摘 要：可編程序控制器以其獨(dú)有的特點(diǎn)，在工業(yè)控制自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，它既可檢測(cè)和處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)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(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用;介紹了PLC的硬件軟件設(shè)計(jì)及上位監(jiān)控軟件所實(shí)現(xiàn)的功能。實(shí)際運(yùn)行表明：設(shè)計(jì)符合控制要求，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高、效率高。
關(guān)鍵詞：PLC，硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)，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(yùn)行可靠性的高低直接關(guān)系到鎮(zhèn)江市污水處理廠的安全可靠運(yùn)行，本文應(yīng)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(shí)現(xiàn)江濱泵站的自動(dòng)控制，并通過(guò)以太網(wǎng)接口與上位監(jiān)控管理軟件相結(jié)合，提高了系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率。
1 泵站工藝流程和控制對(duì)象簡(jiǎn)介
圖1 江濱泵站工藝流程簡(jiǎn)圖
江濱泵站工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。圖中格柵機(jī)的作用是將水中較大的固體垃圾抓取到和過(guò)濾后經(jīng)皮帶輸送機(jī)輸送到垃圾箱;橋式刮砂機(jī)定時(shí)將沉砂池中的細(xì)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(xì)小的固體顆粒與水分離，水進(jìn)入集水池、固體顆粒進(jìn)入垃圾箱;集水池部分的作用是蓄集污水，并通過(guò)潛水泵將污水輸送至污水處理廠。
江濱泵站的控制對(duì)象主要由三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分組成：格柵池、沉砂池和污水集水池，此外還有兩個(gè)過(guò)江管道。格柵池部分有三個(gè)水道，共有六個(gè)進(jìn)/出水閘門（啟閉機(jī)）、三臺(tái)細(xì)格柵機(jī)、一臺(tái)粗格柵機(jī)（共用）和一臺(tái)皮帶輸送機(jī)（共用）;沉砂池部分有四個(gè)水道，分為兩組，共有兩臺(tái)橋式刮砂機(jī)、四臺(tái)排砂泵、兩臺(tái)砂水分離器和四個(gè)進(jìn)水閘門;污水集水池部分有兩個(gè)集水池，兩者之間有一連通閘門（不參與自動(dòng)控制，正常情況下，該連通閘門處于開(kāi)啟狀態(tài)），每個(gè)集水池有三臺(tái)污水泵，共六臺(tái)（四臺(tái)配置了軟啟動(dòng)器、兩臺(tái)配置了變頻器），十二個(gè)電動(dòng)閥門（泵進(jìn)出/水閥門）;此外，兩個(gè)出水總管各有一個(gè)閥門，共兩個(gè)閥門。
2 泵站控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
泵站控制系統(tǒng)由PLC、低壓控制屏、MCC柜及外圍電氣設(shè)備（如格柵機(jī)、閥門、泵等）組成，并通過(guò)以太網(wǎng)與中控室相連，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
PLC是整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)控制的中樞，它負(fù)責(zé)對(duì)泵站設(shè)備運(yùn)行和工作狀態(tài)的采集、與中控室監(jiān)控系統(tǒng)通信、實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制;低壓控制屏用以控制功率較小的泵、閥、格柵等設(shè)備，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)低壓控制屏輸入PLC的開(kāi)關(guān)量輸入模塊，相應(yīng)的PLC輸出開(kāi)關(guān)量通過(guò)低壓控制屏對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制;MCC柜用以控制220KW的大功率排污泵，泵的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)MCC柜輸入PLC的開(kāi)關(guān)量輸入模塊，六臺(tái)泵分別配有軟啟動(dòng)器或變頻器，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線DeviceNet與PLC相連，PLC通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線模塊可讀取變頻器、軟啟動(dòng)器的運(yùn)行狀況及實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速和軟啟動(dòng)器參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置;集水池水位、出水流量、出水管道壓力、PH值、溫度等信號(hào)由現(xiàn)場(chǎng)傳感器直接接入PLC的模擬量輸入模塊。
