0 引言
河南省某大壩進(jìn)水塔的兩個(gè)滲漏集水池位于大壩的底部，潛水泵、離心泵等排水設(shè)備和原來的電氣控制柜則位于集水池上方的滲漏排水泵房內(nèi)。工作人員只能根據(jù)巡查情況，就地手動控制進(jìn)行排水，由于進(jìn)水塔滲漏水在水量和時(shí)間上有很大的隨機(jī)性和不確定性(會依據(jù)天氣和季節(jié)變化的不同而不同)，這就給操作人員和大壩的管理帶來了很大的困難，曾經(jīng)就出現(xiàn)過由于短時(shí)間內(nèi)積水過多，大壩底部廊道內(nèi)的部分檢測設(shè)備被淹(包括滲漏排水設(shè)備本身)的情況，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失;且由于電氣控制柜位于大壩底部，環(huán)境潮濕，滲漏水滴經(jīng)常落到控制柜上，造成控制柜電氣元件受潮，出現(xiàn)短路或拒動，給滲漏排水系統(tǒng)的控制帶來了很大的麻煩。因此有必要將電氣控制柜上移至進(jìn)水塔塔面，改善運(yùn)行環(huán)境，并將兩個(gè)集水池的排水設(shè)備用一套控制設(shè)備來進(jìn)行集中監(jiān)控。控制系統(tǒng)主要采用自動控制方式，根據(jù)滲漏水量的大小及時(shí)啟動排水量較小的潛水泵和排水量較大的離心泵進(jìn)行排水， 以保證泵房的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
1 工藝流程與監(jiān)控要求
1.1 工藝流程
進(jìn)水塔滲漏水量較小時(shí)，經(jīng)過一定時(shí)間的積累，達(dá)到主用潛水泵啟動水位 2.40m，用主用潛水泵 D3 進(jìn)行排水;當(dāng)水量增大時(shí)，達(dá)到備用潛水泵啟動水位 2.60m，增加備用潛水泵D4進(jìn)行排水;在此過程中，若水位回落到停泵水位 1.5m時(shí)，則停止?jié)撍?/font>;若水量進(jìn)一步增大，以致達(dá)到主用離心泵啟動水位 2.80m和備用離心泵啟動水位 3.00m時(shí)，則分別啟動主用離心泵 D1 和備用離心泵 D2 進(jìn)行排水。此時(shí)潛水泵作為離心泵的充水泵，同時(shí)啟動潛水泵 D3、D4，打開充水電磁閥 Z1(或 Z2)，延時(shí) 3 分鐘左右并且達(dá)到一定壓力要求后啟動離心泵并打開排水電動閥門 F1(或 F2)進(jìn)行排水，然后關(guān)閉潛水泵 D3、D4 和電磁閥 Z1(或 Z2)。在排水過程中，若水位回落到停泵水位 1.50m，則關(guān)閉離心泵。在關(guān)閉離心泵時(shí)， 要先關(guān)閉相應(yīng)的電動閥 F1 或 F2， 然后再關(guān)閉離心泵。 其滲漏排水設(shè)備布置如圖 1所示。
1.2 系統(tǒng)要求
整個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)電力中心進(jìn)行供電，控制設(shè)備對供電進(jìn)行選擇，以確保系統(tǒng)在任何一個(gè)電力中心電源正常的情況下都能夠正常工作。
在控制柜的控制面板上安裝有自動/手動/觸摸屏手動三位切換旋鈕， 以及各個(gè)設(shè)備的手動控制旋鈕，通過控制面板和觸摸屏可以對各個(gè)設(shè)備進(jìn)行手動控制。
