PLC 與觸摸屏在大壩進(jìn)水塔滲漏排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

0   引言

    河南省某大壩進(jìn)水塔的兩個滲漏集水池位于大壩的底部，潛水泵、離心泵等排水設(shè)備和原來的電氣控制柜則位于集水池上方的滲漏排水泵房內(nèi)。工作人員只能根據(jù)巡查情況，就地手動控制進(jìn)行排水，由于進(jìn)水塔滲漏水在水量和時間上有很大的隨機性和不確定性（會依據(jù)天氣和季節(jié)變化的不同而不同），這就給操作人員和大壩的管理帶來了很大的困難，曾經(jīng)就出現(xiàn)過由于短時間內(nèi)積水過多，大壩底部廊道內(nèi)的部分檢測設(shè)備被淹（包括滲漏排水設(shè)備本身）的情況，造成了很大的經(jīng)濟損失；且由于電氣控制柜位于大壩底部，環(huán)境潮濕，滲漏水滴經(jīng)常落到控制柜上，造成控制柜電氣元件受潮，出現(xiàn)短路或拒動，給滲漏排水系統(tǒng)的控制帶來了很大的麻煩。因此有必要將電氣控制柜上移至進(jìn)水塔塔面，改善運行環(huán)境，并將兩個集水池的排水設(shè)備用一套控制設(shè)備來進(jìn)行集中監(jiān)控。控制系統(tǒng)主要采用自動控制方式，根據(jù)滲漏水量的大小及時啟動排水量較小的潛水泵和排水量較大的離心泵進(jìn)行排水， 以保證泵房的安全穩(wěn)定運行。

 
1    工藝流程與監(jiān)控要求
1.1 工藝流程
      進(jìn)水塔滲漏水量較小時，經(jīng)過一定時間的積累，達(dá)到主用潛水泵啟動水位 2.40m，用主用潛水泵 D3 進(jìn)行排水；當(dāng)水量增大時，達(dá)到備用潛水泵啟動水位 2.60m，增加備用潛水泵D4進(jìn)行排水；在此過程中，若水位回落到停泵水位 1.5m時，則停止?jié)撍?；若水量進(jìn)一步增大，以致達(dá)到主用離心泵啟動水位 2.80m和備用離心泵啟動水位 3.00m時，則分別啟動主用離心泵 D1 和備用離心泵 D2 進(jìn)行排水。此時潛水泵作為離心泵的充水泵，同時啟動潛水泵 D3、D4，打開充水電磁閥 Z1（或 Z2），延時 3 分鐘左右并且達(dá)到一定壓力要求后啟動離心泵并打開排水電動閥門 F1（或 F2）進(jìn)行排水，然后關(guān)閉潛水泵 D3、D4 和電磁閥 Z1（或 Z2）。在排水過程中，若水位回落到停泵水位 1.50m，則關(guān)閉離心泵。在關(guān)閉離心泵時， 要先關(guān)閉相應(yīng)的電動閥 F1 或 F2， 然后再關(guān)閉離心泵。 其滲漏排水設(shè)備布置如圖 1所示。

1.2 系統(tǒng)要求
      整個系統(tǒng)由兩個電力中心進(jìn)行供電，控制設(shè)備對供電進(jìn)行選擇，以確保系統(tǒng)在任何一個電力中心電源正常的情況下都能夠正常工作。
      在控制柜的控制面板上安裝有自動/手動/觸摸屏手動三位切換旋鈕， 以及各個設(shè)備的手動控制旋鈕，通過控制面板和觸摸屏可以對各個設(shè)備進(jìn)行手動控制。
      在集水池中安裝兩套水位計，以確保在任何一套水位計正常的情況下，滲漏排水系統(tǒng)都能夠正常工作。一套水位計采用節(jié)點式的，檢測四個啟泵水位和一個停泵水位；另一套采用模擬式的，不但可以在觸摸屏上顯示集水池的實時水位，而且還可以通過PLC內(nèi)部的算法模擬出與節(jié)點式的水位計等同的水位信號，然后與節(jié)點式水位計的信號進(jìn)行并聯(lián)，以確保整個控制系統(tǒng)控制信息的可靠性。
      當(dāng)水位達(dá)到備用離心泵啟動水位（即警戒水位）時，報警電鈴自動鳴響，報警指示燈閃爍，工作人員發(fā)現(xiàn)警戒情況后，可以按下相應(yīng)按鈕，關(guān)閉電鈴；但報警指示燈仍閃爍報警，直至水位回落到警戒水位以下。
      本系統(tǒng)的監(jiān)控部分包括：兩路電源的供電情況；2#明流塔和 3#發(fā)電塔的水位高程及集水井水位信息；所有電氣設(shè)備原件如兩塔潛水泵、離心泵、電動閥、電磁閥等動作情況；正常時水流量及啟泵后排水量的監(jiān)控等。

