門(mén)開(kāi)度等信號的監測，水泵的遠程啟閉、閘門(mén)的遠程開(kāi)關(guān)操作，閘門(mén)、站變柜及高低壓開(kāi)關(guān)柜各設備的狀態(tài)監控，由PLC控制現場(chǎng)水泵、閘門(mén)等設備，并采集設備運行狀態(tài)，傳送至觸摸屏進(jìn)行狀態(tài)顯示，同時(shí)通過(guò)觸摸屏實(shí)現對設備進(jìn)行遠程操控，整個(gè)系統保證了楊樹(shù)浦泵站系統自動(dòng)化控制，提高了泵站運行的穩定性、可靠性，具有廣泛的應用前景。

關(guān)鍵詞：楊樹(shù)浦泵站、PLC、觸摸屏、自動(dòng)化控制

0引言

    隨著(zhù)國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對市政建設和管理提出了更高的要求，水泵作為泵站控制系統的主要設施，擔負著(zhù)排水防澇的重要任務(wù)，對泵站系統實(shí)現自動(dòng)化控制具有重要意義，能達到減員增效和提高管理水平的目的，泵站自控系統應用于泵站中^[2]，能夠實(shí)現對水泵的自動(dòng)化運行控制、管理，同時(shí)泵站建立獨立的、功能完善的自動(dòng)化控制系統，泵站內各種設備的運行均由泵站自控系統直接控制，PLC控制作為泵站自控系統的核心環(huán)節^[2]，負責泵站內全部工藝設備的運行控制，系統根據現場(chǎng)泵站運行工況來(lái)進(jìn)行控制，并且泵站接收整個(gè)自控系統的全局性運行數據和調控指令，作為泵站自動(dòng)控制的條件參數，以配合實(shí)現水泵系統的自動(dòng)化控制。

    本文以楊樹(shù)浦泵站管理遷建工程為例，提出利用觸摸屏、PLC和電力儀表等設計一套安科瑞泵站自動(dòng)化控制管理系統應用于楊樹(shù)浦泵站中，工程主要包括雙向運行主水泵、主泵進(jìn)出水工作閘門(mén)、內河側清污機及皮帶輸送機、高壓柜、低壓柜及主變柜等設備，安科瑞泵站自控系統實(shí)現對楊樹(shù)浦泵站現場(chǎng)設備實(shí)時(shí)控制，控制與檢測水泵、閘門(mén)的手/自動(dòng)轉換、起動(dòng)/停止、運行、故障信號，并將現場(chǎng)泵站運行信號傳送至觸摸屏，對泵站進(jìn)行運行狀況的顯示、報警記錄及實(shí)時(shí)操作控制。  

1用戶(hù)需求

    楊樹(shù)浦泵站主要負責排水防澇工作，是市政建設和工程管理的重要設施，擔負著(zhù)排水防澇的重要任務(wù)，楊樹(shù)浦泵站的控制和管理水平與智能化控制存在一定差距，在電氣控制上，自動(dòng)化控制程度低，泵站僅有單級的常規控制，部分仍為人工操作運行，在管理水平上，采取人工管理，手工記錄、統計數據，為了對楊樹(shù)浦泵站實(shí)現自動(dòng)化控制，實(shí)時(shí)了解現場(chǎng)設備的運行狀況，因此對所設計的楊樹(shù)浦泵站自控系統提出以下需求：

    1) 自控功能：PLC實(shí)現對現場(chǎng)水泵進(jìn)行自動(dòng)控制，觸摸屏實(shí)現遠程操控；

    2) 數據采集功能：PLC采集電流、電壓、功率等電參數傳送至后臺實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)采集泵組運行狀態(tài)在觸摸屏實(shí)時(shí)顯示；

