安科瑞泵站自控系統(tǒng)的設計應用

淮亞利

上海安科瑞電氣股份有限公司

摘要：近年來，PLC在泵站自動化控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)場設備的自動化控制，本文介紹基于觸摸屏、PLC和電力儀表^[1]等設計實現(xiàn)的安科瑞泵站自動化控制管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要實現(xiàn)對楊樹浦泵站高低壓配電系統(tǒng)控制柜電流電壓、內(nèi)外河水位、水泵運行狀態(tài)、閘門開度等信號的監(jiān)測，水泵的遠程啟閉、閘門的遠程開關操作，閘門、站變柜及高低壓開關柜各設備的狀態(tài)監(jiān)控，由PLC控制現(xiàn)場水泵、閘門等設備，并采集設備運行狀態(tài)，傳送至觸摸屏進行狀態(tài)顯示，同時通過觸摸屏實現(xiàn)對設備進行遠程操控，整個系統(tǒng)保證了楊樹浦泵站系統(tǒng)自動化控制，提高了泵站運行的穩(wěn)定性、可靠性，具有廣泛的應用前景。 

關鍵詞：楊樹浦泵站、PLC、觸摸屏、自動化控制

0引言

    隨著國民經(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(tǒng)的主要設施，擔負著排水防澇的重要任務，對泵站系統(tǒng)實現(xiàn)自動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(tǒng)應用于泵站中^[2]，能夠?qū)崿F(xiàn)對水泵的自動化運行控制、管理，同時泵站建立獨立的、功能完善的自動化控制系統(tǒng)，泵站內(nèi)各種設備的運行均由泵站自控系統(tǒng)直接控制，PLC控制作為泵站自控系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)^[2]，負責泵站內(nèi)全部工藝設備的運行控制，系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場泵站運行工況來進行控制，并且泵站接收整個自控系統(tǒng)的全局性運行數(shù)據(jù)和調(diào)控指令，作為泵站自動控制的條件參數(shù)，以配合實現(xiàn)水泵系統(tǒng)的自動化控制。

    本文以楊樹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化控制管理系統(tǒng)應用于楊樹浦泵站中，工程主要包括雙向運行主水泵、主泵進出水工作閘門、內(nèi)河側(cè)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(tǒng)實現(xiàn)對楊樹浦泵站現(xiàn)場設備實時控制，控制與檢測水泵、閘門的手/自動轉(zhuǎn)換、起動/停止、運行、故障信號，并將現(xiàn)場泵站運行信號傳送至觸摸屏，對泵站進行運行狀況的顯示、報警記錄及實時操作控制。 

1用戶需求

    楊樹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，擔負著排水防澇的重要任務，楊樹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，自動化控制程度低，泵站僅有單級的常規(guī)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(tǒng)計數(shù)據(jù)，為了對楊樹浦泵站實現(xiàn)自動化控制，實時了解現(xiàn)場設備的運行狀況，因此對所設計的楊樹浦泵站自控系統(tǒng)提出以下需求：

    1) 自控功能：PLC實現(xiàn)對現(xiàn)場水泵進行自動控制，觸摸屏實現(xiàn)遠程操控；

    2) 數(shù)據(jù)采集功能：PLC采集電流、電壓、功率等電參數(shù)傳送至后臺實時顯示，同時采集泵組運行狀態(tài)在觸摸屏實時顯示；

    3) 泵站自控系統(tǒng)實時反映設備的故障狀態(tài)，進行報警記錄顯示，便于后續(xù)設備故障的維修。

2項目介紹

    泵站自動控制系統(tǒng)能夠?qū)ΜF(xiàn)有泵站控制和管理進行改造和完善，向無人化泵站監(jiān)控管理發(fā)展，以達到減員增效和提高管理水平的目的，該楊樹浦泵站項目基于用戶對現(xiàn)場泵站自動化控制管理系統(tǒng)的需求，對原有的水泵控制柜進行控制升級改造，整個改造項目主要包括公用LCU柜及泵組LCU柜，由現(xiàn)地控制級的PLC實現(xiàn)對楊樹浦泵站現(xiàn)場主泵電機、開關等設備參數(shù)采集及輸出控制，PLC通過通訊采集高低壓柜電力儀表電流電壓等電參數(shù)傳送至后臺實時顯示，并采集主泵電機繞組溫度、定子繞組溫度等模擬量進行數(shù)據(jù)處理，同時利用PLC實時采集楊樹浦泵站現(xiàn)場高壓柜斷路器、手車工作狀態(tài)及控制電源狀態(tài)、水泵運行狀態(tài)、低壓柜開關合閘、分閘位置、閘門開度、故障跳閘等信號進行邏輯處理，便于輸出控制，并將設備的運行狀態(tài)傳送至觸摸屏進行狀態(tài)顯示及故障記錄，PLC輸出控制開關分閘及合閘、主泵內(nèi)、外側(cè)工作門提升、主泵開關緊急分閘等，同時在觸摸屏上能夠?qū)崿F(xiàn)對水泵正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、起動、停止遠程操控，安科瑞泵站自控系統(tǒng)既能實現(xiàn)對楊樹浦泵站的遠程控制，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性^[3]。