 
2   系統(tǒng)硬件構(gòu)成 
      本系統(tǒng)上位機采用 Nematron 公司的PV6100i 系列觸摸屏，下位機采用 GE 公司 PLC。觸摸屏可讀取 PLC 中所有的輸入、輸出寄存器，內(nèi)部寄存器等的值，動態(tài)顯示水位高低，設(shè)備運行情況等，并能采集、顯示水位信息和歷史動作，方便工作人員的監(jiān)控。PLC 控制輸入、輸出信號的邏輯關(guān)系，控制接觸器驅(qū)動現(xiàn)場的閥門、水泵等執(zhí)行機構(gòu)。二者通訊時PLC 出口為RS-485,觸摸屏入口為RS-232。
2.1 上位機硬件
      PV6100i 系列觸摸屏擁有良好的人機界面，能在最大程度上提高一般控制系統(tǒng)或 PLC工作站應(yīng)用的綜合能力。開發(fā)環(huán)境簡單，可以與主流PLC 進(jìn)行無縫連接；支持多種 USB 設(shè)備。
      該系統(tǒng)采用的觸摸屏特征參數(shù)為：4線純電阻式觸摸屏；寬屏幕800×480；TFT 液晶人機界面； 24V直流供電； 128MB閃存； 68MB DDR2隨機存儲器； 自帶32位的RISC 400MHz處理器； 支持多種接口： 1個串口 COM1(RS -232/ RS-485  2W/4W),串口 COM2 (RS-232)，串口COM3(RS-232/RS-485  2W)；1 個USB主從機接口；支持 SD卡等。
2.2 下位機硬件 
      本控制系統(tǒng)主要有一個PLC 控制柜和一個動力柜組成。新控制系統(tǒng)把兩個泵房中的電動閥、電磁閥、潛水泵、離心泵等用信號電纜和動力電纜分別接入PLC 柜和動力柜內(nèi). 
      系統(tǒng)PLC 采用GE Fanuc公司生產(chǎn)的系列 90-30 PLC。該系列PLC具有強大的功能，能滿足各種工業(yè)解決方案的要求，已有的記錄表明它在 200000多項應(yīng)用中被采用。
      通過對系統(tǒng)的輸入設(shè)備和控制對象的分析，本系統(tǒng)選用 IC693CPU350 型 CPU，共用 2個開量輸出模塊，4個開關(guān)量輸入模塊，1個模擬輸入模塊，安裝在1 個 10 槽基架上。其中實際使用輸入 62點、輸出 28點、模擬輸入2點。具體選擇PLC 硬件模塊如下：
    （1）CPU 模塊型號：IC693CPU350，該 CPU 基于高性能的 386EX 處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)快速計算和大吞吐量；
    （2）背板：選用一塊 10槽的 IC693CHS391背板，用于支持各模塊的安裝；
    （3）電源模塊：選用 IC693PWR321，為PLC 系統(tǒng)提供充足的電源；
    （4）離散量輸入模塊：選用 4塊 IC693MDL645，用于接收現(xiàn)場各個離散量信號；
    （5）離散量輸出模塊：選用 2塊 IC693MDL741，用于控制現(xiàn)場的各個設(shè)備；
    （6）模擬量輸入模塊：選用 IC693ALG221，用于采集兩個集水池的水位高度信號和兩個泵房的排水流量；