3 PLC硬件設(shè)計(jì)
SLC500系列PLC具有大型PLC的功能，小型PLC的價(jià)格和不斷擴(kuò)充的控制能力和通信能力，可隨時(shí)滿足工業(yè)控制中的各種要求。由羅克韋爾自動(dòng)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(hào)為1746和1747系列，采用框架式結(jié)構(gòu)，為在不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用提供了穩(wěn)定的可靠平臺(tái)。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(dòng)控制系統(tǒng)需通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)的構(gòu)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(diǎn)數(shù)等估算存儲(chǔ)容量并選型。本設(shè)計(jì)中選用的是有以太網(wǎng)接口、支持塊傳輸指令的16K存儲(chǔ)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(duì)象、檢測(cè)參數(shù)及控制要求，統(tǒng)計(jì)PLC的I/O點(diǎn)數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的I/O點(diǎn)數(shù)，考慮價(jià)格、備用模塊通用性及留有10%～15%的裕量，本設(shè)計(jì)中選用了2個(gè)四通道模擬量輸入模塊1746-NI8，20個(gè)16點(diǎn)直流24V開(kāi)關(guān)量輸入模塊1746-IB16和6個(gè)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(gè)10槽的框架，框架間通過(guò)框架擴(kuò)展電纜1746-C9實(shí)現(xiàn)互連。
2）電源選擇 根據(jù)文獻(xiàn)[2][4]中的方法計(jì)算并選擇電源模塊，在編程環(huán)境中進(jìn)行I/O組態(tài)（IO Configuration）時(shí)，可利用 Power Suplly校驗(yàn)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(chǎng)總線模塊選擇
江濱泵站的六臺(tái)潛水泵的功率均為220KW，為了減小啟動(dòng)沖擊電流和減少泵的啟停次數(shù)，其中四臺(tái)泵配置了軟啟動(dòng)器、兩臺(tái)泵配置了變頻器，軟啟動(dòng)器和變頻器都支持DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線通信，通過(guò)與軟啟動(dòng)器和變頻器的通信可實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的讀取、修改及泵的調(diào)速，本設(shè)計(jì)中選用了DeviceNet模塊1747-SDN。
4 PLC程序設(shè)計(jì)
4.1 控制要求
1）格柵池部分 根據(jù)三種運(yùn)行模式（白天、夜間、暴雨），細(xì)格柵機(jī)輪值（輪值時(shí)間可在上位機(jī)上設(shè)定）或全部參與運(yùn)行;粗格柵機(jī)在有細(xì)格柵機(jī)運(yùn)行的水道之間自動(dòng)輪值（由其自身PLC根據(jù)外部井位選擇輸入實(shí)現(xiàn)）;水道切換時(shí)，新投入運(yùn)行的格柵機(jī)正常運(yùn)行后，原運(yùn)行格柵機(jī)根據(jù)運(yùn)行模式停止運(yùn)行或繼續(xù)運(yùn)行（如：1、2轉(zhuǎn)換為1、3或2、3）;細(xì)格柵機(jī)運(yùn)行采用定時(shí)控制方式，定時(shí)時(shí)間可在上位機(jī)上設(shè)置，水道切換時(shí)選擇設(shè)備無(wú)故障且運(yùn)行時(shí)間最短的格柵機(jī)所在的水道;白天運(yùn)行模式時(shí)，投運(yùn)兩個(gè)水道;夜間運(yùn)行模式時(shí)，投運(yùn)一個(gè)水道;暴雨運(yùn)行模式時(shí)三個(gè)水道同時(shí)投入運(yùn)行;白天、夜間運(yùn)行模式根據(jù)切換時(shí)間點(diǎn)（可在上位機(jī)上設(shè)定）自動(dòng)切換;正常（白天、夜間）運(yùn)行模式和暴雨運(yùn)行模式的切換在上位機(jī)遙控完成;皮帶輸送機(jī)與細(xì)格柵機(jī)聯(lián)動(dòng)，只要有一臺(tái)細(xì)格柵機(jī)運(yùn)行，皮帶輸送機(jī)就運(yùn)行（由外圍電氣控制實(shí)現(xiàn)）;在格柵機(jī)故障的情況下，關(guān)閉故障格柵機(jī)對(duì)應(yīng)的進(jìn)水閘門，同時(shí)置位相關(guān)報(bào)警信息位。
