论文部分内容阅读
[摘 要]为了逐步实现免维护、少维护，在隧道排水系统中采用了可编程控制器（PLC）与超声波液位计结合的全自动控制系统。本系统与传统继电器组成的控制系统相比，具有安全可靠、故障率纸、结构简单、编程方便、功能齐全、性价比高的优点。文章围绕独墅湖隧道工程项目，主要分析了可编程控制器（PLC）的优点以及可编程控制器（PLC）在雨水泵控制系统中的实现方法，并重点论述可编程控制器在雨水泵控制系统中的应用效果，为今后的研究提供一些有利依据。
[关键词]可编程控制器（PLC） 雨水泵 一体化超声波液位计 自动控制
中图分类号：V960 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0193-02
1、可编程控制器（PLC）的优点
隧道是一个特殊路段，极易容易诱发交通意外。因此，为了确保隧道能正常、安全的通行，一般在隧道内都会设有交通诱导、环境检测、交通检测、通风照明等多个设备。可编程控制器（PLC）传统的继电器组成的控制系统相比，具有可靠性高、通用性强、抗干扰能力强、结构简单、性价比高、维护方便的优点，控制方式较为灵活，并应用于独墅湖隧道的排水系统中，起到了较大作用。
2、实现方法
2.1 可编程控制器（PLC）、超声波液位计的选择
现代的可编程控制器，英文全称是Programmable Logic controller，即可编程逻辑控制器，以下简称为PLC，是以微处理器为基础的、高度集成化的新型工业装置，是计算机技术与工业控制技术相結合的产物。目前，PLC发展很快，生产厂家较多，品种、规格及性能也各不相同，尚未形成统一标准。根据本工程的现场实际情况及控制要求，本着安全、可靠、经济的原则，我们选择了西门子公司的S7-200小型PLC，CPU为224型，I/O接点为14入/10出，另外配上EM231模拟量输入模块（4输入），来接收超声液位计4～20mA的模拟信号，再配上TD200型双行文本显示器，很方便的显示所需要的文本信息和数据，实现人机对话；超声波液位选择了西门子妙声力公司生产的The Probe一体型超声波液位计。
2.2 S7-200小型PLC的功能及特点
西门子公司生产的S7-200-CPU224外形尺寸为120.5×80×62mm，加上EM231模拟量输入模块，尺寸也不过为191.7×80×62mm，是一种紧凑型可编程控制器，再加上它密封、防尘，成本低廉，还具有功能强大的指令集，配上TD200液晶文本显示器，可将需要设置和显示的参数显示到液晶屏上，成为我们泵房雨水泵控制系统理想的选择。
2.3 S7-200在雨水泵自动控制系统中的应用
利用S7-200可以方便地实现多种保护和控制功能，除了能实现就地手动、自动控制外，还可以彻底解决传统继电器无法解决的问题，具体内容如下：
2.3.1 利用S7-200与超声波液位计精确、可靠地实现就地自动控制，这是传统继电器所无法比拟的。
超声波液位计是通过液面反射回声波的时间来计算液位高度的一种高精密度传感器，它将不同的液位转换成4～20mA的电流，连接到S7-200的模拟量输入模块（EM231），通过PLC编程实现对水泵的自动控制。它比利用浮球开关来实现液位控制更精确，而且还可通过TD200文本显示器修改起泵液位和停泵液位、实时地显示液位高度，这些都是用浮球开关无法实现的。
2.3.2 利用S7-200的编程，可以方便地实现就地自动控制时，几台雨水泵轮番起动。
一般情况下，一个泵房内有几台泵，都是几用几备的。通过传统继电器控制，主用泵和备用泵都是相对固定的，主用泵会经常启动，而备用泵只有几台主用泵都有故障的情况下才能启动，启动次数是很少的。这样一来，备用泵由于长期闲置很容易出现这样那样故障。通过S7-200的编程，可以实现几台泵轮番启动，泵的使用频次基本相同，避免上述缺陷，这对于传统继电器来说是无能为力的。
2.3.2 通过S7-200的通信口，可以与上位机进行通信，实现监控中心的监视控制功能。
S7-200（CPU224）有两个RS-485通信口，通过RS485通信口使用Modbus通信协议，与AUC箱里的上位机相连，再由光缆与监控中心的服务器相连，可以上传数据到监控中心（液位设置和实时液位等），也可以接受监控中心的指令，做出动作，实现了远程监视和控制功能。
2.4 S7-200在雨水泵控制系统的应用实例