 
3    系統(tǒng)軟件構(gòu)成
3.1 上位機軟件
      上位機采用觸摸屏內(nèi)置屏幕設(shè)計程序 ViewBuilder 8000進(jìn)行界面編程。 它具有豐富的圖形庫和強大的圖形組態(tài)工具，支持報警管理 、安全管理 、趨勢管理、菜單管理等功能，使得開發(fā)和應(yīng)用管理更加方便。觸摸屏編程時，通過USB 接口與PC 機相連。
      本系統(tǒng)人機界面的設(shè)計包括主界面的設(shè)計、實時參數(shù)顯示設(shè)計、實時曲線設(shè)計、歷史記錄設(shè)計等；系統(tǒng)的畫面設(shè)計所應(yīng)用的主要元件包括字符串設(shè)定、觸摸鍵設(shè)定、畫面切換、數(shù)值顯示、歷史曲線及歷史趨勢圖等。
      系統(tǒng)設(shè)計了兩個滲漏排水泵房中各個設(shè)備的手動控制界面， 根據(jù)滲漏排水泵房內(nèi)排水設(shè)備的實際位置設(shè)計了仿真畫面，動態(tài)顯示出現(xiàn)場的潛水泵、離心泵、電動閥、電磁閥等設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，并實時顯示水位的高度、流量的大小。還設(shè)計了兩個泵房的聯(lián)合監(jiān)控界面，便于用戶的操作（如圖 2所示，其中水位高程為集水井水位再加一個基準(zhǔn)高程）。各個界面下設(shè)有切換按鈕，可以方便的切換到其它界面。并且利用觸摸屏的數(shù)據(jù)記錄功能，記錄水位、流量信息及潛水泵、離心泵、電動閥、電磁閥等設(shè)備開關(guān)時間信息等，并形成實時和歷史趨勢畫面；可定期導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后形成 Excel 文檔，便于在 PC 機上進(jìn)行后期分析處理。

3.1.1參數(shù)設(shè)定
     由于ViewBuilder 8000軟件適用于幾個系列的機型，在編程開始時，要選擇與本項目所對應(yīng)的機型。本項目使用的是 PV6100i 系列觸摸屏，故選擇PV-8070iH/PV-6100i/PV-8100i(800x480)，并選擇相應(yīng)的PLC 類型(GE Fanuc SNP-X)。
     設(shè)置通訊參數(shù)：觸摸屏的通訊參數(shù)必須與 PLC 一致，否者二者不能進(jìn)行通訊。接口類型為 RS-232，采用 COM1 口通訊，波特率為 19200，數(shù)據(jù)位 8 位，奇偶校驗為奇校驗，停止位 1位。
3.1.2相關(guān)信息的采樣與顯示
    1、水位信息的采樣與顯示：
     本系統(tǒng)的水位信息采樣分為兩部分：1、周期采樣；2、觸發(fā)采樣。
   （1）周期采樣：
     PLC 將水位傳感器采集到的 2#明流塔水位高程、集水井水位以及 3#發(fā)電塔水位高程、集水井水位等水位信息分別存入其內(nèi)部寄存器 R1,R3,R5,R7當(dāng)中。每隔 120 分鐘，觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，通過讀取PLC的內(nèi)部寄存器，可獲得水位信息，還可以保存讀取到的數(shù)據(jù)，以歷史數(shù)據(jù)的方式顯示以往的水位信息，方便工作人員分析水位速度和趨勢。
   （2）觸發(fā)采集：
     一旦 2#明流塔或 3#發(fā)電塔的水泵啟動工作，便觸發(fā)相應(yīng)塔的水位信息采樣，每隔 1 分鐘，觸摸屏就讀取分別保存在 PLC 的內(nèi)部寄存器 R1,R3,R5,R7 中的水位信息，進(jìn)行 1 次采樣。這樣可以獲得泵啟動后水位變化的實時信息，便于工作人員掌握水泵的排水量和排水能力。并保存讀取到的數(shù)據(jù)，方便工作人員的查詢。
    2、動作采樣及顯示：
     觸摸屏可以讀取 PLC 的內(nèi)部所有輸入寄存器，輸出寄存器，內(nèi)部寄存器的值，并存儲在自己的寄存器當(dāng)中，當(dāng) PLC 的輸入輸出狀態(tài)發(fā)生變化時，其寄存器的值就會發(fā)生改變，觸摸屏便采集并保存下來，工作人員可以方便的查詢設(shè)備何時動作、何時恢復(fù)原狀態(tài)，充分掌握該系統(tǒng)的運行情況。
    3、歷史數(shù)據(jù)、歷史動作的顯示：
      觸摸屏在對信息采樣的同時，便將這些信息保存在自己內(nèi)部寄存器中，工作人員可以查詢 180 天以內(nèi)的所有水位信息和動作信息。也可直接用 U 盤下載采集到的保存在觸摸屏內(nèi)的水位信息的歷史數(shù)據(jù)及歷史動作，利用相應(yīng)軟件，將下載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成excel文件，便于工作人員進(jìn)行研究分析，也便于將資料歸檔整理。如圖 3、圖 4所示。

