基于PLC與觸摸屏的滲漏排水監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：根據(jù)小浪底進(jìn)水塔滲漏積水的特點和排水系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計了以PLC和觸摸屏為核心的滲漏排水自動控制系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的構(gòu)成、PLC與觸摸屏組合的硬件配置以及軟件設(shè)計。帶控制功能的觸摸屏作為上位機，實現(xiàn)集中監(jiān)控及運行記錄，給系統(tǒng)的安全分析、事故排查、水位數(shù)據(jù)分析提供了可靠的信息；PLC作為現(xiàn)場設(shè)備的控制核心，同時收集現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)安全可靠、操作簡單、運行維護方便。
關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；PLC；觸摸屏；滲漏排水系統(tǒng)

0 引言
小浪底進(jìn)水塔的兩個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，由于小浪底進(jìn)水塔滲漏水在水量和時間上有很大的隨機性和不確定性(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，改善運行環(huán)境，并將2個集水池的排水設(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，以保證泵房安全穩(wěn)定的運行。

1 工藝流程和監(jiān)控要求
1．1 工藝流程
進(jìn)水塔滲漏水量較小時，經(jīng)過一定時間的積累，達(dá)到主用潛水泵啟動水位2．40 m，用主用潛水泵D3進(jìn)行排水；當(dāng)水量增大時，達(dá)到備用潛水泵啟動水位2．60 m，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1．5 m時，則停止?jié)撍?。若水量進(jìn)一步增大時，以致達(dá)到主用離心泵啟動水位2．80 m和備用離心泵啟動水位3．00 m時，則分別啟動主用離心泵D1和備用離心泵D2進(jìn)行排水。此時潛水泵作為離心泵的充水泵，同時啟動潛水泵D3、D4，打開充水電磁閥Z1(或Z2)，延時3 min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，如果水位回落到停泵水位1．50 m，則關(guān)閉離心泵。在關(guān)閉離心泵時，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
整個系統(tǒng)由2個電力中心進(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設(shè)備進(jìn)行手動控制。
在集水池中安裝兩套水位計，以確保在任何一套水位計正常的情況下，滲漏排水系統(tǒng)都能夠正常工作。
一套水位計采用節(jié)點式的，檢測4個啟泵水位和一個停泵水位；另一套采用模擬式的，不但可以在觸摸屏上顯
示集水池的實時水位，而且還可以通過PLC內(nèi)部的算法模擬出與節(jié)點式的水位計等同的水位信號，然后與節(jié)點式水位計的信號進(jìn)行并聯(lián)，以確保整個控制系統(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，報警電鈴自動鳴響，報警指示燈閃爍，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；但報警指示燈仍閃爍報警，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)上位機采用Nematron公司的PV6100i系列觸摸屏，下位機采用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)行機構(gòu)。二者通信時PLC出口為RS 485，觸摸屏入口為RS 232。
2．1上位機硬件構(gòu)成
PV6100i系列觸摸屏擁有良好的人機界面，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液晶人機界面；24 V直流供電；128 MB閃存；68 MB DDR2隨機存儲器；自帶32位的RISC400 MHz處理器；支持多種接口：1個串口COM1(RS 232／RS 485 2 W／4 W)，串口COM2(RS 232)，串口COM3(RS 232／RS 485 2 W)；1個USB主從機接口；支持SD卡等。
2．2 下位機的硬件構(gòu)成
本控制系統(tǒng)主要有一個PLC控制柜和一個動力柜組成。新控制系統(tǒng)把2個泵房中的電動閥、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90-30PLC。該系列PLC具有強大的功能，能滿足各種工業(yè)解決方案的要求，已有的記錄表明它在200 000多項應(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個開量輸出模塊，4個開關(guān)量輸入模塊，1個模擬輸入模塊，安裝在1個10槽基架上。其中實際使用輸入62點、輸出28點、模擬輸入2點。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)快速計算和大吞吐量；
(2)背板：選用1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)場的各個設(shè)備；
(6)模擬量輸入模塊：選用IC693ALG221，用于采集2個集水池的水位高度信號和2個泵房的排水流量。