基于PLC泵站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
發(fā)布日期：2022-04-27 點(diǎn)擊率：56
1 引言
卿頭加壓泵站位于永濟(jì)市卿頭正西南處,引黃濟(jì)運(yùn)輸水管線37+400處,占地1.33畝。加壓泵站于2007年12月建成,并取得試運(yùn)行成功,使得引黃濟(jì)運(yùn)工程日輸水能力從4萬(wàn)方提高到6萬(wàn)方。該泵站使用在大口徑管道中直接對(duì)口加壓,此模式已投入運(yùn)行近5年,極大緩解了原水供給不足的矛盾,保證了運(yùn)城市區(qū)人們的正常生產(chǎn)生活用水需求。
卿頭加壓泵站內(nèi)設(shè)高壓配電室、值班室及泵房。高壓配電室設(shè)備有高壓開(kāi)關(guān)柜和高壓變頻器柜。其中,高壓開(kāi)關(guān)柜依次為進(jìn)線柜、計(jì)量柜、變用站柜、電容柜、1#電機(jī)啟動(dòng)柜及2#電機(jī)啟動(dòng)柜,每個(gè)開(kāi)關(guān)柜內(nèi)配有高壓綜合保護(hù)裝置,具有標(biāo)準(zhǔn)的RS485通信功能。高壓變頻控制柜主要包括移相變壓器、功率模塊和控制模塊三部分。值班室內(nèi)設(shè)閥門操作屏及壓力報(bào)警屏。其中閥門操作屏完成2個(gè)進(jìn)水閥門,2個(gè)出水閥門及1個(gè)旁通閥門的現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)閥,并且每個(gè)閥門具有開(kāi)到位、關(guān)到位、過(guò)力矩及電源指示功能。壓力報(bào)警屏內(nèi)配有4塊光柱數(shù)顯表及報(bào)警器,每塊數(shù)顯表采集機(jī)組前后壓力變送器傳來(lái)的壓力數(shù)據(jù)。泵房?jī)?nèi)設(shè)機(jī)組2臺(tái),一用一備,其中電機(jī)電壓為10KV,功率為400KW。改造前設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)的采集均由值班人員現(xiàn)場(chǎng)操作來(lái)完成。通過(guò)設(shè)置變頻器的人機(jī)界面來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行頻率給定及機(jī)組的啟停操作,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作閥門控制屏來(lái)開(kāi)關(guān)5個(gè)閥門。因此對(duì)現(xiàn)有泵站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改造和完善,以達(dá)到減員增效,進(jìn)而提高自動(dòng)化水平及經(jīng)濟(jì)效益刻不容緩[1]。
2 監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析
在值班室設(shè)監(jiān)控中心,并配一主控柜,可實(shí)現(xiàn)與閥門控制屏及壓力報(bào)警屏的監(jiān)控功能。實(shí)現(xiàn)接收電動(dòng)閥門的開(kāi)閥、關(guān)閥及停閥命令;采集各個(gè)閥門的位置狀態(tài)及機(jī)組進(jìn)出水口處的壓力。
遠(yuǎn)程狀態(tài)下,監(jiān)控中心可實(shí)現(xiàn)與高壓變頻器及高壓開(kāi)關(guān)柜的通信。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程給定高壓變頻器運(yùn)行頻率,接收變頻器開(kāi)機(jī)、停機(jī)命令;采集的數(shù)據(jù)主要有高壓變頻器的運(yùn)行頻率、設(shè)定頻率、輸入輸出電壓、輸入輸出電流;高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)綜合保護(hù)裝置中的各種參數(shù),例如線電壓、相電壓等。
監(jiān)控中心可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)機(jī)組的溫度采集功能。每臺(tái)電機(jī)采集的參數(shù)包括電機(jī)定子溫度、轉(zhuǎn)子溫度、軸伸端軸承溫度及非軸伸端軸承溫度。
監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有遠(yuǎn)程機(jī)組控制、監(jiān)測(cè)、自動(dòng)采集的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)功能,而且具有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警、存儲(chǔ)、曲線、查詢、匯總、打印輸出及報(bào)警功能[2]。這樣在簡(jiǎn)化開(kāi)機(jī)啟動(dòng)流程的基礎(chǔ)上,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,大大提高了工作效率。
3 泵站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