3.2 下位機軟件 
      本系統(tǒng)下位機軟件采用 Windows操作系統(tǒng)下的VersaPro2.0進(jìn)行編程調(diào)試工作，該編程軟件擁有良好的人機操作界面，編程簡單易行，便于用戶的調(diào)試、維修、改造等工作。軟件由主程序和六個子程序構(gòu)成，主程序用于系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)處理、通訊、報警輸出和調(diào)用子程序等； 六個子程序分別用于對兩個泵房的設(shè)備進(jìn)行自動控制、 手動控制和觸摸屏手動控制。軟件流程圖如圖 5 所示，其中水位高度為集水井水位高度。

 
4    聯(lián)合調(diào)試 
      在系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試過程中，通過觸摸屏顯示的信息，發(fā)現(xiàn)有些開關(guān)量的狀態(tài)的很不穩(wěn)定，出現(xiàn)觸摸屏多次重復(fù)記錄信息或記錄有誤的情況。比如，系統(tǒng)設(shè)定，當(dāng)水位達(dá)到2.4米時，2#主潛水泵啟動，2#水位觸發(fā)采樣進(jìn)行。然而在分析觸摸屏記錄的 2#動作信息和 2#觸發(fā)采樣水位信息時發(fā)現(xiàn)，在一個很短的時間內(nèi)，2#主潛水泵輸入狀態(tài)在“開”、“關(guān)”之間反復(fù)轉(zhuǎn)換，相應(yīng)記錄的觸發(fā)采樣水位信息也很混亂。通過查詢大量資料，分析現(xiàn)場環(huán)境，得出了可能是因為水位不穩(wěn)，水以波狀形式?jīng)_擊水位傳感器的緣故，在PLC 控制程序中加入了防抖動程序之后，解決了該問題。

 
5   結(jié)論 
     系統(tǒng)經(jīng)過改造后， 可以在進(jìn)水塔塔面的控制室內(nèi)對兩個滲漏排水泵房內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控，改善了系統(tǒng)的運行環(huán)境。該系統(tǒng)采用的以GE 90-30 PLC 為中心構(gòu)建自動/手動控制系統(tǒng)，操作簡單，維護方便，運行穩(wěn)定可靠，大大減輕了操作人員勞動強度。觸摸屏的友好界面和歷史數(shù)據(jù)記錄功能，不僅給操作帶來了方便，而且記錄了泵房的運行狀況，給自身系統(tǒng)的安全分析、事故排查、乃至水工建筑物的安全分析提供了可靠的數(shù)據(jù)來源。該系統(tǒng)投運一年多來工作穩(wěn)定正常，用戶反應(yīng)良好。