在集水池中安裝兩套水位計(jì)，以確保在任何一套水位計(jì)正常的情況下，滲漏排水系統(tǒng)都能夠正常工作。一套水位計(jì)采用節(jié)點(diǎn)式的，檢測四個(gè)啟泵水位和一個(gè)停泵水位;另一套采用模擬式的，不但可以在觸摸屏上顯示集水池的實(shí)時(shí)水位，而且還可以通過PLC內(nèi)部的算法模擬出與節(jié)點(diǎn)式的水位計(jì)等同的水位信號，然后與節(jié)點(diǎn)式水位計(jì)的信號進(jìn)行并聯(lián)，以確保整個(gè)控制系統(tǒng)控制信息的可靠性。
當(dāng)水位達(dá)到備用離心泵啟動水位(即警戒水位)時(shí)，報(bào)警電鈴自動鳴響，報(bào)警指示燈閃爍，工作人員發(fā)現(xiàn)警戒情況后，可以按下相應(yīng)按鈕，關(guān)閉電鈴;但報(bào)警指示燈仍閃爍報(bào)警，直至水位回落到警戒水位以下。
本系統(tǒng)的監(jiān)控部分包括：兩路電源的供電情況;2#明流塔和 3#發(fā)電塔的水位高程及集水井水位信息;所有電氣設(shè)備原件如兩塔潛水泵、離心泵、電動閥、電磁閥等動作情況;正常時(shí)水流量及啟泵后排水量的監(jiān)控等。
2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
本系統(tǒng)上位機(jī)采用 Nematron 公司的PV6100i 系列觸摸屏，下位機(jī)采用 GE 公司 PLC。觸摸屏可讀取 PLC 中所有的輸入、輸出寄存器，內(nèi)部寄存器等的值，動態(tài)顯示水位高低，設(shè)備運(yùn)行情況等，并能采集、顯示水位信息和歷史動作，方便工作人員的監(jiān)控。PLC 控制輸入、輸出信號的邏輯關(guān)系，控制接觸器驅(qū)動現(xiàn)場的閥門、水泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。二者通訊時(shí)PLC 出口為RS-485,觸摸屏入口為RS-232。
2.1 上位機(jī)硬件
PV6100i 系列觸摸屏擁有良好的人機(jī)界面，能在最大程度上提高一般控制系統(tǒng)或 PLC工作站應(yīng)用的綜合能力。開發(fā)環(huán)境簡單，可以與主流PLC 進(jìn)行無縫連接;支持多種 USB 設(shè)備。
該系統(tǒng)采用的觸摸屏特征參數(shù)為：4線純電阻式觸摸屏;寬屏幕800×480;TFT 液晶人機(jī)界面; 24V直流供電; 128MB閃存; 68MB DDR2隨機(jī)存儲器; 自帶32位的RISC 400MHz處理器; 支持多種接口： 1個(gè)串口 COM1(RS -232/ RS-485 2W/4W),串口 COM2 (RS-232)，串口COM3(RS-232/RS-485 2W);1 個(gè)USB主從機(jī)接口;支持 SD卡等。
2.2 下位機(jī)硬件
本控制系統(tǒng)主要有一個(gè)PLC 控制柜和一個(gè)動力柜組成。新控制系統(tǒng)把兩個(gè)泵房中的電動閥、電磁閥、潛水泵、離心泵等用信號電纜和動力電纜分別接入PLC 柜和動力柜內(nèi).
