摘 要：可編程序控制器以其獨有的特點，在工業(yè)控制自動化領域得到了廣泛的應用，它既可檢測和處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，還可實現(xiàn)對現(xiàn)場自動化設備的控制。本文介紹了A-B公司SLC 5/05系列PLC，及其在江濱泵站自動控制系統(tǒng)中的應用;介紹了PLC的硬件軟件設計及上位監(jiān)控軟件所實現(xiàn)的功能。實際運行表明：設計符合控制要求，系統(tǒng)運行可靠性高、效率高。
關鍵詞：PLC，硬件設計，軟件設計，組態(tài)軟件
江濱泵站是鎮(zhèn)江市污水截流工程中的核心泵站，該泵站附近地區(qū)的污水和其它泵站的污水匯集到江濱泵站后，經(jīng)排污泵加壓提升再輸送到污水處理廠。江濱泵站運行可靠性的高低直接關系到鎮(zhèn)江市污水處理廠的安全可靠運行，本文應用A-B（Allen-Bradley）公司的SLC500系列PLC（Programmable Logic Controller，可編程序邏輯控制器）實現(xiàn)江濱泵站的自動控制，并通過以太網(wǎng)接口與上位監(jiān)控管理軟件相結合，提高了系統(tǒng)的可靠性和運行效率。
1 泵站工藝流程和控制對象簡介
圖1 江濱泵站工藝流程簡圖
江濱泵站工藝流程簡圖如圖1所示。圖中格柵機的作用是將水中較大的固體垃圾抓取到和過濾后經(jīng)皮帶輸送機輸送到垃圾箱;橋式刮砂機定時將沉砂池中的細小固體顆粒刮至排砂泵處，排砂泵將砂水混合物輸送至砂水分離器，砂水分離器將細小的固體顆粒與水分離，水進入集水池、固體顆粒進入垃圾箱;集水池部分的作用是蓄集污水，并通過潛水泵將污水輸送至污水處理廠。
江濱泵站的控制對象主要由三個相對獨立的部分組成：格柵池、沉砂池和污水集水池，此外還有兩個過江管道。格柵池部分有三個水道，共有六個進/出水閘門（啟閉機）、三臺細格柵機、一臺粗格柵機（共用）和一臺皮帶輸送機（共用）;沉砂池部分有四個水道，分為兩組，共有兩臺橋式刮砂機、四臺排砂泵、兩臺砂水分離器和四個進水閘門;污水集水池部分有兩個集水池，兩者之間有一連通閘門（不參與自動控制，正常情況下，該連通閘門處于開啟狀態(tài)），每個集水池有三臺污水泵，共六臺（四臺配置了軟啟動器、兩臺配置了變頻器），十二個電動閥門（泵進出/水閥門）;此外，兩個出水總管各有一個閥門，共兩個閥門。
2 泵站控制系統(tǒng)結構簡介
泵站控制系統(tǒng)由PLC、低壓控制屏、MCC柜及外圍電氣設備（如格柵機、閥門、泵等）組成，并通過以太網(wǎng)與中控室相連，系統(tǒng)結構簡圖如圖2所示。
圖2 控制系統(tǒng)結構簡圖
PLC是整個系統(tǒng)自動控制的中樞，它負責對泵站設備運行和工作狀態(tài)的采集、與中控室監(jiān)控系統(tǒng)通信、實現(xiàn)相關的控制;低壓控制屏用以控制功率較小的泵、閥、格柵等設備，設備的運行狀態(tài)通過低壓控制屏輸入PLC的開關量輸入模塊，相應的PLC輸出開關量通過低壓控制屏對相關設備進行控制;MCC柜用以控制220KW的大功率排污泵，泵的運行狀態(tài)通過MCC柜輸入PLC的開關量輸入模塊，六臺泵分別配有軟啟動器或變頻器，通過現(xiàn)場總線DeviceNet與PLC相連，PLC通過現(xiàn)場總線模塊可讀取變頻器、軟啟動器的運行狀況及實現(xiàn)變頻調速和軟啟動器參數(shù)遠程設置;集水池水位、出水流量、出水管道壓力、PH值、溫度等信號由現(xiàn)場傳感器直接接入PLC的模擬量輸入模塊。
3 PLC硬件設計
SLC500系列PLC具有大型PLC的功能，小型PLC的價格和不斷擴充的控制能力和通信能力，可隨時滿足工業(yè)控制中的各種要求。由羅克韋爾自動化公司所屬的A-B公司生產(chǎn)，包括模塊化處理器、輸入輸出模塊、特殊功能（專用）模塊、電源、框架等。產(chǎn)品目錄號為1746和1747系列，采用框架式結構，為在不同的工業(yè)現(xiàn)場使用提供了穩(wěn)定的可靠平臺。其中SLC 5/05系列PLC是SLC500 系列PLC中支持以太網(wǎng)通信的PLC。
3.1 處理器的選擇
