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【摘要】传统的降排水设备多采用继电器实现集水井水位控制，方法简单，但控制能力有限。本文介绍对传统降排水设备辅助系统进行改造，通过辅以可编程控制器PLC和计算机组成的控制系统实现自动化水位控制的方法。本方法构造简单、成本较低，可以灵活设置控制条件及实现远程控制，适用于不同的工程环境。
【关键词】自动化；继电器；可编程控制器；串行通信
1.引言
降排水是常见的工程措施，其目的是通过降低地下水位或排除基坑积水，满足工程施工需要或保证工程安全运用。根据工程所在地的地下水源、土壤渗透能力、降水深度、周边环境等的不同，可以采用不同形式的降水方案，如轻型井点降水、深井井点降水等。对于一些需要长期排水且排水量较大的工程，如水电站、泵站、电梯井等，采用人工管理或半自动化操作的排水方法，不仅耗费大量人力和财力，其管理难度也较大。实现降排水操作自动化是工程管理现代化水平的重要标志之一，通过采用集水井集水、利用自动控制排水设备精确控制水位，既能按预定方案方便准确控制排水，也能节省大量的人力，对工程的安全施工和安全经济运行起着非常重要的作用。
降排水设备自动化目标包括以下内容：
（1）按照设定方案实现水泵的自动开启和停机；
（2）根据来水量的大小，自动增减开泵数量；
（3）显示水泵当前工作状态，当当前工作水泵出现故障时，自动启动另一台工作；
（4）实现远程操作。
2.用继电器实现集水井水位的自动控制
2.1 水位监测方式
水位监测就是使用监测设备反映水位的变化，即反映来水量，是实现自动化控制的关键部件。监测的准确性、安全性直接决定整个系统的功能实现程度。传统的水位监测设备有两种：
（1）浮子式水位计
采用“浮筒——重锤式”机械位移带动水银接点的装置触发水泵的启动或停止。
（2）电极式水位计
主要由水位电极、水位继电器、交流接触器、中间继电器、盘面指示灯、冲击继电器、电铃等组成。工作原理是：水位继电器将交流220V降压整流成直流50V电源接到水位电极的两极，当水将电极浸没时，电极导通，水位继电器动作，接通水泵交流接触器控制回路，水泵运转抽水；当水位降落到返回电极以下时，返回水位继电器失电复归，切断水泵交流接触器控制回路，停止水泵。
2.2 基本控制电路
传统的集水井排水装置控制系统一般都是采用大量的中间继电器和部分时间继电器来实现其基本要求的。
采用继电器实现自动排水的排水装置[1]之一如图1所示。
本自动控制装置由M1、M2两台水泵及切换开关（SH1、SH2）以及磁力启动器（QC1、QC2）、电极式水位信号器、继电器（KM1、KM2）等组成。M1为工作泵，M2为备用泵。控制方式有自动、备用、和手动三种。其工作原理是：
当切换开关转到“自动”位置时，“自动”触点均合上。当集水井水位上升到工作泵启动水位时，中间继电器KM1启动，其触点KM11闭合并自保持，KM12闭合，QC1励磁，1号水泵电动机M1启动；
当来水量较大，水位继续上升到超高水位后，当切换开关转到“备用”位置，中间继电器KM2启动，其触点KM21闭合并自保持，KM22闭合，QC2励磁，2号水泵电动机M2启动；
当集水井水位下降至水泵停止水位时，KM1、KM2失磁，电动机M1、M2停止运转。
当水位再次上升时，又重复上述操作过程，从而使集水井的水位自动维持在规定的范围内。
2.3 存在的主要问题
该控制系统能实现水电站排水泵控制的基本要求，但存在着几个比较典型的问题：
（1）水位监测设备问题：
浮子式水位监测方式设备简单，但容易受井内漂浮物或其他异物的影响，导致浮子不能自由运动，从而影响整个系统的正常运行。另外，水位继电器控制回路由于是放在集水井中的小钢管中，所以对其维护和检修都极其不方便。
电极式水位计克服了浮子式的缺点，但仍有以下问题：
①水位电极一直带电，所以集水井也是带电的，安全性不高；
②水位电极在水中会发生电解化学反应，腐蚀电极和导线，造成误动或不动；
③水位继电器内部接点容量不足，接点粘连时有发生，造成泵机不停，或频繁启动水泵。
（2）控制系统方面的问题：
控制系统存在以下四方面的问题：
①采用这种控制方式要用大量的各种继电器。在频繁动作情况下系统寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差；
②报警系统由信号灯和冲击继电器组成，因为离中控室较远，信号不容易被发现；
③中间继电器使用380V电源，与现在采用弱电控制的发展趋势不符，也不安全；
④系统结构复杂，维护工作量较大。
3.基于继电器集水井排水控制系统的自动化改造