图一是一个无人值守或有人值守均可使用的雨水泵全自动控制原理图，图中仅画出1#泵的控制原理，其它三台泵与1#泵原理相同。如图可见，接线简单直观，若想改变控制方式，只需改变PLC内部程序，即可满足不同的控制要求，无需改变任何接线。如图一所示：
图一中，1KA为水泵启动中间继电器，2KA为故障继中间继电器，3KA为软启全压启动中间继电器，4KA为软启故障中间继电器，采用这么多的中间继电器主要是作为反馈和控制之用；1HY为故障指示灯，在热继电器和水泵发生故障时亮黄灯；1HR为泵运行指示灯，运行时亮红色；1HG为信停泵指示灯，停止时亮绿色；7HY为高水位报警，水位超过设定报警值时亮黄灯；软启动器上1KA的常开触点是触发软启启动的；1KM为旁路接触器，当软启动器全压启动时，通过3KA使此接触器动作；PLC上1M-0.0～1M-0.3为四台泵的故障信号输入点，2M-1.0为转换开关位置信号输入点，2M-1.1为四台的软启动器故障信号输入点，在自动状态下，软启动器报故障时，是不会启泵的；PLC上1L-0.0？～1L-0.3？为在自动状态下可以发出四台泵启动、停止指令，2L-0.4？是高水位报警。
在转换开关1SA打到手动状态时，按下1SB，1KA动作，其常开触点触发软启动器启动，经过几秒（一般为8S左右）启动后，软启动器会发出全压启动信号，3KA动作，接通1KM（自保），将软启动器旁路，水泵至此完全启动；在转换开关打到自动状态时，有两控制方式，一种是PLC本身通过由超声波液位计输送过来的4～20mA电流，判断该启哪一台或哪几台泵，实现就地自动控制，另一种就是中控室发出指令通过光缆、ACU到PLC的RS-485的通信口，来遥控水泵的运行，同时不管是就地自动控制，还是遥控，反馈信号及液位数据都会上传到中控室，以便于远程监视、控制水泵。 3、可编程控制器在雨水泵控制系统中的应用效果
雨水泵控制系统是城市隧道监控系统的一个重要的组成部分，只有保证该系统有序的工作才能保证隧道正常安全的运行。根据隧道的不同长度，相同雨水泵控制系统设备会安装在不同的路段。独墅湖隧道开通已经十年了，其中的雨水泵控制系统从未发生过任何故障，大大减少维修量，并可远程操作、控制，实现了完全无人值守。总的来说，可编程控制器在雨水泵控制系统中的应用效果体现在以下几方面：
3.1隧道机电监控网络主要由远端的监控中心、隧道内的可编程控制器（PLC）和相关的通信线路。一般情况下，隧道变电所内会各设一台区域控制器作为主控PLC，每隔一段距离还会设置一台区域PLC。可编程控制器不仅能监控相关的机电设备，还能传递监控数据，将应用在雨水泵控制系统中，能够累积各个水泵的运行时间，并保证每个水泵的运行时间是相等的，对全部水泵停止运行能进行自动控制。隧道监控系统的组成，如图二所示：
3.2独墅湖隧道区段的PLC组成了光纤自愈环网，在隧道监控中，有较多机电设备，可编程控制器（PLC）有较多个光纤环网节点，一般会在隧道环网上设立两台主控PLC，这样通过变电所的两台主控PLC与监控中心通信，区域PLC环网就能实现连接监控中心的目的，从根本上增加了监控中心与PLC网络间的通信可靠性，进而加大对雨水泵控制系统的监控。
3.3可编程控制器在雨水泵控制系统被合理的应用，提高了雨水泵控制系统的通用性。在独墅湖隧道这一工程项目中，雨水泵控制系统在通用性方面有了一定突破，但也有一些地方还需要不断的改进。如：系统的自动化配置生成还有待完善，即用户通过简单的配置可以实现自定制监控系统，考虑泵井中流动的雨水排水量、水位表水位以及当前有几个泵在运行，在此基础上确定出要运行的泵的数目，进而对排放雨水的泵控制运行即可。
3.4可编程控制器（PLC）是整个隧道监控的关键所在，其品质的好坏将直接关系到隧道的运行及维护。在雨水泵控制系统中，为了更好的使可编程控制器传输和控制雨水量，还配有液晶触摸屏，为了便于设备操作，并显示出反馈信息。隧道PLC可以实时采集现场各机电设施信息，可以将采集到的信息传输到监控中心，监控系统可以不受通信中断的影响保持运行正常稳定。
4、结论
小型PLC在雨水泵自动控制系统中的应用具有结构简单、编程方便、功能齐全、故障率低、安全可靠等优点；如需改变控制方式时，不需要改变任何接线，只需要改变内部程序即可达到不同的控制要求；发生故障时，有明显的指示，方便查找，完全实现了免维修和少维护的目的；还可以就地自动控制和遥控，达到了无人值守的条件，在独墅湖隧道中发挥了重要作用。
参考文献