    3) 泵站自控系統實(shí)時(shí)反映設備的故障狀態(tài)，進(jìn)行報警記錄顯示，便于后續設備故障的維修。

2項目介紹

    泵站自動(dòng)控制系統能夠對現有泵站控制和管理進(jìn)行改造和完善，向無(wú)人化泵站監控管理發(fā)展，以達到減員增效和提高管理水平的目的，該楊樹(shù)浦泵站項目基于用戶(hù)對現場(chǎng)泵站自動(dòng)化控制管理系統的需求，對原有的水泵控制柜進(jìn)行控制升級改造，整個(gè)改造項目主要包括公用LCU柜及泵組LCU柜，由現地控制級的PLC實(shí)現對楊樹(shù)浦泵站現場(chǎng)主泵電機、開(kāi)關(guān)等設備參數采集及輸出控制，PLC通過(guò)通訊采集高低壓柜電力儀表電流電壓等電參數傳送至后臺實(shí)時(shí)顯示，并采集主泵電機繞組溫度、定子繞組溫度等模擬量進(jìn)行數據處理，同時(shí)利用PLC實(shí)時(shí)采集楊樹(shù)浦泵站現場(chǎng)高壓柜斷路器、手車(chē)工作狀態(tài)及控制電源狀態(tài)、水泵運行狀態(tài)、低壓柜開(kāi)關(guān)合閘、分閘位置、閘門(mén)開(kāi)度、故障跳閘等信號進(jìn)行邏輯處理，便于輸出控制，并將設備的運行狀態(tài)傳送至觸摸屏進(jìn)行狀態(tài)顯示及故障記錄，PLC輸出控制開(kāi)關(guān)分閘及合閘、主泵內、外側工作門(mén)提升、主泵開(kāi)關(guān)緊急分閘等，同時(shí)在觸摸屏上能夠實(shí)現對水泵正轉、反轉、起動(dòng)、停止遠程操控，安科瑞泵站自控系統既能實(shí)現對楊樹(shù)浦泵站的遠程控制，又能保證系統穩定性、可靠性^[3]。

3 設計方案

3.1參考標準

DG/TJ08-2124-2013    《水泵站自動(dòng)化系統設計規程》

GB 16655-1996 工業(yè)自動(dòng)化系統 集成制造系統安全的基本要求

CJJ 120-2008         《水泵控制系統電氣與自動(dòng)化工程技術(shù)規程》

GA/T75-2000          《安全防范系統通用圖形符號》

GB 50265             《泵站設計規范》

GB 50054-2011        《低壓配電設計規范》

GB/T50314－2000      《智能建筑設計標準》

JGJ16-2008           《民用建筑電氣設計規范》

GA308-2001           《安全防范系統驗收規則》

GB 50348-2004        《安全防范工程技術(shù)規范》

GB50168              《電氣裝置安裝工程電纜線(xiàn)路施工及驗收規范》

GB50150              《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》

GB50093              《工業(yè)自動(dòng)化儀表工程施工及驗收規范》

3.2泵站系統介紹

    楊樹(shù)浦泵站管理遷建系統主要由10KV高壓系統、0.4KV低壓系統及安科瑞泵站自控系統組成，具體介紹如下所述。

3.2.1  10KV配電系統

    高壓配電系統主要由進(jìn)線(xiàn)計量柜、進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜、電壓測量、避雷器柜、站變柜、電機正轉、反轉控制柜組成，根據《供配電系統設計規范》的規定，本工程主要用電負荷為二級用電負荷，采用兩回10KV電源供電，供電電源線(xiàn)路采用10KV電纜線(xiàn)路，進(jìn)戶(hù)方式為10KV電纜，10KV母線(xiàn)采用單母線(xiàn)分段接線(xiàn)方式，正常運行時(shí)兩路電源同時(shí)供電，分段開(kāi)關(guān)打開(kāi)，工程中主水泵電機采用10KV高壓異步電機，無(wú)功補償采用機端補償方式，補償設備延用原有補償容量及配置，因此，用戶(hù)不僅要求對設備數據、用電量等信息采集分析，還需要實(shí)時(shí)監控現場(chǎng)設備運行狀態(tài)，便于及時(shí)解決故障，安科瑞泵站自控系統，綜合泵站設計規范及用戶(hù)對楊樹(shù)浦泵站監控要求，提供高壓柜電壓、電流、功率等電力參數采集顯示、水泵、閘門(mén)設備運行狀態(tài)監測、控制等功能，幫助用戶(hù)實(shí)現用電信息化、控制智能化，形成完整的楊樹(shù)浦泵閘管理系統。

圖1 10KV配電系統圖

3.2.2  0.4KV配電系統
    低壓配電系統主要由站用變壓器柜、進(jìn)線(xiàn)柜、電容補償柜、出線(xiàn)柜和聯(lián)絡(luò )柜組成，整個(gè)0.4KV低壓配電系統電源引自站用變壓器，0.4KV母線(xiàn)選用單母線(xiàn)分段帶分段接線(xiàn)方式，安科瑞泵站自控系統將低壓配電系統柜作為公用LCU柜，主要由公用PLC采集現場(chǎng)斷路器分、合閘位置、手車(chē)工作、試驗位置、保護裝置信號、控制回路、電壓回路開(kāi)關(guān)分閘、控制母線(xiàn)、合閘母線(xiàn)分閘等信號進(jìn)行邏輯處理，PLC輸出控制開(kāi)關(guān)分閘及合閘，0.4KV低壓系統圖如下圖所示。 