3.1 水位监测系统的改造
鉴于浮子式及电极式水位监测设备的缺点，可采用集成式传感器，例如进口的森纳士（SENEX）压力工具有限公司生产的型号为DS1300-QS潜水性压力传感器。该传感器防潮、防渗漏，坚固不腐蚀；高稳定性、高灵敏度，抗干扰能力强，且电源与周围环境绝缘，绝缘大于1000MΩ；体积小、接线简单，只需要接两根线（两线制传感器），导线采用耐腐蚀电缆，非常适合集水井这个恶劣环境。
3.2 控制系统的改造
控制系统的改造是针对继电器控制电路而进行的，通过引入PLC及计算机，实现排水系统的自动化及远程操作。
4.基于PLC和计算机的集水井水位自动控制
4.1 PLC的基本结构、工作原理和特点 可编程序控制器PLC（Programmable Logical Controller）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，（下转第86页）（上接第84页）它采用可编程序存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC采用了典型的计算机结构，主要有CPU、存储器（EPROM、RAM）、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。其工作过程就是程序执行过程，它分为三个阶段进行：输入采样阶段，程序执行阶段，输出刷新阶段。
PLC具有可靠性高、抗干扰能力强；通用性强、使用方便；使用模块化结构、系统组合灵活方便；编程语言简单易学、便于掌握；对生产工艺改变适应性强；安装简单、调试方便、维护工作量小等特点。因此，PLC在自动化控制过程中广泛应用。
4.2 用PLC实现集水井水位的自动控制
利用PLC控制集水井水位的结构框图如图2所示：
PLC有五种标准编程语言：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）、结构文化本语言（ST）。
鉴于本系统控制功能较为简单，多采用指令表进行编程，通过编程实现水位采集时间间隔确定、泵机控制流程等功能。
PLC通过编程就可以完成集水井水位控制，但其控制过程和结果无法实时显示，人机交互性差，与计算机组成控制系统，可以有效解决这一问题，并实现远程控制。
4.3 PLC与计算机的通信连接
PLC与计算机通信是PLC通信中最简单、最直接的一种通信方式，与PLC通信的计算机常称之为上位计算机。把PLC与计算机连接起来，实现数据通信，可以更有效地发挥各自的优势，扩大PLC的应用范围。
PLC与计算机通信，一般不需要专用的通信模块，而最多只需要一个RS232C或RS422的通信接口即可[2]。
PLC与计算机通信形式可以区分为两种：并行通信和串行通信。串行通信是以二进制的位为单位的数据传输方式，每次只传送一位，最少只需要两根线（双绞线）就可以连接多台设备，组成控制网络。串行通信需要的信号线少，适用于距离较远的场合。在集水井水位自动控制系统中，PLC与计算机的连接采用的是串行通信方式。
4.4 PLC与计算机的通信实现
PLC与计算机的通信，首先就是对PLC的通信格式进行设置。以三菱PLC为例，其特殊数据寄存器D8120[4]就是用于设置通信格式的，具体格式如表1所示。
具体的通信格式为：数据位为8位，无奇偶校验，一个停止位，波特率9600bit/s，RS-232C接口，有检验和，控制协议格式1，PLC站号为0，通信超时时间为100ms。
计算机通信设计语言较多，如Visual Basic、Visual C++等高级语言都可编写通信程序[3]。其主要功能在于系统管理，例如：显示系统运行状态，设置停机、启动、超高水位等。
5.结语
采用PLC和软启动器构成的降排水自动控制系统大大提高了自动化水平：利用PLC的故障自诊断功能，能够进行故障分析；PLC的串行通信工作方式消除了硬布线继电器逻辑接线中几个支路并列造成同时动作的可能性；PLC的远程通信联网功能及易与计算机接口的功能，实现了远程控制，且系统可靠、维护方便，保证了工程的安全运行与管理；自动控制系统减少了运行维护人员的工作量，便于管理。
参考文献
[1]刘忠源，徐睦书合编.水电站自动化（第三版）[M].北京：中国水利水电出版社，1998.
[2]郁汉琪，盛党红，邓东华，郑建永合编.电气控制与可编程序控制器应用技术[M].南京：东南大学出版社，2003.
[3]寥常初主编.FX系列PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4]三菱公司编.三菱FX系列可编程序控制器编程手册[S].2001.