系統(tǒng)PLC 采用GE Fanuc公司生產(chǎn)的系列 90-30 PLC。該系列PLC具有強(qiáng)大的功能，能滿足各種工業(yè)解決方案的要求，已有的記錄表明它在 200000多項(xiàng)應(yīng)用中被采用。
通過對系統(tǒng)的輸入設(shè)備和控制對象的分析，本系統(tǒng)選用 IC693CPU350 型 CPU，共用 2個(gè)開量輸出模塊，4個(gè)開關(guān)量輸入模塊，1個(gè)模擬輸入模塊，安裝在1 個(gè) 10 槽基架上。其中實(shí)際使用輸入 62點(diǎn)、輸出 28點(diǎn)、模擬輸入2點(diǎn)。具體選擇PLC 硬件模塊如下：
(1)CPU 模塊型號：IC693CPU350，該 CPU 基于高性能的 386EX 處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)快速計(jì)算和大吞吐量;
(2)背板：選用一塊 10槽的 IC693CHS391背板，用于支持各模塊的安裝;
(3)電源模塊：選用 IC693PWR321，為PLC 系統(tǒng)提供充足的電源;
(4)離散量輸入模塊：選用 4塊 IC693MDL645，用于接收現(xiàn)場各個(gè)離散量信號;
(5)離散量輸出模塊：選用 2塊 IC693MDL741，用于控制現(xiàn)場的各個(gè)設(shè)備;
(6)模擬量輸入模塊：選用 IC693ALG221，用于采集兩個(gè)集水池的水位高度信號和兩個(gè)泵房的排水流量;
3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成
3.1 上位機(jī)軟件
上位機(jī)采用觸摸屏內(nèi)置屏幕設(shè)計(jì)程序 ViewBuilder 8000進(jìn)行界面編程。 它具有豐富的圖形庫和強(qiáng)大的圖形組態(tài)工具，支持報(bào)警管理 、安全管理 、趨勢管理、菜單管理等功能，使得開發(fā)和應(yīng)用管理更加方便。觸摸屏編程時(shí)，通過USB 接口與PC 機(jī)相連。
本系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)包括主界面的設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)參數(shù)顯示設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)曲線設(shè)計(jì)、歷史記錄設(shè)計(jì)等;系統(tǒng)的畫面設(shè)計(jì)所應(yīng)用的主要元件包括字符串設(shè)定、觸摸鍵設(shè)定、畫面切換、數(shù)值顯示、歷史曲線及歷史趨勢圖等。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)滲漏排水泵房中各個(gè)設(shè)備的手動控制界面， 根據(jù)滲漏排水泵房內(nèi)排水設(shè)備的實(shí)際位置設(shè)計(jì)了仿真畫面，動態(tài)顯示出現(xiàn)場的潛水泵、離心泵、電動閥、電磁閥等設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示水位的高度、流量的大小。還設(shè)計(jì)了兩個(gè)泵房的聯(lián)合監(jiān)控界面，便于用戶的操作(如圖 2所示，其中水位高程為集水井水位再加一個(gè)基準(zhǔn)高程)。各個(gè)界面下設(shè)有切換按鈕，可以方便的切換到其它界面。并且利用觸摸屏的數(shù)據(jù)記錄功能，記錄水位、流量信息及潛水泵、離心泵、電動閥、電磁閥等設(shè)備開關(guān)時(shí)間信息等，并形成實(shí)時(shí)和歷史趨勢畫面;可定期導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后形成 Excel 文檔，便于在 PC 機(jī)上進(jìn)行后期分析處理。
3.1.1參數(shù)設(shè)定
由于ViewBuilder 8000軟件適用于幾個(gè)系列的機(jī)型，在編程開始時(shí)，要選擇與本項(xiàng)目所對應(yīng)的機(jī)型。本項(xiàng)目使用的是 PV6100i 系列觸摸屏，故選擇PV-8070iH/PV-6100i/PV-8100i(800x480)，并選擇相應(yīng)的PLC 類型(GE Fanuc SNP-X)。
設(shè)置通訊參數(shù)：觸摸屏的通訊參數(shù)必須與 PLC 一致，否者二者不能進(jìn)行通訊。接口類型為 RS-232，采用 COM1 口通訊，波特率為 19200，數(shù)據(jù)位 8 位，奇偶校驗(yàn)為奇校驗(yàn)，停止位 1位。
3.1.2相關(guān)信息的采樣與顯示
1、水位信息的采樣與顯示：
本系統(tǒng)的水位信息采樣分為兩部分：1、周期采樣;2、觸發(fā)采樣。
(1)周期采樣：