3 設計方案

3.1參考標準

DG/TJ08-2124-2013     《水泵站自動化系統(tǒng)設計規(guī)程》

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

CJJ 120-2008       《水泵控制系統(tǒng)電氣與自動化工程技術規(guī)程》

GA/T75-2000        《安全防范系統(tǒng)通用圖形符號》

GB 50265           《泵站設計規(guī)范》

GB 50054-2011      《低壓配電設計規(guī)范》

GB/T50314－2000       《智能建筑設計標準》

JGJ16-2008        《民用建筑電氣設計規(guī)范》

GA308-2001         《安全防范系統(tǒng)驗收規(guī)則》

GB 50348-2004         《安全防范工程技術規(guī)范》

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

GB50150          《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》

GB50093          《工業(yè)自動化儀表工程施工及驗收規(guī)范》

3.2泵站系統(tǒng)介紹

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

3.2.110KV配電系統(tǒng)

    高壓配電系統(tǒng)主要由進線計量柜、進線開關柜、電壓測量、避雷器柜、站變柜、電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制柜組成，根據(jù)《供配電系統(tǒng)設計規(guī)范》的規(guī)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，供電電源線路采用10KV電纜線路，進戶方式為10KV電纜，10KV母線采用單母線分段接線方式，正常運行時兩路電源同時供電，分段開關打開，工程中主水泵電機采用10KV高壓異步電機，無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，用戶不僅要求對設備數(shù)據(jù)、用電量等信息采集分析，還需要實時監(jiān)控現(xiàn)場設備運行狀態(tài)，便于及時解決故障，安科瑞泵站自控系統(tǒng)，綜合泵站設計規(guī)范及用戶對楊樹浦泵站監(jiān)控要求，提供高壓柜電壓、電流、功率等電力參數(shù)采集顯示、水泵、閘門設備運行狀態(tài)監(jiān)測、控制等功能，幫助用戶實現(xiàn)用電信息化、控制智能化，形成完整的楊樹浦泵閘管理系統(tǒng)。

圖1  10KV配電系統(tǒng)圖

3.2.2  0.4KV配電系統(tǒng)

    低壓配電系統(tǒng)主要由站用變壓器柜、進線柜、電容補償柜、出線柜和聯(lián)絡柜組成，整個0.4KV低壓配電系統(tǒng)電源引自站用變壓器，0.4KV母線選用單母線分段帶分段接線方式，安科瑞泵站自控系統(tǒng)將低壓配電系統(tǒng)柜作為公用LCU柜，主要由公用PLC采集現(xiàn)場斷路器分、合閘位置、手車工作、試驗位置、保護裝置信號、控制回路、電壓回路開關分閘、控制母線、合閘母線分閘等信號進行邏輯處理，PLC輸出控制開關分閘及合閘，0.4KV低壓系統(tǒng)圖如下圖所示。

圖2  0.4KV配電系統(tǒng)圖

3.2.3 安科瑞泵站自控系統(tǒng)

    安科瑞泵站自控系統(tǒng)主要由觸摸屏、PLC、溫控器和電源等模塊組成，實現(xiàn)對楊樹浦泵站高低壓控制柜中水泵、閘門等設備實時控制及運行數(shù)據(jù)采集，PLC根據(jù)現(xiàn)場工藝要求對水泵進行實時控制，并通過PLC采集現(xiàn)場水泵運行數(shù)據(jù)及電力參數(shù)，通過通訊將電力參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心進行顯示，同時在觸摸屏進行泵組正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、起動、停止操作，根據(jù)采集的水泵運行狀態(tài)，實現(xiàn)狀態(tài)顯示及報警記錄，楊樹浦泵站自控系統(tǒng)原理如下圖所示。