作者简介：黄世猛，男，工程师，主要从事水文情报预报及水文信息化等研究工作。
【关键词】自动化；继电器；可编程控制器；串行通信
1.引言
降排水是常见的工程措施，其目的是通过降低地下水位或排除基坑积水，满足工程施工需要或保证工程安全运用。根据工程所在地的地下水源、土壤渗透能力、降水深度、周边环境等的不同，可以采用不同形式的降水方案，如轻型井点降水、深井井点降水等。对于一些需要长期排水且排水量较大的工程，如水电站、泵站、电梯井等，采用人工管理或半自动化操作的排水方法，不仅耗费大量人力和财力，其管理难度也较大。实现降排水操作自动化是工程管理现代化水平的重要标志之一，通过采用集水井集水、利用自动控制排水设备精确控制水位，既能按预定方案方便准确控制排水，也能节省大量的人力，对工程的安全施工和安全经济运行起着非常重要的作用。
降排水设备自动化目标包括以下内容：
（1）按照设定方案实现水泵的自动开启和停机；
（2）根据来水量的大小，自动增减开泵数量；
（3）显示水泵当前工作状态，当当前工作水泵出现故障时，自动启动另一台工作；
（4）实现远程操作。
2.用继电器实现集水井水位的自动控制
2.1 水位监测方式
水位监测就是使用监测设备反映水位的变化，即反映来水量，是实现自动化控制的关键部件。监测的准确性、安全性直接决定整个系统的功能实现程度。传统的水位监测设备有两种：
（1）浮子式水位计
采用“浮筒——重锤式”机械位移带动水银接点的装置触发水泵的启动或停止。
（2）电极式水位计
主要由水位电极、水位继电器、交流接触器、中间继电器、盘面指示灯、冲击继电器、电铃等组成。工作原理是：水位继电器将交流220V降压整流成直流50V电源接到水位电极的两极，当水将电极浸没时，电极导通，水位继电器动作，接通水泵交流接触器控制回路，水泵运转抽水；当水位降落到返回电极以下时，返回水位继电器失电复归，切断水泵交流接触器控制回路，停止水泵。
2.2 基本控制电路
传统的集水井排水装置控制系统一般都是采用大量的中间继电器和部分时间继电器来实现其基本要求的。
采用继电器实现自动排水的排水装置[1]之一如图1所示。
本自动控制装置由M1、M2两台水泵及切换开关（SH1、SH2）以及磁力启动器（QC1、QC2）、电极式水位信号器、继电器（KM1、KM2）等组成。M1为工作泵，M2为备用泵。控制方式有自动、备用、和手动三种。其工作原理是：
当切换开关转到“自动”位置时，“自动”触点均合上。当集水井水位上升到工作泵启动水位时，中间继电器KM1启动，其触点KM11闭合并自保持，KM12闭合，QC1励磁，1号水泵电动机M1启动；
当来水量较大，水位继续上升到超高水位后，当切换开关转到“备用”位置，中间继电器KM2启动，其触点KM21闭合并自保持，KM22闭合，QC2励磁，2号水泵电动机M2启动；
当集水井水位下降至水泵停止水位时，KM1、KM2失磁，电动机M1、M2停止运转。
当水位再次上升时，又重复上述操作过程，从而使集水井的水位自动维持在规定的范围内。
2.3 存在的主要问题
该控制系统能实现水电站排水泵控制的基本要求，但存在着几个比较典型的问题：
（1）水位监测设备问题：
浮子式水位监测方式设备简单，但容易受井内漂浮物或其他异物的影响，导致浮子不能自由运动，从而影响整个系统的正常运行。另外，水位继电器控制回路由于是放在集水井中的小钢管中，所以对其维护和检修都极其不方便。
电极式水位计克服了浮子式的缺点，但仍有以下问题：
①水位电极一直带电，所以集水井也是带电的，安全性不高；
②水位电极在水中会发生电解化学反应，腐蚀电极和导线，造成误动或不动；
③水位继电器内部接点容量不足，接点粘连时有发生，造成泵机不停，或频繁启动水泵。
（2）控制系统方面的问题：
控制系统存在以下四方面的问题：
①采用这种控制方式要用大量的各种继电器。在频繁动作情况下系统寿命较短，造成系统故障，系统的可靠性差；
②报警系统由信号灯和冲击继电器组成，因为离中控室较远，信号不容易被发现；
③中间继电器使用380V电源，与现在采用弱电控制的发展趋势不符，也不安全；
④系统结构复杂，维护工作量较大。
3.基于继电器集水井排水控制系统的自动化改造
3.1 水位监测系统的改造
鉴于浮子式及电极式水位监测设备的缺点，可采用集成式传感器，例如进口的森纳士（SENEX）压力工具有限公司生产的型号为DS1300-QS潜水性压力传感器。该传感器防潮、防渗漏，坚固不腐蚀；高稳定性、高灵敏度，抗干扰能力强，且电源与周围环境绝缘，绝缘大于1000MΩ；体积小、接线简单，只需要接两根线（两线制传感器），导线采用耐腐蚀电缆，非常适合集水井这个恶劣环境。