根據(jù)鎮(zhèn)江市污水收集自動控制系統(tǒng)需通過以太網(wǎng)實現(xiàn)城域網(wǎng)的構建，首先確定處理器為支持以太網(wǎng)通信的SLC 5/05系列，再根據(jù)I/O點數(shù)等估算存儲容量并選型。本設計中選用的是有以太網(wǎng)接口、支持塊傳輸指令的16K存儲容量的1747-L551B處理器模塊。
3.2 輸入/輸出模塊的選擇
根據(jù)江濱泵站的控制對象、檢測參數(shù)及控制要求，統(tǒng)計PLC的I/O點數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計的I/O點數(shù)，考慮價格、備用模塊通用性及留有10%～15%的裕量，本設計中選用了2個四通道模擬量輸入模塊1746-NI8，20個16點直流24V開關量輸入模塊1746-IB16和6個交流240V繼電器輸出模塊1746-OW16。
3.3 框架和電源的選擇
1）框架選擇 由上述所選擇的輸入/輸出模塊選用3個10槽的框架，框架間通過框架擴展電纜1746-C9實現(xiàn)互連。
2）電源選擇 根據(jù)文獻[2][4]中的方法計算并選擇電源模塊，在編程環(huán)境中進行I/O組態(tài)（IO Configuration）時，可利用 Power Suplly校驗電源是否滿足要求。本系統(tǒng)中所用電源為1746-P4。
3.4 現(xiàn)場總線模塊選擇
江濱泵站的六臺潛水泵的功率均為220KW，為了減小啟動沖擊電流和減少泵的啟停次數(shù)，其中四臺泵配置了軟啟動器、兩臺泵配置了變頻器，軟啟動器和變頻器都支持DeviceNet現(xiàn)場總線通信，通過與軟啟動器和變頻器的通信可實現(xiàn)相關數(shù)據(jù)的讀取、修改及泵的調速，本設計中選用了DeviceNet模塊1747-SDN。
4 PLC程序設計
4.1 控制要求
1）格柵池部分 根據(jù)三種運行模式（白天、夜間、暴雨），細格柵機輪值（輪值時間可在上位機上設定）或全部參與運行;粗格柵機在有細格柵機運行的水道之間自動輪值（由其自身PLC根據(jù)外部井位選擇輸入實現(xiàn)）;水道切換時，新投入運行的格柵機正常運行后，原運行格柵機根據(jù)運行模式停止運行或繼續(xù)運行（如：1、2轉換為1、3或2、3）;細格柵機運行采用定時控制方式，定時時間可在上位機上設置，水道切換時選擇設備無故障且運行時間最短的格柵機所在的水道;白天運行模式時，投運兩個水道;夜間運行模式時，投運一個水道;暴雨運行模式時三個水道同時投入運行;白天、夜間運行模式根據(jù)切換時間點（可在上位機上設定）自動切換;正常（白天、夜間）運行模式和暴雨運行模式的切換在上位機遙控完成;皮帶輸送機與細格柵機聯(lián)動，只要有一臺細格柵機運行，皮帶輸送機就運行（由外圍電氣控制實現(xiàn)）;在格柵機故障的情況下，關閉故障格柵機對應的進水閘門，同時置位相關報警信息位。
2）沉砂池部分 正常時兩組刮砂機組同時工作，投入運行時先啟動排砂泵，然后啟動砂水分離器，在排砂泵運行后，再打開對應的進水閘門，然后周期（時間可上位設置）啟停橋式刮砂機;若排砂泵故障，則關閉對應的進水閘門;若某刮砂機故障，則關閉對應的兩個進水閘門;投入運行的排砂泵每隔1小時反復沖洗一次，即停泵10秒后再開泵10秒，反復5次，以避免排砂泵管道堵塞;當集水池水位連續(xù)2小時低于2.6米時，未使用水道排砂泵暫停運行，直至水道恢復工作或水位再次高于2.6米。
3）污水集水池部分 污水泵的進水閥在自身、對應泵和對應出水閥無故障的情況下，長期處于開啟狀態(tài)，不參與自動控制，但可在上位機上根據(jù)需要進行遠程遙控;在兩過江管道閥門有一個全開的情況下，根據(jù)水位和可參與自動運行的泵的臺數(shù)，確定污水泵的運行臺數(shù);正常情況下，第一臺啟動變頻泵，然后根據(jù)水位的上升情況遞加軟起泵，兩臺變頻泵之間輪值，四臺軟啟動泵之間輪值;在變頻泵工作水位段，變頻泵一直工作，在需增加水泵時，先啟動水泵再降低變頻泵轉速，減泵時，先停泵再提高變頻泵轉速;加泵時，啟動無故障、未運行泵中運行累計時間最短的泵;減泵時，停運運行泵中累計運行時間最長的泵;某臺泵啟停2分鐘內，其它泵不可啟動（遠程遙控無時間限制）;某臺泵自停止運行起，10分鐘內不可再啟動（遠程遙控無時間限制）;啟動時，先啟動泵，10秒后再開啟對應出水閥，停止時，先關閥門，閥門關閉后再停泵;加泵時發(fā)出開泵信號后，如在20秒內沒有檢測到其運行信號則切換到另外一臺泵;泵啟動后開啟相應的出水閥門，開啟閥門信號發(fā)出后，如1分半鐘內沒有檢測到閥門未全關信號則要關閉該閥門，并停止對應的水泵;減泵時，關閉閥門信號發(fā)出1分半鐘后，若無閥門未全關信號則要強行停止對應的水泵并報警。