2）沉砂池部分 正常時(shí)兩組刮砂機(jī)組同時(shí)工作，投入運(yùn)行時(shí)先啟動(dòng)排砂泵，然后啟動(dòng)砂水分離器，在排砂泵運(yùn)行后，再打開(kāi)對(duì)應(yīng)的進(jìn)水閘門，然后周期（時(shí)間可上位設(shè)置）啟停橋式刮砂機(jī);若排砂泵故障，則關(guān)閉對(duì)應(yīng)的進(jìn)水閘門;若某刮砂機(jī)故障，則關(guān)閉對(duì)應(yīng)的兩個(gè)進(jìn)水閘門;投入運(yùn)行的排砂泵每隔1小時(shí)反復(fù)沖洗一次，即停泵10秒后再開(kāi)泵10秒，反復(fù)5次，以避免排砂泵管道堵塞;當(dāng)集水池水位連續(xù)2小時(shí)低于2.6米時(shí)，未使用水道排砂泵暫停運(yùn)行，直至水道恢復(fù)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(jìn)水閥在自身、對(duì)應(yīng)泵和對(duì)應(yīng)出水閥無(wú)故障的情況下，長(zhǎng)期處于開(kāi)啟狀態(tài)，不參與自動(dòng)控制，但可在上位機(jī)上根據(jù)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控;在兩過(guò)江管道閥門有一個(gè)全開(kāi)的情況下，根據(jù)水位和可參與自動(dòng)運(yùn)行的泵的臺(tái)數(shù)，確定污水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù);正常情況下，第一臺(tái)啟動(dòng)變頻泵，然后根據(jù)水位的上升情況遞加軟起泵，兩臺(tái)變頻泵之間輪值，四臺(tái)軟啟動(dòng)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(shí)，先啟動(dòng)水泵再降低變頻泵轉(zhuǎn)速，減泵時(shí)，先停泵再提高變頻泵轉(zhuǎn)速;加泵時(shí)，啟動(dòng)無(wú)故障、未運(yùn)行泵中運(yùn)行累計(jì)時(shí)間最短的泵;減泵時(shí)，停運(yùn)運(yùn)行泵中累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的泵;某臺(tái)泵啟停2分鐘內(nèi)，其它泵不可啟動(dòng)（遠(yuǎn)程遙控?zé)o時(shí)間限制）;某臺(tái)泵自停止運(yùn)行起，10分鐘內(nèi)不可再啟動(dòng)（遠(yuǎn)程遙控?zé)o時(shí)間限制）;啟動(dòng)時(shí)，先啟動(dòng)泵，10秒后再開(kāi)啟對(duì)應(yīng)出水閥，停止時(shí)，先關(guān)閥門，閥門關(guān)閉后再停泵;加泵時(shí)發(fā)出開(kāi)泵信號(hào)后，如在20秒內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到其運(yùn)行信號(hào)則切換到另外一臺(tái)泵;泵啟動(dòng)后開(kāi)啟相應(yīng)的出水閥門，開(kāi)啟閥門信號(hào)發(fā)出后，如1分半鐘內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到閥門未全關(guān)信號(hào)則要關(guān)閉該閥門，并停止對(duì)應(yīng)的水泵;減泵時(shí)，關(guān)閉閥門信號(hào)發(fā)出1分半鐘后，若無(wú)閥門未全關(guān)信號(hào)則要強(qiáng)行停止對(duì)應(yīng)的水泵并報(bào)警。
以上設(shè)備中除泵的出水閥外，其它設(shè)備均可上位設(shè)為遠(yuǎn)程遙控模式，進(jìn)行遙控。
4.2 程序設(shè)計(jì)
從前面的控制要求可知，江濱泵站的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，不僅PLC的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)較多、控制邏輯復(fù)雜，而且有現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)（相對(duì)獨(dú)立，PLC不參與）、本地自動(dòng)和遠(yuǎn)程遙控等工作方式。針對(duì)這種復(fù)雜情況，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先確定程序的總體結(jié)構(gòu)，根據(jù)三個(gè)相對(duì)獨(dú)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(nèi)容主要包括：PLC自身的檢測(cè)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(dòng)作必要的準(zhǔn)備，另一方面避免系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作。
三個(gè)相對(duì)的獨(dú)立組成部分的子程序內(nèi)容主要包括：控制程序，檢測(cè)、故障診斷程序，保護(hù)、連鎖程序等。控制程序的作用是實(shí)現(xiàn)各個(gè)組成部分的控制要求，檢測(cè)、故障診斷程序的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，為控制提供相關(guān)依據(jù)，并根據(jù)輸入的故障信號(hào)，確定故障點(diǎn)置位對(duì)應(yīng)的報(bào)警位或故障處理建議位;保護(hù)、連鎖程序與控制程序相結(jié)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(yùn)行安全、可靠。