PLC 將水位傳感器采集到的 2#明流塔水位高程、集水井水位以及 3#發(fā)電塔水位高程、集水井水位等水位信息分別存入其內(nèi)部寄存器 R1,R3,R5,R7當(dāng)中。每隔 120 分鐘，觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，通過讀取PLC的內(nèi)部寄存器，可獲得水位信息，還可以保存讀取到的數(shù)據(jù)，以歷史數(shù)據(jù)的方式顯示以往的水位信息，方便工作人員分析水位速度和趨勢。
(2)觸發(fā)采集：
一旦 2#明流塔或 3#發(fā)電塔的水泵啟動工作，便觸發(fā)相應(yīng)塔的水位信息采樣，每隔 1 分鐘，觸摸屏就讀取分別保存在 PLC 的內(nèi)部寄存器 R1,R3,R5,R7 中的水位信息，進(jìn)行 1 次采樣。這樣可以獲得泵啟動后水位變化的實(shí)時(shí)信息，便于工作人員掌握水泵的排水量和排水能力。并保存讀取到的數(shù)據(jù)，方便工作人員的查詢。
2、動作采樣及顯示：
觸摸屏可以讀取 PLC 的內(nèi)部所有輸入寄存器，輸出寄存器，內(nèi)部寄存器的值，并存儲在自己的寄存器當(dāng)中，當(dāng) PLC 的輸入輸出狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其寄存器的值就會發(fā)生改變，觸摸屏便采集并保存下來，工作人員可以方便的查詢設(shè)備何時(shí)動作、何時(shí)恢復(fù)原狀態(tài)，充分掌握該系統(tǒng)的運(yùn)行情況。
3、歷史數(shù)據(jù)、歷史動作的顯示：
觸摸屏在對信息采樣的同時(shí)，便將這些信息保存在自己內(nèi)部寄存器中，工作人員可以查詢 180 天以內(nèi)的所有水位信息和動作信息。也可直接用 U 盤下載采集到的保存在觸摸屏內(nèi)的水位信息的歷史數(shù)據(jù)及歷史動作，利用相應(yīng)軟件，將下載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成excel文件，便于工作人員進(jìn)行研究分析，也便于將資料歸檔整理。如圖 3、圖 4所示。
3.2 下位機(jī)軟件
本系統(tǒng)下位機(jī)軟件采用 WINOOWs操作系統(tǒng)下的VersaPro2.0進(jìn)行編程調(diào)試工作，該編程軟件擁有良好的人機(jī)操作界面，編程簡單易行，便于用戶的調(diào)試、維修、改造等工作。軟件由主程序和六個(gè)子程序構(gòu)成，主程序用于系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)處理、通訊、報(bào)警輸出和調(diào)用子程序等; 六個(gè)子程序分別用于對兩個(gè)泵房的設(shè)備進(jìn)行自動控制、 手動控制和觸摸屏手動控制。軟件流程圖如圖 5 所示，其中水位高度為集水井水位高度。
4 聯(lián)合調(diào)試
在系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試過程中，通過觸摸屏顯示的信息，發(fā)現(xiàn)有些開關(guān)量的狀態(tài)的很不穩(wěn)定，出現(xiàn)觸摸屏多次重復(fù)記錄信息或記錄有誤的情況。比如，系統(tǒng)設(shè)定，當(dāng)水位達(dá)到2.4米時(shí)，2#主潛水泵啟動，2#水位觸發(fā)采樣進(jìn)行。然而在分析觸摸屏記錄的 2#動作信息和 2#觸發(fā)采樣水位信息時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)，2#主潛水泵輸入狀態(tài)在“開”、“關(guān)”之間反復(fù)轉(zhuǎn)換，相應(yīng)記錄的觸發(fā)采樣水位信息也很混亂。通過查詢大量資料，分析現(xiàn)場環(huán)境，得出了可能是因?yàn)樗徊环€(wěn)，水以波狀形式?jīng)_擊水位傳感器的緣故，在PLC 控制程序中加入了防抖動程序之后，解決了該問題。
5 結(jié)論
系統(tǒng)經(jīng)過改造后， 可以在進(jìn)水塔塔面的控制室內(nèi)對兩個(gè)滲漏排水泵房內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控，改善了系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。該系統(tǒng)采用的以GE 90-30 PLC 為中心構(gòu)建自動/手動控制系統(tǒng)，操作簡單，維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，大大減輕了操作人員勞動強(qiáng)度。觸摸屏的友好界面和歷史數(shù)據(jù)記錄功能，不僅給操作帶來了方便，而且記錄了泵房的運(yùn)行狀況，給自身系統(tǒng)的安全分析、事故排查、乃至水工建筑物的安全分析提供了可靠的數(shù)據(jù)來源。該系統(tǒng)投運(yùn)一年多來工作穩(wěn)定正常，用戶反應(yīng)良好。