監(jiān)控系統(tǒng)按照分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活、組態(tài)方便的設(shè)計(jì)思想,分別實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和水泵機(jī)組的啟停控制。系統(tǒng)由3層結(jié)構(gòu)組成,分別是管理層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)層。管理層為工業(yè)計(jì)算機(jī),其主要作用是與控制層的PLC通信,獲得生產(chǎn)過(guò)程所需的數(shù)據(jù),顯示工藝流程,提示報(bào)警,生成報(bào)表并支持報(bào)表打印。控制層為PLC控制柜,變頻控制柜及高壓綜合保護(hù)裝置,其作用一是用于采集2臺(tái)機(jī)組前后的壓力、電機(jī)溫度參數(shù)及高壓開(kāi)關(guān)柜的電氣參數(shù);二是接收工業(yè)計(jì)算機(jī)的命令,實(shí)現(xiàn)閥門及電機(jī)的啟停。現(xiàn)場(chǎng)層為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,是控制系統(tǒng)信號(hào)的提供者,如水泵電機(jī)內(nèi)溫度傳感器、壓力傳感器、閥門到位信號(hào)等。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
4 泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目主要是通過(guò)設(shè)計(jì)PLC主控柜、電機(jī)溫度子站,構(gòu)建工業(yè)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò),開(kāi)發(fā)卿頭泵站集中監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制及各系統(tǒng)參數(shù)的集中監(jiān)控。
PLC主控柜為監(jiān)控系統(tǒng)的核心,內(nèi)部由一系列PLC組件組成。PLC為可編程邏輯控制器,它采用一類可編程的存儲(chǔ)器,用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序,執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令,并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。本主控柜既要實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門穩(wěn)定的控制功能,又要完成實(shí)時(shí)采集機(jī)組前后壓力以及電機(jī)溫度功能,同時(shí)還具備與工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的功能。因此,系統(tǒng)選用全球知名品牌的西門子可編程控制器。為了完成上述功能,根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模統(tǒng)計(jì)要求,
監(jiān)控系統(tǒng)中電機(jī)溫度采用分布式IO設(shè)備ET200M來(lái)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng),該網(wǎng)絡(luò)在物理層是基于屏蔽雙線的電氣網(wǎng)絡(luò),傳輸協(xié)議采用PROFIBUS DP,使CPU和分布式IO設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)快速、循環(huán)的數(shù)據(jù)交換。[3]DP主站即主控柜,是控制CPU和分布式IO設(shè)備之間的連接,它通過(guò)PROFIBUS DP與分布式IO設(shè)備交換數(shù)據(jù)并監(jiān)視DP網(wǎng)絡(luò)通信狀況。分布式IO設(shè)備,即DP從站,負(fù)責(zé)在現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備數(shù)據(jù),使得數(shù)據(jù)可以通過(guò)PROFIBUS DP發(fā)送至CPU。本系統(tǒng)1#、2#電機(jī)溫度保護(hù)柜作為分布式IO設(shè)備,采用現(xiàn)場(chǎng)通信總線,完成與主控柜的通信。它是由一個(gè)IM153-1和一個(gè)4通道組中的RTD電阻溫度計(jì)的8點(diǎn)輸入。
系統(tǒng)中高壓變頻器為HARVSERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng),它采用單元串聯(lián)多電平技術(shù),屬于高-高電壓源變頻器,10KV輸入,直接10KV高壓輸出。其中高壓變頻器的控制器采用西門子CPU224 XP處理器。該處理器具有兩個(gè)獨(dú)立的RS485通信口,其中Port0用于人機(jī)界面通信,Port1用于與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信。本通信口采用平衡信號(hào)傳輸方式,可有效地抑制傳輸過(guò)程中干擾,具有通信速率高、通信距離長(zhǎng)及并聯(lián)接到多個(gè)端口的特點(diǎn)。[4]網(wǎng)絡(luò)通信方式為半雙工。Port1通信協(xié)議采用西門子專為S7-200開(kāi)發(fā)的PPI通信協(xié)議,通信規(guī)約為:數(shù)據(jù)位8位,停止位1位,無(wú)校驗(yàn),波特率9600,地址位為2。泵站監(jiān)控系統(tǒng)基于該網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)遠(yuǎn)程啟停高壓變頻器。