圖3 楊樹浦泵站自控系統(tǒng)圖

1)  PLC控制回路

    楊樹浦泵站自控系統(tǒng)PLC控制回路主要由CPU模塊、PLC數(shù)字量輸入、輸出模塊、模擬量輸入模塊、通訊模塊組成，數(shù)字量輸入模塊采集楊樹浦泵站現(xiàn)場的斷路器合閘、分閘位置、手車工作、試驗位置、彈簧儲能、保護裝置信號、主泵手動、遠方控制、急停按鈕、電源故障等數(shù)字量輸入信號，模擬量輸入模塊采集楊樹浦泵站的主泵電機繞組溫度、定子繞溫度、主泵進、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(nèi)部程序進行邏輯處理，輸出控制開關合閘、分閘控制、主泵開關緊急分閘、故障跳閘、主泵內(nèi)、外側(cè)門提升等，同時，由通訊模塊實現(xiàn)PLC與現(xiàn)場多功能表的通訊、數(shù)據(jù)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

    楊樹浦泵站自控系統(tǒng)溫濕度控制回路由溫控器、風扇、加熱器組成，溫控器的輸出觸點控制加熱器或風扇，當現(xiàn)場控制柜內(nèi)溫度、濕度達到或超過設定的數(shù)值，溫控器控制加熱器或風扇接通電源工作，對控制柜進行加熱或鼓風等；一段時間后，控制柜內(nèi)溫度或濕度遠離設定值，加熱器或風扇停止工作，保證了現(xiàn)場LCU柜內(nèi)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

    楊樹浦泵站自控系統(tǒng)的觸摸屏控制回路主要用來對現(xiàn)場設備運行狀態(tài)、故障記錄實時顯示，便于用戶實時了解現(xiàn)場設備的運行狀況，對出現(xiàn)的故障及時處理，并對設備實現(xiàn)遠程操控，可以對泵組LCU柜水泵正轉(zhuǎn)起動、停止、反轉(zhuǎn)起動、停止控制等，操作簡捷方便。

3.3 設備選型

應用場景	產(chǎn)品需求	產(chǎn)品型號	產(chǎn)品描述
10kV高壓配電系統(tǒng)	10kV進線計量	PCS-9611D	實現(xiàn)對線路的保護及測控，保證線路的安全性
	進線開關	PZ96L	三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能等電參量測量
	備用自投	AM5	完成兩段母線互為備用、兩路進線互為備用以及備用電源之間的自動投入切換，備自投邏輯可圖形化編程自定義
0.4kV低壓配電系統(tǒng)	變壓器溫控器	ID-B10-10DB	根據(jù)溫升自動控制冷卻風機的啟停、超溫報警直至超高溫跳閘以保證電力變壓器的安全運行
	低壓進線	ACR220E	三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能等電參量測量
	低壓出線	PZ72L	三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電能等電參量測量
	低壓電機保護	ARD2F	電機起動超時、過載、堵轉(zhuǎn)、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、阻塞、過壓、欠壓、繞組超溫等保護
泵組LCU柜	水泵控制PLC	LK205	水泵正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)起動、停止控制，采集現(xiàn)場設備運行狀態(tài)、電力儀表參數(shù)傳送至后臺監(jiān)控
	觸摸屏	TPC1162Hi	采用10.4英寸高亮度液晶顯示屏，四線電阻式觸摸屏，預裝MCGS嵌入式組態(tài)軟件，具備強大圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能。
	溫濕度控制	WHD72-11-M	用于控制柜內(nèi)部溫度和濕度的調(diào)節(jié)控制，防止因低溫、高溫造成的設備故障及受潮或結(jié)露引起的爬電、閃絡事故發(fā)生

4 系統(tǒng)功能

4.1 現(xiàn)場監(jiān)控

    整個楊樹浦泵站控制室柜子的運行狀況關系到整個水泵能否正常運行，對控制室各個控制柜進行監(jiān)控，保證了系統(tǒng)的安全運行。

圖6 控制室

4.2 控制功能

    楊樹浦泵站自控系統(tǒng)控制分手動、現(xiàn)場PLC、遙控三種控制級別模式，以手動高于現(xiàn)場PLC控制，現(xiàn)場PLC控制高于遙控為優(yōu)先級別順序：

