基于PLC泵站監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
發(fā)布日期：2022-04-27 點擊率：59
1 引言
卿頭加壓泵站位于永濟市卿頭正西南處,引黃濟運輸水管線37+400處,占地1.33畝。加壓泵站于2007年12月建成,并取得試運行成功,使得引黃濟運工程日輸水能力從4萬方提高到6萬方。該泵站使用在大口徑管道中直接對口加壓,此模式已投入運行近5年,極大緩解了原水供給不足的矛盾,保證了運城市區(qū)人們的正常生產(chǎn)生活用水需求。
卿頭加壓泵站內(nèi)設高壓配電室、值班室及泵房。高壓配電室設備有高壓開關柜和高壓變頻器柜。其中,高壓開關柜依次為進線柜、計量柜、變用站柜、電容柜、1#電機啟動柜及2#電機啟動柜,每個開關柜內(nèi)配有高壓綜合保護裝置,具有標準的RS485通信功能。高壓變頻控制柜主要包括移相變壓器、功率模塊和控制模塊三部分。值班室內(nèi)設閥門操作屏及壓力報警屏。其中閥門操作屏完成2個進水閥門,2個出水閥門及1個旁通閥門的現(xiàn)場開關閥,并且每個閥門具有開到位、關到位、過力矩及電源指示功能。壓力報警屏內(nèi)配有4塊光柱數(shù)顯表及報警器,每塊數(shù)顯表采集機組前后壓力變送器傳來的壓力數(shù)據(jù)。泵房內(nèi)設機組2臺,一用一備,其中電機電壓為10KV,功率為400KW。改造前設備的控制及數(shù)據(jù)的采集均由值班人員現(xiàn)場操作來完成。通過設置變頻器的人機界面來實現(xiàn)機組運行頻率給定及機組的啟停操作,通過現(xiàn)場操作閥門控制屏來開關5個閥門。因此對現(xiàn)有泵站監(jiān)控系統(tǒng)進行改造和完善,以達到減員增效,進而提高自動化水平及經(jīng)濟效益刻不容緩[1]。
2 監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析
在值班室設監(jiān)控中心,并配一主控柜,可實現(xiàn)與閥門控制屏及壓力報警屏的監(jiān)控功能。實現(xiàn)接收電動閥門的開閥、關閥及停閥命令;采集各個閥門的位置狀態(tài)及機組進出水口處的壓力。
遠程狀態(tài)下,監(jiān)控中心可實現(xiàn)與高壓變頻器及高壓開關柜的通信。實現(xiàn)遠程給定高壓變頻器運行頻率,接收變頻器開機、停機命令;采集的數(shù)據(jù)主要有高壓變頻器的運行頻率、設定頻率、輸入輸出電壓、輸入輸出電流;高壓開關柜內(nèi)綜合保護裝置中的各種參數(shù),例如線電壓、相電壓等。
監(jiān)控中心可實現(xiàn)2臺機組的溫度采集功能。每臺電機采集的參數(shù)包括電機定子溫度、轉(zhuǎn)子溫度、軸伸端軸承溫度及非軸伸端軸承溫度。
監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有遠程機組控制、監(jiān)測、自動采集的各項運行數(shù)據(jù)功能,而且具有實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示、報警、存儲、曲線、查詢、匯總、打印輸出及報警功能[2]。這樣在簡化開機啟動流程的基礎上,降低了勞動強度,大大提高了工作效率。
3 泵站監(jiān)控系統(tǒng)結構
監(jiān)控系統(tǒng)按照分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活、組態(tài)方便的設計思想,分別實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和水泵機組的啟停控制。系統(tǒng)由3層結構組成,分別是管理層、控制層和現(xiàn)場層。管理層為工業(yè)計算機,其主要作用是與控制層的PLC通信,獲得生產(chǎn)過程所需的數(shù)據(jù),顯示工藝流程,提示報警,生成報表并支持報表打印。控制層為PLC控制柜,變頻控制柜及高壓綜合保護裝置,其作用一是用于采集2臺機組前后的壓力、電機溫度參數(shù)及高壓開關柜的電氣參數(shù);二是接收工業(yè)計算機的命令,實現(xiàn)閥門及電機的啟停。現(xiàn)場層為現(xiàn)場設備,是控制系統(tǒng)信號的提供者,如水泵電機內(nèi)溫度傳感器、壓力傳感器、閥門到位信號等。系統(tǒng)的整體結構如圖1所示。
4 泵站監(jiān)控系統(tǒng)設計
本項目主要是通過設計PLC主控柜、電機溫度子站,構建工業(yè)計算機通信網(wǎng)絡,開發(fā)卿頭泵站集中監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程控制及各系統(tǒng)參數(shù)的集中監(jiān)控。
PLC主控柜為監(jiān)控系統(tǒng)的核心,內(nèi)部由一系列PLC組件組成。PLC為可編程邏輯控制器,它采用一類可編程的存儲器,用于其內(nèi)部存儲程序,執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令,并通過數(shù)字或模擬式輸入輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。本主控柜既要實現(xiàn)對閥門穩(wěn)定的控制功能,又要完成實時采集機組前后壓力以及電機溫度功能,同時還具備與工業(yè)計算機進行網(wǎng)絡通信的功能。因此,系統(tǒng)選用全球知名品牌的西門子可編程控制器。為了完成上述功能,根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模統(tǒng)計要求,
