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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中得到了廣泛的應用，能夠實現對現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]等設計實現的安科瑞泵站自動化控制管理系統，系統主要實現對楊樹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、閘門開度等信號的監測，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監控，由PLC控制現場水泵、閘門等設備，并采集設備運行狀態，傳送至觸摸屏進行狀態顯示，同時通過觸摸屏實現對設備進行遠程操控，整個系統保證了楊樹浦泵站系統自動化控制，提高了泵站運行的穩定性、可靠性，具有廣泛的應用前景。
關鍵詞：楊樹浦泵站、PLC、觸摸屏、自動化控制
0引言
隨著國民經濟的飛速發展，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，擔負著排水防澇的重要任務，對泵站系統實現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，泵站自控系統應用于泵站中[2]，能夠實現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，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節[2]，負責泵站內全部工藝設備的運行控制，系統根據現場泵站運行工況來進行控制，并且泵站接收整個自控系統的全局性運行數據和調控指令，作為泵站自動控制的條件參數，以配合實現水泵系統的自動化控制。
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現對楊樹浦泵站現場設備實時控制，控制與檢測水泵、閘門的手/自動轉換、起動/停止、運行、故障信號，并將現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，為了對楊樹浦泵站實現自動化控制，實時了解現場設備的運行狀況，因此對所設計的楊樹浦泵站自控系統提出以下需求：
1) 自控功能：PLC實現對現場水泵進行自動控制，觸摸屏實現遠程操控；
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時顯示，同時采集泵組運行狀態在觸摸屏實時顯示；
3) 泵站自控系統實時反映設備的故障狀態，進行報警記錄顯示，便于后續設備故障的維修。
2項目介紹
泵站自動控制系統能夠對現有泵站控制和管理進行改造和完善，向無人化泵站監控管理發展，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場泵站自動化控制管理系統的需求，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，由現地控制級的PLC實現對楊樹浦泵站現場主泵電機、開關等設備參數采集及輸出控制，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據處理，同時利用PLC實時采集楊樹浦泵站現場高壓柜斷路器、手車工作狀態及控制電源狀態、水泵運行狀態、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傳送至觸摸屏進行狀態顯示及故障記錄，PLC輸出控制開關分閘及合閘、主泵內、外側工作門提升、主泵開關緊急分閘等，同時在觸摸屏上能夠實現對水泵正轉、反轉、起動、停止遠程操控，安科瑞泵站自控系統既能實現對楊樹浦泵站的遠程控制，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 《水泵站自動化系統設計規程》
GB 16655-1996 工業自動化系統 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化工程技術規程》
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 《安全防范工程技術規范》
GB50168 《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗收規范》
GB50150 《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》
GB50093 《工業自動化儀表工程施工及驗收規范》
3.2泵站系統介紹
楊樹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。
3.2.110KV配電系統
高壓配電系統主要由進線計量柜、進線開關柜、電壓測量、避雷器柜、站變柜、電機正轉、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據、用電量等信息采集分析，還需要實時監控現場設備運行狀態，便于及時解決故障，安科瑞泵站自控系統，綜合泵站設計規范及用戶對楊樹浦泵站監控要求，提供高壓柜電壓、電流、功率等電力參數采集顯示、水泵、閘門設備運行狀態監測、控制等功能，幫助用戶實現用電信息化、控制智能化，形成完整的楊樹浦泵閘管理系統。
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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、進線柜、電容補償柜、出線柜和聯絡柜組成，整個0.4KV低壓配電系統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將低壓配電系統柜作為公用LCU柜，主要由公用PLC采集現場斷路器分、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低壓系統圖如下圖所示。
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圖2 0.4KV配電系統圖
3.2.3 安科瑞泵站自控系統
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，實現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據采集，PLC根據現場工藝要求對水泵進行實時控制，并通過PLC采集現場水泵運行數據及電力參數，通過通訊將電力參數轉發至監控中心進行顯示，同時在觸摸屏進行泵組正轉、反轉、起動、停止操作，根據采集的水泵運行狀態，實現狀態顯示及報警記錄，楊樹浦泵站自控系統原理如下圖所示。
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圖3 楊樹浦泵站自控系統圖
1) PLC控制回路
