SIEMENS SIMATIC S7-300 PLC在排水泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

排水泵站（下簡稱泵站）作為市政建設和管理工程的主要設施，擔負著城市排水防澇的重要任務。從目前國內大部分的泵站控制和管理來看還是處于相當 落后的狀況，與國外相比具有很大的差異。 在電氣控制上，自動化監(jiān)控程度低，大部分的泵站僅有單級的常規(guī)控制。在管理水平上，大部分泵站的管理記錄和統(tǒng)計都是手工操作。泵站控制和管理沒有形成區(qū)域化的網絡。隨著國民經濟的飛速發(fā)展，對市政建設和管理提出了更高的要求。所以必需對現(xiàn)有泵站控制和管理進行改造和完善。向國外無人化泵站監(jiān)控管理發(fā)展，以達到減員增效和提高管理水平的目的。該項目是以上海市浦東新區(qū)塘橋泵站為實施對象，進行整個泵站的自動化監(jiān)控和管理的改造。 2.泵站工況概述 塘橋泵站位于上海市浦東新區(qū)塘橋路黃浦江邊，該泵站主要用于附近地區(qū)的污水排放處理和防汛抗?jié)?。服務面積240公頃，總排水量為13.8米3/秒。 2.1設備分布 同大部分的泵站一樣，其設備分布平面圖如下（圖1）所示。 ①進出水閘門：用來防止黃浦江江水倒灌和泵站維修。 ②集水池：地下管道的污水匯集在此集水池，集水池被不銹鋼格柵分成內外區(qū)，污水由內區(qū)流經格柵除污后，到外區(qū)排入黃浦江中。集水池內外區(qū)邊安裝有超聲波液位儀用來檢測內外區(qū)水位和水位差。 ③除污機：泵站裝有鋼絲繩牽引式格柵除污機2臺，除污機用于把附于格柵上的垃圾和污物從集水池中提出來處理。 ④變壓器房：為保證泵站的可靠工作，泵站建有兩座800KVA電力變壓器。電力變壓器安裝有溫度監(jiān)控器監(jiān)測三相溫度，當溫度超限能自動啟動風機降溫和報警。 ⑤水泵房：塘橋泵站安裝了六臺180 kW的軸流水泵；在存水房裝有水位檢測器。 ⑥控制柜房：房內裝有進線柜2臺（柜1，13）；功率因素補償柜4臺（柜2，3，11，12）；泵開關柜（柜4-6，8-10）和聯(lián)接柜1臺（柜7）。 圖1 2.2控制要求 以塘橋泵站為設施對象，進行整個泵站的自動化監(jiān)控和管理的改造。 ①改造泵站的水泵控制開關柜，使之具有就地和遠程控制的功能。 ②改造泵站的功率因素補償柜，能實現(xiàn)就地自動補償和遠程電網監(jiān)控。 ③改造泵站的變壓器房對于變壓器A，B，C三相溫度進行遠程顯示，高溫報警等功能； ④建立泵站的控制室，對泵站實施三級控制，在控制室內設置自動化監(jiān)控操作臺和信號處理柜。 ⑤采用SIEMENS的S7-300系列PLC，對整個泵站實現(xiàn)自動化監(jiān)控 ，水泵將根據(jù)泵的狀態(tài) ，水位，雨量，電網狀況，閘門位置等工況自動投切。 ⑥通過對水位差的檢測，提示或自動投切除污機。 ⑦采用高性能的10英寸真彩LCD觸摸式顯示屏，對整個泵站進行動態(tài)監(jiān)控管理，故障報警，工況記錄和報表打印。 ⑧預留通信接口，可通過電話線路或DDN網聯(lián)網進行區(qū)域監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳送。 3.硬件系統(tǒng)構成 根據(jù)以上要求，我們開發(fā)研制了下述這套塘橋泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的結構見圖2。 主要 的配置如下。 3．1 PLC配置 泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的PLC采用SIEMENS的S7-300系列。根據(jù)系統(tǒng)要求 ，PLC總體配置如下： ① 中央處理模塊（CPU）：選用CPU314，內存RAM擴展到64K。 ② 數(shù)字量輸入模塊（DI）：選用SM321,共8塊（16點/塊）。處理128點輸入信號。 ③ 數(shù)字量輸出模塊（DO）：選用SM322,4塊為16點/塊，4塊為8點/塊。處理96點輸出信號。 ④ 模擬量輸入模塊（AI）：選用SM331,共3塊（8點/塊）。處理24點輸入信號。 ⑤ 通信模塊：選用CP340,共2塊，1塊為RS232接口，1塊為RS485接口。 PLC采用了四個框架，在RTU信號柜內有三個，其中一個為備用擴展框架；另一個在操作臺內，通過IM361擴展連接，這樣簡化了接線，大大地提高可靠性。 3．2觸摸屏配置 觸摸屏采用了日本DIGTAL公司的570 HMI（當時SIEMENS還沒有此類HMI）來 實 現(xiàn)上述要求。HMI是以RS232接口與PLC的CP340連接，采用SIEMENS的3964R的協(xié)議完 成 通信。 3．3電網監(jiān)控配置 電網監(jiān)控采用法國SOCOMEC公司的DIRIS M型的電量監(jiān)控器，可檢測三相四線制 的相電壓，線電壓，相電流，零線電流，有功無功功率，功率因素，頻率及相應的最大值。監(jiān)控器以RS485接口采用MODBUS協(xié)議與PLC的CP340連接，傳送電網監(jiān)控數(shù)據(jù)。