監(jiān)控系統(tǒng)中高壓開(kāi)關(guān)柜的運(yùn)行參數(shù)是通過(guò)內(nèi)部的高壓綜合保護(hù)裝置進(jìn)行聯(lián)網(wǎng),采用mark校驗(yàn)碼、波特率9600、1位停止位及8位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)規(guī)約,來(lái)完成高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)遙測(cè)量、遙信量及遙控量的數(shù)據(jù)采集功能。
監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)通信功能主要由以太網(wǎng)通信模塊和串口服務(wù)器來(lái)完成。前者主要實(shí)現(xiàn)將主控柜內(nèi)CPU處理的數(shù)據(jù)通過(guò)TCP/IP協(xié)議傳入工業(yè)計(jì)算機(jī),它采用全雙工通信方式,通信速率高達(dá)100Mbit/s。后者由于工業(yè)計(jì)算機(jī)RS232通信口數(shù)量的局限性,監(jiān)控系統(tǒng)采用串口服務(wù)器,它提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能,能夠?qū)S485串口轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口,實(shí)現(xiàn)RS485串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。使得串口設(shè)備能夠立即具備TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口功能,連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,這樣極大地?cái)U(kuò)展串口設(shè)備的通信距離。高壓變頻控制柜及綜合保護(hù)裝置就是通過(guò)該設(shè)備實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)共享功能。
5 泵站監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
根據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)控需求,本系統(tǒng)采用了西門子公司的S7-300可編程控制器和8路串口服務(wù)器組成。主要包括一個(gè)DP主控柜主站,2個(gè)DP電機(jī)溫度從站,1個(gè)高壓變頻子站及5個(gè)高壓綜合保護(hù)裝置子站。DP主站模塊主要有1個(gè)電源模塊、1個(gè)CPU模塊,2個(gè)模擬模塊,1個(gè)開(kāi)關(guān)量模塊,1個(gè)通信模塊。其中,CPU模塊選擇為313C-2DP緊湊型CPU,通信模塊為以太網(wǎng)CP343-1通信處理器。DP從站模塊主要有1個(gè)電源模塊、1個(gè)IM153接口模塊,1個(gè)SM331 8XRTD模擬模塊。 [5]高壓變頻子站與高壓綜合保護(hù)裝置通過(guò)串口服務(wù)器連接,通過(guò)交換機(jī)完成監(jiān)控軟件與子站的通信。
主控柜主站實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門控制、壓力采集,完成與2個(gè)電機(jī)溫度保護(hù)子站的連接需要對(duì)PLC進(jìn)行組態(tài)。本系統(tǒng)編程軟件選用STEP V5.4組態(tài)軟件。進(jìn)入軟件后先對(duì)主站進(jìn)行硬件組態(tài),選定S7-313 2DP為主站系統(tǒng),然后添加2個(gè)ET200M的接口模塊為DP從站。本次設(shè)計(jì)中兩臺(tái)電機(jī)溫度子站的地址分別為3號(hào)、4號(hào)站。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,設(shè)定波特率為9600bps。最后建立一個(gè)數(shù)據(jù)塊,用于觀測(cè)實(shí)時(shí)通訊效果。組態(tài)效果如圖2所示。
系統(tǒng)硬件組態(tài)成功后,根據(jù)2臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行工藝要求,編寫(xiě)控制程序。主要包括閥門操作及高壓變頻器操作兩部分。機(jī)組開(kāi)機(jī)條件為:電機(jī)啟動(dòng)柜合閘,高壓開(kāi)關(guān)柜不存在故障報(bào)警。同時(shí)高壓變頻器工作狀態(tài)為遠(yuǎn)程并且處于高壓就緒狀態(tài)、不存在故障報(bào)警。
6 結(jié)束語(yǔ)
在泵站監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中,上位機(jī)系統(tǒng)利用工控軟件Kingview6.52進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),下位機(jī)使用抗干擾性強(qiáng)、使用廣泛的S7-300 PLC的監(jiān)控方案。目前該方案的系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于卿頭加壓泵站,其運(yùn)行效果良好,性能穩(wěn)定可靠。對(duì)于今后水廠泵站改造及建設(shè)具有借鑒意義。