圖2  0.4KV配電系統圖 

3.2.3 安科瑞泵站自動(dòng)控制系統

   安科瑞泵站自控系統主要由觸摸屏、PLC、溫控器和電源等模塊組成，實(shí)現對楊樹(shù)浦泵站高低壓控制柜中水泵、閘門(mén)等設備實(shí)時(shí)控制及運行數據采集，PLC根據現場(chǎng)工藝要求對水泵進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并通過(guò)PLC采集現場(chǎng)水泵運行數據及電力參數，通過(guò)通訊將電力參數轉發(fā)至監控中心進(jìn)行顯示，同時(shí)在觸摸屏進(jìn)行泵組正轉、反轉、起動(dòng)、停止操作，根據采集的水泵運行狀態(tài)，實(shí)現狀態(tài)顯示及報警記錄，楊樹(shù)浦泵站自控系統原理如下圖所示。

圖3 楊樹(shù)浦泵站自控系統圖

1）PLC控制回路

    楊樹(shù)浦泵站自控系統PLC控制回路主要由CPU模塊、PLC數字量輸入、輸出模塊、模擬量輸入模塊、通訊模塊組成，數字量輸入模塊采集楊樹(shù)浦泵站現場(chǎng)的斷路器合閘、分閘位置、手車(chē)工作、試驗位置、彈簧儲能、保護裝置信號、主泵手動(dòng)、遠方控制、急停按鈕、電源故障等數字量輸入信號，模擬量輸入模塊采集楊樹(shù)浦泵站的主泵電機繞組溫度、定子繞溫度、主泵進(jìn)、出口壓力等模擬量信號，將采集的信號傳送至CPU模塊，由CPU模塊內部程序進(jìn)行邏輯處理，輸出控制開(kāi)關(guān)合閘、分閘控制、主泵開(kāi)關(guān)緊急分閘、故障跳閘、主泵內、外側門(mén)提升等，同時(shí)，由通訊模塊實(shí)現PLC與現場(chǎng)多功能表的通訊、數據采集，PLC控制原理圖如下圖所示。  

圖4 PLC輸入輸出控制原理圖 

2) 溫濕度回路圖 

    楊樹(shù)浦泵站自控系統溫濕度控制回路由溫控器、風(fēng)扇、加熱器組成，溫控器的輸出觸點(diǎn)控制加熱器或風(fēng)扇，當現場(chǎng)控制柜內溫度、濕度達到或超過(guò)設定的數值，溫控器控制加熱器或風(fēng)扇接通電源工作，對控制柜進(jìn)行加熱或鼓風(fēng)等；一段時(shí)間后，控制柜內溫度或濕度遠離設定值，加熱器或風(fēng)扇停止工作，保證了現場(chǎng)LCU柜內溫、濕度的正常，溫濕度控制回路原理圖如下圖所示。

圖5 溫濕度控制原理圖

3) 觸摸屏回路 

    楊樹(shù)浦泵站自控系統的觸摸屏控制回路主要用來(lái)對現場(chǎng)設備運行狀態(tài)、故障記錄實(shí)時(shí)顯示，便于用戶(hù)實(shí)時(shí)了解現場(chǎng)設備的運行狀況，對出現的故障及時(shí)處理，并對設備實(shí)現遠程操控，可以對泵組LCU柜水泵正轉起動(dòng)、停止、反轉起動(dòng)、停止控制等，操作簡(jiǎn)捷方便。

3.3 設備選型 

4 系統功能
4.1 現場(chǎng)監控 

    整個(gè)楊樹(shù)浦泵站控制室柜子的運行狀況關(guān)系到整個(gè)水泵能否正常運行，對控制室各個(gè)控制柜進(jìn)行監控，保證了系統的安全運行。

圖6 控制室

4.2 控制功能

    楊樹(shù)浦泵站自控系統控制分手動(dòng)、現場(chǎng)PLC、遙控三種控制級別模式，以手動(dòng)高于現場(chǎng)PLC控制，現場(chǎng)PLC控制高于遙控為優(yōu)先級別順序：