以上設備中除泵的出水閥外，其它設備均可上位設為遠程遙控模式，進行遙控。
4.2 程序設計
從前面的控制要求可知，江濱泵站的控制系統(tǒng)比較復雜，不僅PLC的輸入/輸出點數(shù)較多、控制邏輯復雜，而且有現(xiàn)場手動（相對獨立，PLC不參與）、本地自動和遠程遙控等工作方式。針對這種復雜情況，在程序設計時，首先確定程序的總體結構，根據(jù)三個相對獨立的組成部分及通訊要求，將PLC程序按工作方式和功能分為：主程序、格柵池部分子程序、沉砂池部分子程序、集水池部分子程序及通訊子程序。
主程序內容主要包括：PLC自身的檢測和故障診斷（即“自診斷”），以及初始化程序。初始始程序主要作用是一方面為啟動作必要的準備，另一方面避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。
三個相對的獨立組成部分的子程序內容主要包括：控制程序，檢測、故障診斷程序，保護、連鎖程序等。控制程序的作用是實現(xiàn)各個組成部分的控制要求，檢測、故障診斷程序的作用是實時檢測相關數(shù)據(jù)，為控制提供相關依據(jù)，并根據(jù)輸入的故障信號，確定故障點置位對應的報警位或故障處理建議位;保護、連鎖程序與控制程序相結合，以杜絕由于非法操作而引起的控制邏輯混亂，以保證系統(tǒng)運行安全、可靠。
通訊子程序主要作用是實現(xiàn)PLC基于現(xiàn)場總線DeviceNet與軟啟動器、變頻器間的通信，PLC基于以太網(wǎng)與其它泵站PLC間及與上位機間的信息交換。
5 上位監(jiān)控程序功能
本設計中應用組態(tài)軟件Intouch 9.0進行上位監(jiān)控程序設計，所設計的監(jiān)控程序在上位機上通過以太網(wǎng)交換機與泵站相聯(lián)，主要實現(xiàn)以下功能：
1）顯示鎮(zhèn)江市污水管道的管網(wǎng)圖、各泵站在鎮(zhèn)江市地理上的分布情況、各泵站的工藝流程、設備的運行情況、各泵站現(xiàn)場儀表的實時檢測值（如流量、液位、壓力、PH值等）、測量點（如流量、壓力、液位等）的實時趨勢曲線及歷史曲線、各泵站的電力系統(tǒng)狀態(tài)圖等。
2）實時顯示報警信息，并將報警記錄實時存入數(shù)據(jù)庫，可隨時查閱和打印。
3）可在監(jiān)控畫面上通過簡單操作實現(xiàn)遠程控制和有關參數(shù)的設定。
4）自動生成主要設備的日/月運行報表、設備故障報表、巡更記錄報表等，并可打印。
5）可對視頻信號（攝像）統(tǒng)一管理及在工業(yè)控制計算機上進行顯示。
6 結論
本文的創(chuàng)新點：將智能變頻器和DeviceNet現(xiàn)場總線應用到污水泵的控制中，有效地減少了泵的啟停次數(shù)，通過DeviceNet直接讀取變頻器、軟啟動器中的電流、電壓、故障信息等相關數(shù)據(jù)，簡化了設計，并通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)了變頻泵的無級調速。
實際運行表明，江濱泵站PLC系統(tǒng)控制程序與應用Intouch編寫的上位監(jiān)控界面相結合，實現(xiàn)了PLC本地自動控制、上位遠程遙控、遠程設置參數(shù)等要求，完全滿足設計要求，達到了預期的目標。
參考文獻：
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[6] Rockwell automation. SLC 500 System Selection Guide[G]. 2005.
[7] Rockwell automation. SLC 500 Modular Hardware Style User Manual[G]. 2003.
作者簡介：
黃巧亮（1970-），男（漢），江蘇淮安人，碩士，講師，主要研究方向為智能儀器與系統(tǒng);
龐科旺（1963-），男（漢），陜西咸陽人，副教授，主要研究方向為電氣傳動及其自動化;
陳玉亮（1979-），男（漢），江蘇鹽城人，碩士，實驗師，主要研究方向為智能控制。