監(jiān)控系統(tǒng)中電機溫度采用分布式IO設備ET200M來實現(xiàn)組網(wǎng),該網(wǎng)絡在物理層是基于屏蔽雙線的電氣網(wǎng)絡,傳輸協(xié)議采用PROFIBUS DP,使CPU和分布式IO設備之間實現(xiàn)快速、循環(huán)的數(shù)據(jù)交換。[3]DP主站即主控柜,是控制CPU和分布式IO設備之間的連接,它通過PROFIBUS DP與分布式IO設備交換數(shù)據(jù)并監(jiān)視DP網(wǎng)絡通信狀況。分布式IO設備,即DP從站,負責在現(xiàn)場準備數(shù)據(jù),使得數(shù)據(jù)可以通過PROFIBUS DP發(fā)送至CPU。本系統(tǒng)1#、2#電機溫度保護柜作為分布式IO設備,采用現(xiàn)場通信總線,完成與主控柜的通信。它是由一個IM153-1和一個4通道組中的RTD電阻溫度計的8點輸入。
系統(tǒng)中高壓變頻器為HARVSERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng),它采用單元串聯(lián)多電平技術,屬于高-高電壓源變頻器,10KV輸入,直接10KV高壓輸出。其中高壓變頻器的控制器采用西門子CPU224 XP處理器。該處理器具有兩個獨立的RS485通信口,其中Port0用于人機界面通信,Port1用于與上位機監(jiān)控系統(tǒng)通信。本通信口采用平衡信號傳輸方式,可有效地抑制傳輸過程中干擾,具有通信速率高、通信距離長及并聯(lián)接到多個端口的特點。[4]網(wǎng)絡通信方式為半雙工。Port1通信協(xié)議采用西門子專為S7-200開發(fā)的PPI通信協(xié)議,通信規(guī)約為:數(shù)據(jù)位8位,停止位1位,無校驗,波特率9600,地址位為2。泵站監(jiān)控系統(tǒng)基于該網(wǎng)絡通信協(xié)議實現(xiàn)上位機遠程啟停高壓變頻器。
監(jiān)控系統(tǒng)中高壓開關柜的運行參數(shù)是通過內(nèi)部的高壓綜合保護裝置進行聯(lián)網(wǎng),采用mark校驗碼、波特率9600、1位停止位及8位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)規(guī)約,來完成高壓開關柜內(nèi)遙測量、遙信量及遙控量的數(shù)據(jù)采集功能。
監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡通信功能主要由以太網(wǎng)通信模塊和串口服務器來完成。前者主要實現(xiàn)將主控柜內(nèi)CPU處理的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議傳入工業(yè)計算機,它采用全雙工通信方式,通信速率高達100Mbit/s。后者由于工業(yè)計算機RS232通信口數(shù)量的局限性,監(jiān)控系統(tǒng)采用串口服務器,它提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡功能,能夠?qū)S485串口轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡接口,實現(xiàn)RS485串口與TCP/IP網(wǎng)絡接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸。使得串口設備能夠立即具備TCP/IP網(wǎng)絡接口功能,連接網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信,這樣極大地擴展串口設備的通信距離。高壓變頻控制柜及綜合保護裝置就是通過該設備實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)共享功能。
5 泵站監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)
根據(jù)系統(tǒng)的監(jiān)控需求,本系統(tǒng)采用了西門子公司的S7-300可編程控制器和8路串口服務器組成。主要包括一個DP主控柜主站,2個DP電機溫度從站,1個高壓變頻子站及5個高壓綜合保護裝置子站。DP主站模塊主要有1個電源模塊、1個CPU模塊,2個模擬模塊,1個開關量模塊,1個通信模塊。其中,CPU模塊選擇為313C-2DP緊湊型CPU,通信模塊為以太網(wǎng)CP343-1通信處理器。DP從站模塊主要有1個電源模塊、1個IM153接口模塊,1個SM331 8XRTD模擬模塊。 [5]高壓變頻子站與高壓綜合保護裝置通過串口服務器連接,通過交換機完成監(jiān)控軟件與子站的通信。
主控柜主站實現(xiàn)對閥門控制、壓力采集,完成與2個電機溫度保護子站的連接需要對PLC進行組態(tài)。本系統(tǒng)編程軟件選用STEP V5.4組態(tài)軟件。進入軟件后先對主站進行硬件組態(tài),選定S7-313 2DP為主站系統(tǒng),然后添加2個ET200M的接口模塊為DP從站。本次設計中兩臺電機溫度子站的地址分別為3號、4號站。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,設定波特率為9600bps。最后建立一個數(shù)據(jù)塊,用于觀測實時通訊效果。組態(tài)效果如圖2所示。
系統(tǒng)硬件組態(tài)成功后,根據(jù)2臺機組的運行工藝要求,編寫控制程序。主要包括閥門操作及高壓變頻器操作兩部分。機組開機條件為:電機啟動柜合閘,高壓開關柜不存在故障報警。同時高壓變頻器工作狀態(tài)為遠程并且處于高壓就緒狀態(tài)、不存在故障報警。
6 結束語
在泵站監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)中,上位機系統(tǒng)利用工控軟件Kingview6.52進行二次開發(fā),下位機使用抗干擾性強、使用廣泛的S7-300 PLC的監(jiān)控方案。目前該方案的系統(tǒng)已經(jīng)應用于卿頭加壓泵站,其運行效果良好,性能穩(wěn)定可靠。對于今后水廠泵站改造及建設具有借鑒意義。