【1】刘琳《試论PLC在雨水泵站控制系统中的作用》[J]，《工程技术》2015年08期。
【2】张金《新型城市隧道中雨水泵站控制系统设计分析》[J]，《科技风》2016年01期。
【3】李冬颖《浅析可编程控制器应用技术》[J]，《科技传播》2016年05期。
[关键词]可编程控制器（PLC） 雨水泵 一体化超声波液位计 自动控制
中图分类号：V960 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）12-0193-02
1、可编程控制器（PLC）的优点
隧道是一个特殊路段，极易容易诱发交通意外。因此，为了确保隧道能正常、安全的通行，一般在隧道内都会设有交通诱导、环境检测、交通检测、通风照明等多个设备。可编程控制器（PLC）传统的继电器组成的控制系统相比，具有可靠性高、通用性强、抗干扰能力强、结构简单、性价比高、维护方便的优点，控制方式较为灵活，并应用于独墅湖隧道的排水系统中，起到了较大作用。
2、实现方法
2.1 可编程控制器（PLC）、超声波液位计的选择
现代的可编程控制器，英文全称是Programmable Logic controller，即可编程逻辑控制器，以下简称为PLC，是以微处理器为基础的、高度集成化的新型工业装置，是计算机技术与工业控制技术相結合的产物。目前，PLC发展很快，生产厂家较多，品种、规格及性能也各不相同，尚未形成统一标准。根据本工程的现场实际情况及控制要求，本着安全、可靠、经济的原则，我们选择了西门子公司的S7-200小型PLC，CPU为224型，I/O接点为14入/10出，另外配上EM231模拟量输入模块（4输入），来接收超声液位计4～20mA的模拟信号，再配上TD200型双行文本显示器，很方便的显示所需要的文本信息和数据，实现人机对话；超声波液位选择了西门子妙声力公司生产的The Probe一体型超声波液位计。
2.2 S7-200小型PLC的功能及特点
西门子公司生产的S7-200-CPU224外形尺寸为120.5×80×62mm，加上EM231模拟量输入模块，尺寸也不过为191.7×80×62mm，是一种紧凑型可编程控制器，再加上它密封、防尘，成本低廉，还具有功能强大的指令集，配上TD200液晶文本显示器，可将需要设置和显示的参数显示到液晶屏上，成为我们泵房雨水泵控制系统理想的选择。
2.3 S7-200在雨水泵自动控制系统中的应用
利用S7-200可以方便地实现多种保护和控制功能，除了能实现就地手动、自动控制外，还可以彻底解决传统继电器无法解决的问题，具体内容如下：
2.3.1 利用S7-200与超声波液位计精确、可靠地实现就地自动控制，这是传统继电器所无法比拟的。
超声波液位计是通过液面反射回声波的时间来计算液位高度的一种高精密度传感器，它将不同的液位转换成4～20mA的电流，连接到S7-200的模拟量输入模块（EM231），通过PLC编程实现对水泵的自动控制。它比利用浮球开关来实现液位控制更精确，而且还可通过TD200文本显示器修改起泵液位和停泵液位、实时地显示液位高度，这些都是用浮球开关无法实现的。
2.3.2 利用S7-200的编程，可以方便地实现就地自动控制时，几台雨水泵轮番起动。
一般情况下，一个泵房内有几台泵，都是几用几备的。通过传统继电器控制，主用泵和备用泵都是相对固定的，主用泵会经常启动，而备用泵只有几台主用泵都有故障的情况下才能启动，启动次数是很少的。这样一来，备用泵由于长期闲置很容易出现这样那样故障。通过S7-200的编程，可以实现几台泵轮番启动，泵的使用频次基本相同，避免上述缺陷，这对于传统继电器来说是无能为力的。
2.3.2 通过S7-200的通信口，可以与上位机进行通信，实现监控中心的监视控制功能。
S7-200（CPU224）有两个RS-485通信口，通过RS485通信口使用Modbus通信协议，与AUC箱里的上位机相连，再由光缆与监控中心的服务器相连，可以上传数据到监控中心（液位设置和实时液位等），也可以接受监控中心的指令，做出动作，实现了远程监视和控制功能。
2.4 S7-200在雨水泵控制系统的应用实例
图一是一个无人值守或有人值守均可使用的雨水泵全自动控制原理图，图中仅画出1#泵的控制原理，其它三台泵与1#泵原理相同。如图可见，接线简单直观，若想改变控制方式，只需改变PLC内部程序，即可满足不同的控制要求，无需改变任何接线。如图一所示：