    手動控制：設備的現(xiàn)場控制LCU柜上的“就地/遠方”開關選擇“就地”方式時，通過現(xiàn)場控制箱上的按鈕實現(xiàn)對設現(xiàn)有設備的手動啟停、正反轉(zhuǎn)操作。

    現(xiàn)場PLC控制：現(xiàn)場控制箱上的“就地/遠方”開關選擇“遠方”方式，且現(xiàn)場控制站的“現(xiàn)場/遙控”設定為“現(xiàn)場”方式時，設備的運行*由各泵組柜PLC根據(jù)泵站采集到的相關數(shù)據(jù)及生產(chǎn)要求來完成對設備的運行或開/關控制，而不需要人工干預。

    遠程控制：現(xiàn)場控制箱上的“現(xiàn)場/遙控”開關選擇“遙控”方式時，操作人員通過自控系統(tǒng)操作站的觸摸屏畫面遠程對設備進行啟停、正反轉(zhuǎn)操作，實現(xiàn)水泵的正轉(zhuǎn)起動、停止、反轉(zhuǎn)起動、停止控制，觸摸屏遠程操控界面如下圖所示。

圖7 系統(tǒng)操作界面圖

4.3 數(shù)據(jù)采集

    系統(tǒng)主要采集現(xiàn)場電力儀表電流、電壓、功率、功率因數(shù)、電能等參數(shù)，然后通過PLC將參數(shù)傳送至上位機監(jiān)控界面實時顯示，1#水泵正反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)采集界面如下。

圖8  數(shù)據(jù)采集界面

4.4 泵組狀態(tài)采集

    楊樹浦泵站自控系統(tǒng)通過PLC控制水泵運行，同時PLC采集水泵的運行狀態(tài)，包括手動、自動、遠方運行指示、電源運行正常指示、開關柜斷路器合閘指示等，方便用戶實時了解現(xiàn)場水泵運行狀況，對出現(xiàn)的故障及時解決處理，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

    楊樹浦泵站系統(tǒng)報警顯示界面主要用來實時顯示PLC電源故障、開關柜保護裝置故障、跳閘記錄、控制電源故障、主泵接線盒進水、電機腔空氣濕度報警燈，便于用戶實時了解現(xiàn)場設備運行故障并及時處理。

圖10  報警顯示界面

5 系統(tǒng)特點

    簡便的操作模式，只需要在觸摸屏操作界面按下正轉(zhuǎn)起動、正轉(zhuǎn)停止、反轉(zhuǎn)起動、反轉(zhuǎn)停止按鈕，即可實現(xiàn)水泵的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制。

    系統(tǒng)運行可靠，提供楊樹浦泵站系統(tǒng)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)進行應急處理。

    完善的數(shù)據(jù)采集及邏輯控制，實現(xiàn)楊樹浦泵站的全部儀表數(shù)據(jù)采集和機電設備的自動化控制，泵站的控制由PLC實現(xiàn)，數(shù)據(jù)由PLC采集傳送至后臺監(jiān)控。

    安全運行監(jiān)視，操作人員借助觸摸屏系統(tǒng)人機界面，監(jiān)視泵站的現(xiàn)場運行狀態(tài)，并實時顯示，便于設備在運行狀態(tài)發(fā)生變更時及時進行分析和處理。

    實現(xiàn)自動控制，減輕泵站運行人員的勞動強度，提高安全運行水平^[4]。

6 結(jié)束語

    PLC是泵站自控系統(tǒng)*的部分，能夠?qū)崿F(xiàn)泵站系統(tǒng)的自動化控制，通過PLC為楊樹浦泵站自動控制提供自動控制的條件，體現(xiàn)了自動化的發(fā)展趨勢，PLC在泵站中主要是提升控制系統(tǒng)自動化的運行水平，能夠結(jié)合現(xiàn)場控制工藝要求，提出自動處理的方式，確保水泵運行的可靠性，因此，泵站自控系統(tǒng)在楊樹浦泵站自動化的建設方面，發(fā)揮主要作用，體現(xiàn)自動控制的優(yōu)勢。

參考文獻：

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[2].胡學林. 電氣控制與PLC[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社. 2007.8

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[4].何平, 王紀坤, 蔡敬坤等. 基于PLC的水泵站控制系統(tǒng)設計[J]. 艦船電子工程, 2010(8):183~185.