泵站自動控制系統

【摘要】本文提出了一種以可編程控制器（PLC）為核心的泵站水泵控制方案。在該方案中，各臺水泵平等地投入使用，并通過對各臺水泵運行情況的記錄，令運行較少的水泵優先啟動，實現了對各臺水泵的均衡使用。

【關鍵詞】PLC；泵站；水位控制；均衡使用

1.引言

泵站在污水處理、城市排澇中都是必不可少的環節，而可編程控制器（PLC）以其出色的可靠性和抗干擾性常常被用作泵站的控制系統核心。目前泵站水泵的自動控制一種是在集水井安裝超聲波液位計，超聲波液位計將集水井中的水位信號送給PLC，有PLC自動控制水泵的運行，另一種控制方式是在集水井中安裝水位開關，將水位開關送給PLC，到預先設置好的水位后自動開/停污水泵 [1] 。一般來說，泵站會設有備用水泵，以便在主水泵出現故障的時候維持泵站的正常運行。但若備用水泵在水中長期不運行，則電機的絕緣性能會下降，影響水泵的正常運行及使用壽命，而主水泵長期運行也會令其故障頻率上升，各臺水泵使用不均勻也會使總的維修成本增加。之前也有人提出了一個設計方案，使得各水泵輪流啟動，互為備用，但該系統依然無法讓各水泵均衡地投入使用[2]。本文設計了一個泵站水泵控制系統，在此系統中，各臺水泵的地位是平等的，不存在固定的備用水泵，各臺水泵均衡地投入使用。

某泵站目前有三臺水泵，分別為一、二、三號泵。在正常情況下，兩臺水泵同時運行就能滿足最大泵水量的要求，剩下一臺作為備用水泵，但當水位超過警戒線時，三臺水泵都要投入運行。

S1、S2、S3、S4、S5、S6為水位開關，當其浸入水中時處于接通狀態（ON），在水面之上時為斷開狀態（OFF）。6個開關的安裝位置由高到低依次是S6、S5、S4、S3、S2、S1。

2.控制要求

（1）當水位到達S2時，啟動一臺水泵，水位到達S4時啟動兩臺水泵，水位到達警戒水位S6時，三臺水泵都要運行；當水位依次回落到停止水位S5、S3、S1時，相應地停止一臺泵，兩臺泵，三臺泵。

（2）三臺水泵的實際運行時間要盡量均衡，不能出現水泵之間累計運行時間相差懸殊的情況。

3.系統實現

3.1 詳細分析

對于開關S2、S4、S6，每當其中任意一個開關狀態由OFF變為ON的時候，比較三臺泵的累計運行時間并按升序對它們進行排列，依次為第一、第二、第三臺泵。當S2的狀態由OFF變為ON時，運行第一臺泵，并關閉另外兩臺；當S4的狀態由OFF變為ON時，運行第一臺泵和第二臺泵，關閉第三臺；當S6由OFF變為ON時，三臺泵都要運行。

對于開關S1、S3、S5，每當其中任意一個開關狀態由ON變為OFF的時候，和前面一樣對三臺泵進行排序。當S5的狀態為由ON變為OFF時，運行第一臺泵和第二臺泵，關閉第三臺；當S3的狀態為由ON變為OFF時，運行第一臺泵，關閉第二臺泵和第三臺泵；當S1的狀態為由ON變為OFF時，三臺泵都要停止運行。

每一臺泵都有一個對應的計時器，在其啟動時對其運行時間進行累加計算，在其關閉時計時器也停止計算，并保存數據。

為方便表述，引入一些符號，其意義如下：

符號 說明

T1 1號泵的累計運行時間

T2 2號泵的累計運行時間

T3 3號泵的累計運行時間

X T1≥T2

Y T2≥T3

Z T3≥T1

TURNON（i），i=1，2，3 開啟i號泵

TURNDOWN（i），i=1，2，3 關閉i號泵

各臺泵的開啟和關閉可用下面的式子表示：

（1）

（2）

（3）

（4）

（5）

（6）

3.2 PLC編程

本文所設計的系統使用的PLC選用歐姆龍CPM1A型，編寫程序前需對其I/O及所用到的輔助繼電器和數據存儲器進行分配?，F將本次設計所用到輸入/輸出繼電器、主要的內部輔助繼電器以及數據存儲區分配情況如下表。

表1 主要繼電器和存儲區分配情況

繼電器/存儲區 說明

0.00～0.05 開關S1～S6

200.00～200.02 X，Y，Z

10.00～10.02 1～3號泵

201.00、201.01 1號泵開啟、關閉

202.00、202.01 2號泵開啟、關閉

203.00、203.01 3號泵開啟、關閉

DM1～DM3 1～3號泵的累計運行時間存儲區

203.00、203.01 1～3號泵的累計運行時間輔助存儲區

圖1 1號泵的啟停

圖2 1號泵的計時器

3.2.1 各泵的啟動與關閉

以1號泵為例，根據（1）式和（2）式，容易得到其開啟和關閉的梯形圖，如圖1。同樣，根據（3）式和（4）式、（5）式和（6）式，不難得到2號泵管和3號泵的開啟與關閉的梯形圖，這里不再列出。

3.2.2 各泵的計時

由于PLC內部的定時器不能直接用于計時，本系統根據水泵實際的運行情況，利用PLC中的特殊輔助繼電器設計了一個計時裝置，該是計時裝置以小時為單位。具體做法是：給每臺泵分配兩個存儲區，一個以小時為單位記錄水泵的累計運行時間，另一個以分鐘為單位，起輔助作用，然后利用PLC自帶的一分鐘時鐘脈沖位，該繼電器每一分鐘發送一個脈沖，當其上升沿到來時，用自增指令使以分鐘為單位存儲區所存的數據加1，若此前的數據已經大等于59，則將其置零并使以小時為單位的存儲區的數據加1，即逢60進1，實現對水泵的計時。同樣以1號泵為例，其對應的計時器梯形圖如圖2所示。

4.結束語

本文討論的是基于PLC的泵站水位控制系統，該系統實現了運行時間最短的水泵優先啟動，使得各泵均衡地投入使用，對資源的利用更充分，同時也能有效地降低故障率，減少維修成本，實用性強。本文所編的程序已經在歐姆龍PLC上運行過，其輸入輸出關系完全達到了前面所述的控制要求。當然，若要投入生產應用，該系統還需增加一些模塊，如接口電路、驅動電路、保護電路以及各泵的轉速控制模塊等等?，F實的泵站控制系統往往還會設置有手動控制方式以及軟手動控制方式（即遠程手動控制方式）[3]，大型的泵站還會安裝遠程監控系統實現泵站的遠程自動控制，但這些已經不是本文所要解決的問題。

參考文獻

[1]黎一強.PLC技術在生活污水處理及回用系統中的應用[J].自動化技術與應用，2008，27（8）：123-125.

[2]王明軍.基于PLC的污水泵站自動控制系統[J].自動化技術與應用，2010，29（5）：115-117.

[3]楊明.PLC自動化控制系統在污水處理廠中的應用[J].電子制作，2014，3（2）：205.

作者簡介：張明鋒（1987—），男，廣東陽江人，碩士研究生，現就讀于廣東工業大學，研究方向：控制理論與控制工程。