基于1200 PLC的排水泵站自動控制系統設計

1 引言

早起城市發展和規劃時，沒有重視排水設施的建設，從而導致后期我國許多的城市幾乎年年都發生內澇。近幾年，我國大部分城市快速發展過程中都面臨內澇這個嚴峻的問題。2004年7月，北京市連續下了4小時的大雨，導致北京市內40多條道路積水。 2005、2007 以及 2010 年，廣州市均發生了強降雨，市內出現大面積水，嚴重影響了交通。其中，最嚴重的要屬靠近長江的城市，基本上一發生暴雨，就一定會出現內澇。近幾年來，內澇導致了不少市民傷亡。隨著內澇災難的不斷發生，各市地政府都開始注意到城市排水系統的重要性，內澇發生后，廣州市、南昌市、武漢市都投入了大量資金用于建設城市排水設施，但其效果不明顯，內澇災難還是時有發生^[1]。我國的城市排水技術還遠遠不夠，也很有必要借鑒發達國家的技術和經驗。

隨著城市的快速發展，城市地下的排水設施錯綜復雜，面對如此復雜的系統，采用以往的傳統管理方法已很難完成實時監控排水的情況。因此目前，很有必要利用現代化的技術，建立一套自動的城市排水監控系統。城市排水泵站計算機監控系統可實時監控城市排水情況，并能快速的發現故障，通過統計城市的降雨量，發現隱患并發出報警。本系統是通過PLC、泵、變頻器、傳感器等構成一個自動控制系統，對城市匯集的水進行恒水位的控制，模擬雨水、生活污水和工業污水的流向，及模擬管道的堵塞，集水池的切換等，來保證排水系統的穩定，提升排水效率。此系統的設計不僅可實現上面所提到的優點，還可省下大量的人力和物力^[2-3]。

2 城市排水監控系統構成

目前，因各個城市的發展情況不同，城市采用的排水系統也不同，傳統的大多采用繼電器控制。因PLC 被大量的應用到順序控制系統上，在信號的控制下，在生產過程中每個執行機構有序的工作^[3]。PLC的優點有很多，編程方法、靈活變通、安全可靠、速度快、方便檢修、性價比高等。在本系統中，主要是通過按鈕及各類傳感器信號傳給PLC，PLC接收到指令后再發出指令控制各執行機構，從而來實現自動化控制。根據本文設計的城市排水泵站監控的工藝特點和要求，采用了基于現場總線技術的PLC網絡控制系統。其中 PLC及實際設備是主要的組成部分。如圖1所示為系統結構總圖。

圖1 系統結構總圖

在本設計中，PLC是中央控制器，起主導作用，PLC主要用于控制現場設備的正常運作，并及時的將信息發送到工作站設備上。

3 城市排水泵站控制系統設計

本設計基于西門子 PLC，由 PLC對數據進行運算處理，然后控制現場設備的運行來完成城市排水泵站監控控制系統的自動化高效運作、準確的操作。

本設計的控制系統是全自動控制的，當啟動仿真軟件WINCC運行后，只需按啟動開始，PLC將通過博圖軟件所編寫的相應程序對城市下水道排水過程進行控制，并通過輸出的繼電器動作控制管道閥門的開、關和水泵的起停， 并且通過模擬量模塊采集模擬信號，監控所有水灌水位和下水管道暢通情況^[4]。

如圖2所示為本文設計的一套城市排水泵站監控系統示意圖。

圖2 城市排水系統示意圖

4 控制系統硬件配置

本系統需要3個模擬量輸入，9個數字量輸入以及10 個數字量輸出，在配置時需要一定的余量的。綜合各個方面的因素。本設計采用了西門子 s7-1200 PLC，CPU 1214C，1個數字輸出模塊， 1個4路的模擬量模塊，可滿足城市排水控制系統設計的需求^[5]。

本設計中，設置2個集水池，循環輪流集水和1個總集水池。可保證在同一路排水系統中，水能接上排水不會出現不排水的情況，在 AB集水池中各設置了2個排水泵，在總集水池后設置2臺離心排水泵。在采用變頻調速時，每臺水泵配用一臺變頻器。

4.1 控制系統 PLC的 I/0 地址分配表

根據這個城市排水泵站計算機控制系統的設計，一共需要9個數字量輸入，10個數字量輸出和 3 個模擬量輸入。分別如表1，表2和表3所示。

表 1 數字輸入分配表

表2 數字輸出分配表

表3 模擬量輸入分配表

根據城市排水泵站計算機控制系統的控制要求，PLC型號選用西門子 S7-1200 CPU1214C。本系統所需要西門子 PLC數字量輸入 I/O 點數為 9個，數字量輸出 I/O 點數為10個。根據系統要求畫出 PLC的 I/O 端子接線圖，如圖3所示。

圖3 PLC接線圖

根據控制要求模擬量輸入3個，畫出模擬量模塊接線圖，如下圖4所示。

圖4 模擬量模塊接線圖

4.2 控制系統電氣接線圖

根據城市排水泵站系統的控制要求，主電路設計圖主要由排水泵電機構成。水泵組中分2部分，一部分由變頻器啟動控制，一部分是由PLC控制交流接觸器來控制電機直接啟動，電源直接接在三相交流電源上，控制系統電路中有熱繼、熔斷保護裝置及互鎖、自鎖功能。

在A和B集水池水泵中，排水泵的運行速度通過集水池中水位高低來改變排水泵的運行頻率實現，在主電路中，A和B池排水泵的是通過變頻器控制的，如圖5所示。

圖5 池排水泵主電路圖

5 軟件設計

利用博圖軟件給城市排水控制系統編寫程序。根據設計要求在程序中，主要編寫了水位判斷、模擬量信號采集處理及保護措施等^[6]。

5.1 水位判斷模塊

運行過程中，當檢測A池水位低于設定值時，A池進水閥自動打開，當水位高于設定值，A池進水閥自動關閉，同時打開B池的進水閥，然后在對B池水位進行檢測，原理同A池，依次循環下去。

5.2 模擬量信號處理模塊

運行過程中，當A池或 B池進水閥自動打開時，PLC檢測到有雨水、工業廢水或生活廢水時，A或 B集水池開始根據實際情況進水，進水力度根據進水介質而定。

5.3 定時停機保護模塊

在總水池排水過程中，當檢測水位高于設定值時，1號總水池排水泵啟動，并定時，當到達定時時間，立刻停止1號排水泵，并啟動2號總水池排水泵，定時原理同1號，當到達定時時間后，立刻停止2號排水泵，自動啟動一號總水池排水泵，以次循環。

5.4 緊急排水

在總水池排水過程中，當檢測到水位高于設定的上限值時，1號和2號總池排水泵輪流運行，并啟動總池緊急排水泵。

6 結束語

本文主要設計了基于西門子1200 PLC的城市排水泵站控制系統設計。系統設計包含硬件和軟件兩個方面。硬件設計方面，根據系統控制要選用了西門子 s7-1200 PLC，并對外部電路接線進行了設計；軟件設計方面，編寫了模擬梯形圖，并且進行仿真調試。此系統的設計不僅可仿真雨水、生活污水和工業污水等的流向，還可對管道堵塞和集水池切換進行模擬等。本系統可保證排水系統的穩定，提升排水效率，同時還可省下大量的人力和物力。