图一中，1KA为水泵启动中间继电器，2KA为故障继中间继电器，3KA为软启全压启动中间继电器，4KA为软启故障中间继电器，采用这么多的中间继电器主要是作为反馈和控制之用；1HY为故障指示灯，在热继电器和水泵发生故障时亮黄灯；1HR为泵运行指示灯，运行时亮红色；1HG为信停泵指示灯，停止时亮绿色；7HY为高水位报警，水位超过设定报警值时亮黄灯；软启动器上1KA的常开触点是触发软启启动的；1KM为旁路接触器，当软启动器全压启动时，通过3KA使此接触器动作；PLC上1M-0.0～1M-0.3为四台泵的故障信号输入点，2M-1.0为转换开关位置信号输入点，2M-1.1为四台的软启动器故障信号输入点，在自动状态下，软启动器报故障时，是不会启泵的；PLC上1L-0.0？～1L-0.3？为在自动状态下可以发出四台泵启动、停止指令，2L-0.4？是高水位报警。
在转换开关1SA打到手动状态时，按下1SB，1KA动作，其常开触点触发软启动器启动，经过几秒（一般为8S左右）启动后，软启动器会发出全压启动信号，3KA动作，接通1KM（自保），将软启动器旁路，水泵至此完全启动；在转换开关打到自动状态时，有两控制方式，一种是PLC本身通过由超声波液位计输送过来的4～20mA电流，判断该启哪一台或哪几台泵，实现就地自动控制，另一种就是中控室发出指令通过光缆、ACU到PLC的RS-485的通信口，来遥控水泵的运行，同时不管是就地自动控制，还是遥控，反馈信号及液位数据都会上传到中控室，以便于远程监视、控制水泵。 3、可编程控制器在雨水泵控制系统中的应用效果
雨水泵控制系统是城市隧道监控系统的一个重要的组成部分，只有保证该系统有序的工作才能保证隧道正常安全的运行。根据隧道的不同长度，相同雨水泵控制系统设备会安装在不同的路段。独墅湖隧道开通已经十年了，其中的雨水泵控制系统从未发生过任何故障，大大减少维修量，并可远程操作、控制，实现了完全无人值守。总的来说，可编程控制器在雨水泵控制系统中的应用效果体现在以下几方面：
3.1隧道机电监控网络主要由远端的监控中心、隧道内的可编程控制器（PLC）和相关的通信线路。一般情况下，隧道变电所内会各设一台区域控制器作为主控PLC，每隔一段距离还会设置一台区域PLC。可编程控制器不仅能监控相关的机电设备，还能传递监控数据，将应用在雨水泵控制系统中，能够累积各个水泵的运行时间，并保证每个水泵的运行时间是相等的，对全部水泵停止运行能进行自动控制。隧道监控系统的组成，如图二所示：
3.2独墅湖隧道区段的PLC组成了光纤自愈环网，在隧道监控中，有较多机电设备，可编程控制器（PLC）有较多个光纤环网节点，一般会在隧道环网上设立两台主控PLC，这样通过变电所的两台主控PLC与监控中心通信，区域PLC环网就能实现连接监控中心的目的，从根本上增加了监控中心与PLC网络间的通信可靠性，进而加大对雨水泵控制系统的监控。
3.3可编程控制器在雨水泵控制系统被合理的应用，提高了雨水泵控制系统的通用性。在独墅湖隧道这一工程项目中，雨水泵控制系统在通用性方面有了一定突破，但也有一些地方还需要不断的改进。如：系统的自动化配置生成还有待完善，即用户通过简单的配置可以实现自定制监控系统，考虑泵井中流动的雨水排水量、水位表水位以及当前有几个泵在运行，在此基础上确定出要运行的泵的数目，进而对排放雨水的泵控制运行即可。
3.4可编程控制器（PLC）是整个隧道监控的关键所在，其品质的好坏将直接关系到隧道的运行及维护。在雨水泵控制系统中，为了更好的使可编程控制器传输和控制雨水量，还配有液晶触摸屏，为了便于设备操作，并显示出反馈信息。隧道PLC可以实时采集现场各机电设施信息，可以将采集到的信息传输到监控中心，监控系统可以不受通信中断的影响保持运行正常稳定。
4、结论
小型PLC在雨水泵自动控制系统中的应用具有结构简单、编程方便、功能齐全、故障率低、安全可靠等优点；如需改变控制方式时，不需要改变任何接线，只需要改变内部程序即可达到不同的控制要求；发生故障时，有明显的指示，方便查找，完全实现了免维修和少维护的目的；还可以就地自动控制和遥控，达到了无人值守的条件，在独墅湖隧道中发挥了重要作用。
参考文献
【1】刘琳《試论PLC在雨水泵站控制系统中的作用》[J]，《工程技术》2015年08期。
【2】张金《新型城市隧道中雨水泵站控制系统设计分析》[J]，《科技风》2016年01期。
【3】李冬颖《浅析可编程控制器应用技术》[J]，《科技传播》2016年05期。