楊樹浦泵站自控系統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浦泵站現場的斷路器合閘、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、外側門提升等，同時，由通訊模塊實現PLC與現場多功能表的通訊、數據采集，PLC控制原理圖如下圖所示。
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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，當現場控制柜內溫度、濕度達到或超過設定的數值，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，控制柜內溫度或濕度遠離設定值，加熱器或風扇停止工作，保證了現場LCU柜內溫、濕度的正常，溫濕度控制回路原理圖如下圖所示。
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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的觸摸屏控制回路主要用來對現場設備運行狀態、故障記錄實時顯示，便于用戶實時了解現場設備的運行狀況，對出現的故障及時處理，并對設備實現遠程操控，可以對泵組LCU柜水泵正轉起動、停止、反轉起動、停止控制等，操作簡捷方便。
3.3 設備選型
應用場景 | 產品需求 | 產品型號 | 產品描述 | |||
10kV高壓配電系統 | 10kV進線計量 |
| 實現對線路的保護及測控，保證線路的安全性 | |||
進線開關 |
| 三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、有功電能等電參量測量 | ||||
備用自投 |
| 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 | 變壓器溫控器 |
| 根據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、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、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、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 |
| 水泵正轉、反轉起動、停止控制，采集現場設備運行狀態、電力儀表參數傳送至后臺監控 | |||
觸摸屏 |
| 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嵌入式組態軟件，具備強大圖像顯示和數據處理功能。 | ||||
溫濕度控制 |
| 用于控制柜內部溫度和濕度的調節控制，防止因低溫、高溫造成的設備故障及受潮或結露引起的爬電、閃絡事故發生 |
4 系統功能
4.1 現場監控
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控，保證了系統的安全運行。
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圖6 控制室
4.2 控制功能
楊樹浦泵站自控系統控制分手動、現場PLC、遙控三種控制級別模式，以手動高于現場PLC控制，現場PLC控制高于遙控為優先級別順序：
手動控制：設備的現場控制LCU柜上的“就地/遠方”開關選擇“就地”方式時，通過現場控制箱上的按鈕實現對設現有設備的手動啟停、正反轉操作。
現場PLC控制：現場控制箱上的“就地/遠方”開關選擇“遠方”方式，且現場控制站的“現場/遙控”設定為“現場”方式時，設備的運行*由各泵組柜PLC根據泵站采集到的相關數據及生產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：現場控制箱上的“現場/遙控”開關選擇“遙控”方式時，操作人員通過自控系統操作站的觸摸屏畫面遠程對設備進行啟停、正反轉操作，實現水泵的正轉起動、停止、反轉起動、停止控制，觸摸屏遠程操控界面如下圖所示。
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圖7 系統操作界面圖
4.3 數據采集
系統主要采集現場電力儀表電流、電壓、功率、功率因數、電能等參數，然后通過PLC將參數傳送至上位機監控界面實時顯示，1#水泵正反轉數據采集界面如下。
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圖8 數據采集界面
4.4 泵組狀態采集
楊樹浦泵站自控系統通過PLC控制水泵運行，同時PLC采集水泵的運行狀態，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場水泵運行狀況，對出現的故障及時解決處理，狀態顯示界面如下圖所示。
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圖9 泵組狀態顯示界面
4.5 報警顯示
楊樹浦泵站系統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場設備運行故障并及時處理。
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圖10 報警顯示界面
5 系統特點
簡便的操作模式，只需要在觸摸屏操作界面按下正轉起動、正轉停止、反轉起動、反轉停止按鈕，即可實現水泵的正轉、反轉控制。
系統運行可靠，提供楊樹浦泵站系統主要設備的運行狀態報警記錄顯示，便于操作人員對于故障報警和事故狀態進行應急處理。
完善的數據采集及邏輯控制，實現楊樹浦泵站的全部儀表數據采集和機電設備的自動化控制，泵站的控制由PLC實現，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，監視泵站的現場運行狀態，并實時顯示，便于設備在運行狀態發生變更時及時進行分析和處理。
實現自動控制，減輕泵站運行人員的勞動強度，提高安全運行水平[4]。
6 結束語
PLC是泵站自控系統*的部分，能夠實現泵站系統的自動化控制，通過PLC為楊樹浦泵站自動控制提供自動控制的條件，體現了自動化的發展趨勢，PLC在泵站中主要是提升控制系統自動化的運行水平，能夠結合現場控制工藝要求，提出自動處理的方式，確保水泵運行的可靠性，因此，泵站自控系統在楊樹浦泵站自動化的建設方面，發揮主要作用，體現自動控制的優勢。
參考文獻：
[1].周中等編著. 智能電網用戶端電力監控與電能管理系統產品選型及解決方案[M]. 北京. 機械工業出版社. 2011.10
[2].胡學林. 電氣控制與PLC[M]. 北京:冶金工業出版社. 2007.8
[3].吳秀麗. 排水泵站中的PLC控制系統應用[J]. 機電工程技術, 2007(3):102~105.
[4].何平, 王紀坤, 蔡敬坤等. 基于PLC的水泵站控制系統設計[J]. 艦船電子工程, 2010(8):183~185.
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