    手動(dòng)控制：設備的現場(chǎng)控制LCU柜上的“就地/遠方”開(kāi)關(guān)選擇“就地”方式時(shí)，通過(guò)現場(chǎng)控制箱上的按鈕實(shí)現對設現有設備的手動(dòng)啟停、正反轉操作。

    現場(chǎng)PLC控制：現場(chǎng)控制箱上的“就地/遠方”開(kāi)關(guān)選擇“遠方”方式，且現場(chǎng)控制站的“現場(chǎng)/遙控”設定為“現場(chǎng)”方式時(shí)，設備的運行*由各泵組柜PLC根據泵站采集到的相關(guān)數據及生產(chǎn)要求來(lái)完成對設備的運行或開(kāi)/關(guān)控制，而不需要人工干預。

    遠程控制：現場(chǎng)控制箱上的“現場(chǎng)/遙控”開(kāi)關(guān)選擇“遙控”方式時(shí)，操作人員通過(guò)自控系統操作站的觸摸屏畫(huà)面遠程對設備進(jìn)行啟停、正反轉操作，實(shí)現水泵的正轉起動(dòng)、停止、反轉起動(dòng)、停止控制，觸摸屏遠程操控界面如下圖所示。

圖7 系統操作界面圖 

4.3 數據采集

    系統主要采集現場(chǎng)電力儀表電流、電壓、功率、功率因數、電能等參數，然后通過(guò)PLC將參數傳送至上位機監控界面實(shí)時(shí)顯示，1#水泵正反轉數據采集界面如下。

圖8  數據采集界面

4.4 泵組狀態(tài)采集

    楊樹(shù)浦泵站自控系統通過(guò)PLC控制水泵運行，同時(shí)PLC采集水泵的運行狀態(tài)，包括手動(dòng)、自動(dòng)、遠方運行指示、電源運行正常指示、開(kāi)關(guān)柜斷路器合閘指示等，方便用戶(hù)實(shí)時(shí)了解現場(chǎng)水泵運行狀況，對出現的故障及時(shí)解決處理，狀態(tài)顯示界面如下圖所示。

圖9  泵組狀態(tài)顯示界面

4.5 報警顯示圖 

    楊樹(shù)浦泵站系統報警顯示界面主要用來(lái)實(shí)時(shí)顯示PLC電源故障、開(kāi)關(guān)柜保護裝置故障、跳閘記錄、控制電源故障、主泵接線(xiàn)盒進(jìn)水、電機腔空氣濕度報警指示燈，便于用戶(hù)實(shí)時(shí)了解現場(chǎng)設備運行故障并及時(shí)處理。

圖10  報警顯示界面

5 系統特點(diǎn)圖

    簡(jiǎn)便的操作模式，只需要在觸摸屏操作界面按下正轉起動(dòng)、正轉停止、反轉起動(dòng)、反轉停止按鈕，即可實(shí)現水泵的正轉、反轉控制。

    系統運行可靠，提供楊樹(shù)浦泵站系統主要設備的運行狀態(tài)報警記錄顯示，便于操作人員對于故障報警和事故狀態(tài)進(jìn)行應急處理。

    完善的數據采集及邏輯控制，實(shí)現楊樹(shù)浦泵站的全部?jì)x表數據采集和機電設備的自動(dòng)化控制，泵站的控制由PLC實(shí)現，數據由PLC采集傳送至后臺監控。

    安全運行監視，操作人員借助觸摸屏系統人機界面，監視泵站的現場(chǎng)運行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示，便于設備在運行狀態(tài)發(fā)生變更時(shí)及時(shí)進(jìn)行分析和處理。

    實(shí)現自動(dòng)控制，減輕泵站運行人員的勞動(dòng)強度，提高安全運行水平^[4]。

6 結束語(yǔ)

    PLC是泵站自控系統*的部分，能夠實(shí)現泵站系統的自動(dòng)化控制，通過(guò)PLC為楊樹(shù)浦泵站自動(dòng)控制提供自動(dòng)控制的條件，體現了自動(dòng)化的發(fā)展趨勢，PLC在泵站中主要是提升控制系統自動(dòng)化的運行水平，能夠結合現場(chǎng)控制工藝要求，提出自動(dòng)處理的方式，確保水泵運行的可靠性，因此，泵站自控系統在楊樹(shù)浦泵站自動(dòng)化的建設方面，發(fā)揮主要作用，體現自動(dòng)控制的優(yōu)勢。

參考文獻：

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