因為泵站是采用 雙路電網進線，故應用了兩套電量監(jiān)控器，分別安裝兩側進線柜上。 其他的裝置的信號都是通過數(shù)字量或模擬量點出點入與PLC連接。 圖2 4．軟件監(jiān)控實現(xiàn) 塘橋泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要有兩部分：PLC監(jiān)控軟件和觸摸屏圖控軟件。 PLC監(jiān)控 軟件由幾大模塊組成。 4．1系統(tǒng)檢測和故障處理模塊 系統(tǒng)檢測處理所有的輸入信號，根據(jù)具體情況將作出不同響應。處理的信號有：六臺泵電機的溫度和振動；進出水閘門狀態(tài)；存水房液位；防火防盜安全；兩臺電源變壓器溫度；雨量；四臺功率因素補償柜工況；電網工況（電壓欠壓和過壓監(jiān)控；三相電流過載監(jiān)控；缺相監(jiān)控；三相不平衡監(jiān)控；功率過載監(jiān)控；功率因素監(jiān)控；電量累計）；污水池水位等。 系統(tǒng)故障分類為三級:一級故障定義為最高級。當發(fā)生此類故障，將禁止所有控制輸出。聲光報警，記錄打印，在顯示屏上顯示故障類型和解決方法。只有在排除故障，按人工復位鍵后系統(tǒng)恢復正常工作。二級故障定義為次級。當發(fā)生此類故障時將禁止故障點的控制輸出，系統(tǒng)作自動調正繼續(xù)當前操作。故障報警和恢復同一級故障。三級故障定義位最低級。當發(fā)生此類故障時，僅聲光預警，不中斷當前操作。根據(jù)系統(tǒng)中產生的各種故障實施相關的故障聲光報警和記錄。此刻觸摸式顯示屏進入故障報警畫面，顯示故障內容，性質，地點，時刻和解決方案，并打印。 4．2除污機和排水泵的運行處理 泵站有兩臺除污機,系統(tǒng)對除污機的工況進行監(jiān)控。故障信號置位，置二級故障報警，由<系統(tǒng)故障處理>模塊處理。根據(jù)信號狀態(tài)點亮或熄滅有關指示燈。機同時在觸摸式顯示屏上顯示。當除污機柜上的選擇開關選擇遠控，操作臺在泵自動運行前，先進行排污操作。采用水位差檢測，則根據(jù)水位差標志實施自動排污。在自動排污時，先在現(xiàn)場聲光預警，再運行裝置。 泵啟動柜有六臺與操作臺相聯(lián)進行控制。 ①當故障信號置位，置二級故障報警，由<系統(tǒng)故障處理>模塊處理。 ②根據(jù)信號狀態(tài)點亮或熄滅有關指示燈。 ③當泵開關柜上的選擇開關選擇遠控，在操作臺上可實施四種泵運行方式：手動方式；自動方式；預抽空方式；檢修方式。 ④在操作臺上對每臺泵設置有各自的狀態(tài)指示燈；手動操作按紐和選擇開關。 ⑤單臺泵的選擇開關有四檔：停止；檢修；手動和自動。當設置手動檔時可實施手動或預抽空操作。在自動檔時則允許該泵進入系統(tǒng)自動運行組態(tài)。 ⑥在系統(tǒng)操作上設置有三檔的選擇開關：停止；自動和預抽空。<停止>禁止所有泵的運行；<自動>允許單臺泵選擇開關設置在自動檔的泵進入自動運行組態(tài)。<預抽空>允許單臺泵選擇開關設置在手動檔的泵預抽空運行。 ⑦泵的啟動和停止要延時依次投入和退出。 ⑧泵的基本聯(lián)鎖條件：A.一級故障，電源故障禁止所有泵運行；B.泵電機故障，泵啟動柜故障禁止對應泵運行；C.泵的不同運行要附合上述泵啟動柜，操作臺之間的正確設置；D.水位聯(lián)鎖。 ⑨當滿足上述不同聯(lián)鎖條件，泵可進入手動，檢修,預抽空或自動運行。 ⑩在泵自動運行時,要根據(jù)水位點和水位區(qū)來確定需運行的泵數(shù)；判斷能投入自動組態(tài)的泵是否滿足上述要求，如不滿足，則故障報警；如可組態(tài)的泵多于所需投入運行的泵，則依據(jù)這些泵運行時間累計數(shù)小的泵投入運行。隨著水位降低，逐步退出當前運行時間最長的泵。 4．3數(shù)據(jù)處理和人機界面處理 ①數(shù)據(jù)統(tǒng)計：泵啟動柜交流接觸器動作計數(shù)；泵運行時間累計；泵站排水量累計；降雨量累計；用電量累計。 ②數(shù)據(jù)設置：水位值，水位差值和流量值設置；變壓器的溫度和瓦斯值設置；雨量值設置；泵電機的溫度和震動值設置；電力參數(shù)設置；防盜有效與否設置。 ③與觸摸式顯示屏的數(shù)據(jù)通信：觸摸式顯示屏采用工業(yè)級人機介面。主要完成下列任務：泵站運行監(jiān)控；故障報警,記錄和排除提示；參數(shù)設置；模擬鍵盤操作；數(shù)據(jù)記錄處理；工藝曲線顯示；工況模擬顯示；泵站概貌顯示。 ④打印機打印處理：故障隨機打印；運行狀態(tài)打印；參數(shù)設置打??；工作報表打??；動態(tài)曲線打?。辉O備狀態(tài)打??；數(shù)據(jù)統(tǒng)計打印；顯示屏幕打印。 5．結語 塘橋泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)自1998年改造至今已近兩年，正常運行證明：整個系統(tǒng)設計合理 先進；操作簡便；可靠性高；完全符合用戶預期的要求，將推廣應用至其他地區(qū)。