3.2 控制系统的改造
控制系统的改造是针对继电器控制电路而进行的，通过引入PLC及计算机，实现排水系统的自动化及远程操作。
4.基于PLC和计算机的集水井水位自动控制
4.1 PLC的基本结构、工作原理和特点 可编程序控制器PLC（Programmable Logical Controller）是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，（下转第86页）（上接第84页）它采用可编程序存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作命令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
PLC采用了典型的计算机结构，主要有CPU、存储器（EPROM、RAM）、输入/输出模块、外设I/O接口、通信接口及电源组成。其工作过程就是程序执行过程，它分为三个阶段进行：输入采样阶段，程序执行阶段，输出刷新阶段。
PLC具有可靠性高、抗干扰能力强；通用性强、使用方便；使用模块化结构、系统组合灵活方便；编程语言简单易学、便于掌握；对生产工艺改变适应性强；安装简单、调试方便、维护工作量小等特点。因此，PLC在自动化控制过程中广泛应用。
4.2 用PLC实现集水井水位的自动控制
利用PLC控制集水井水位的结构框图如图2所示：
PLC有五种标准编程语言：梯形图语言（LD）、指令表语言（IL）、功能模块语言（FBD）、顺序功能流程图语言（SFC）、结构文化本语言（ST）。
鉴于本系统控制功能较为简单，多采用指令表进行编程，通过编程实现水位采集时间间隔确定、泵机控制流程等功能。
PLC通过编程就可以完成集水井水位控制，但其控制过程和结果无法实时显示，人机交互性差，与计算机组成控制系统，可以有效解决这一问题，并实现远程控制。
4.3 PLC与计算机的通信连接
PLC与计算机通信是PLC通信中最简单、最直接的一种通信方式，与PLC通信的计算机常称之为上位计算机。把PLC与计算机连接起来，实现数据通信，可以更有效地发挥各自的优势，扩大PLC的应用范围。
PLC与计算机通信，一般不需要专用的通信模块，而最多只需要一个RS232C或RS422的通信接口即可[2]。
PLC与计算机通信形式可以区分为两种：并行通信和串行通信。串行通信是以二进制的位为单位的数据传输方式，每次只传送一位，最少只需要两根线（双绞线）就可以连接多台设备，组成控制网络。串行通信需要的信号线少，适用于距离较远的场合。在集水井水位自动控制系统中，PLC与计算机的连接采用的是串行通信方式。
4.4 PLC与计算机的通信实现
PLC与计算机的通信，首先就是对PLC的通信格式进行设置。以三菱PLC为例，其特殊数据寄存器D8120[4]就是用于设置通信格式的，具体格式如表1所示。
具体的通信格式为：数据位为8位，无奇偶校验，一个停止位，波特率9600bit/s，RS-232C接口，有检验和，控制协议格式1，PLC站号为0，通信超时时间为100ms。
计算机通信设计语言较多，如Visual Basic、Visual C++等高级语言都可编写通信程序[3]。其主要功能在于系统管理，例如：显示系统运行状态，设置停机、启动、超高水位等。
5.结语
采用PLC和软启动器构成的降排水自动控制系统大大提高了自动化水平：利用PLC的故障自诊断功能，能够进行故障分析；PLC的串行通信工作方式消除了硬布线继电器逻辑接线中几个支路并列造成同时动作的可能性；PLC的远程通信联网功能及易与计算机接口的功能，实现了远程控制，且系统可靠、维护方便，保证了工程的安全运行与管理；自动控制系统减少了运行维护人员的工作量，便于管理。
参考文献
[1]刘忠源，徐睦书合编.水电站自动化（第三版）[M].北京：中国水利水电出版社，1998.
[2]郁汉琪，盛党红，邓东华，郑建永合编.电气控制与可编程序控制器应用技术[M].南京：东南大学出版社，2003.
[3]寥常初主编.FX系列PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2006.
[4]三菱公司编.三菱FX系列可编程序控制器编程手册[S].2001.
作者简介：黄世猛，男，工程师，主要从事水文情报预报及水文信息化等研究工作。