通訊子程序主要作用是實(shí)現(xiàn)PLC基于現(xiàn)場(chǎng)總線DeviceNet與軟啟動(dòng)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(jī)間的信息交換。
5 上位監(jiān)控程序功能
本設(shè)計(jì)中應(yīng)用組態(tài)軟件Intouch 9.0進(jìn)行上位監(jiān)控程序設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的監(jiān)控程序在上位機(jī)上通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)與泵站相聯(lián)，主要實(shí)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(shè)備的運(yùn)行情況、各泵站現(xiàn)場(chǎng)儀表的實(shí)時(shí)檢測(cè)值（如流量、液位、壓力、PH值等）、測(cè)量點(diǎn)（如流量、壓力、液位等）的實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線及歷史曲線、各泵站的電力系統(tǒng)狀態(tài)圖等。
2）實(shí)時(shí)顯示報(bào)警信息，并將報(bào)警記錄實(shí)時(shí)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，可隨時(shí)查閱和打印。
3）可在監(jiān)控畫(huà)面上通過(guò)簡(jiǎn)單操作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和有關(guān)參數(shù)的設(shè)定。
4）自動(dòng)生成主要設(shè)備的日/月運(yùn)行報(bào)表、設(shè)備故障報(bào)表、巡更記錄報(bào)表等，并可打印。
5）可對(duì)視頻信號(hào)（攝像）統(tǒng)一管理及在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示。
6 結(jié)論
本文的創(chuàng)新點(diǎn)：將智能變頻器和DeviceNet現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用到污水泵的控制中，有效地減少了泵的啟停次數(shù)，通過(guò)DeviceNet直接讀取變頻器、軟啟動(dòng)器中的電流、電壓、故障信息等相關(guān)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)了變頻泵的無(wú)級(jí)調(diào)速。
實(shí)際運(yùn)行表明，江濱泵站PLC系統(tǒng)控制程序與應(yīng)用Intouch編寫的上位監(jiān)控界面相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了PLC本地自動(dòng)控制、上位遠(yuǎn)程遙控、遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)等要求，完全滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 李鳳閣, 林景波, 佟為明. 羅克韋爾SLC 500系列可編程序控制器及其應(yīng)用[J]. 低壓電器, 2005（8）：42～45.
[2] 王海瑞，張勇. 計(jì)算機(jī)與PLC集成控制系統(tǒng)在干冰生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2006, 2: 39～41.
[3] Rockwell automation. SLC 500TM 系列可編程序控制器[G]. 2003.
[4] Rockwell automation. SLCTM 500 Instruction Set Reference Manual[G]. 2003.
[5] Rockwell automation. SLC 500TM Programmable Controllers & I/O Modules[G]. 2001.
[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(jiǎn)介：
黃巧亮（1970-），男（漢），江蘇淮安人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)?a title="中國(guó)智能儀器網(wǎng)" href="http://m.023bufankeji.cn/product/list.php?catid=1920" target="_blank">智能儀器與系統(tǒng);
龐科旺（1963-），男（漢），陜西咸陽(yáng)人，副教授，主要研究方向?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)及其自動(dòng)化;
陳玉亮（1979-），男（漢），江蘇鹽城人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂啤?
