PLC 與觸摸屏在大壩進(jìn)水塔滲漏排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

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(lái)的電氣控制柜則位于集水池上方的滲漏排水泵房?jī)?nèi)。工作人員只能根據(jù)巡查情況，就地手動(dòng)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(huì)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(lái)了很大的困難，曾經(jīng)就出現(xiàn)過(guò)由于短時(shí)間內(nèi)積水過(guò)多，大壩底部廊道內(nèi)的部分檢測(cè)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(dòng)，給滲漏排水系統(tǒng)的控制帶來(lái)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(lái)進(jìn)行集中監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)主要采用自動(dòng)控制方式，根據(jù)滲漏水量的大小及時(shí)啟動(dòng)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(guò)一定時(shí)間的積累，達(dá)到主用潛水泵啟動(dòng)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(dòng)水位 2.60m，增加備用潛水泵D4進(jìn)行排水；在此過(guò)程中，若水位回落到停泵水位 1.5m時(shí)，則停止?jié)撍?；若水量進(jìn)一步增大，以致達(dá)到主用離心泵啟動(dòng)水位 2.80m和備用離心泵啟動(dòng)水位 3.00m時(shí)，則分別啟動(dòng)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(dòng)潛水泵 D3、D4，打開(kāi)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(dòng)離心泵并打開(kāi)排水電動(dòng)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(guò)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(dòng)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(duì)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(dòng)/手動(dòng)/觸摸屏手動(dòng)三位切換旋鈕， 以及各個(gè)設(shè)備的手動(dòng)控制旋鈕，通過(guò)控制面板和觸摸屏可以對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)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(cè)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(guò)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(hào)，然后與節(jié)點(diǎn)式水位計(jì)的信號(hào)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(dòng)水位（即警戒水位）時(shí)，報(bào)警電鈴自動(dòng)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(dòng)閥、電磁閥等動(dòng)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(dòng)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(dòng)作，方便工作人員的監(jiān)控。PLC 控制輸入、輸出信號(hào)的邏輯關(guān)系，控制接觸器驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)單，可以與主流PLC 進(jìn)行無(wú)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(chǔ)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(dòng)力柜組成。新控制系統(tǒng)把兩個(gè)泵房中的電動(dòng)閥、電磁閥、潛水泵、離心泵等用信號(hào)電纜和動(dòng)力電纜分別接入PLC 柜和動(dòng)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(guò)對(duì)系統(tǒng)的輸入設(shè)備和控制對(duì)象的分析，本系統(tǒng)選用 IC693CPU350 型 CPU，共用 2個(gè)開(kāi)量輸出模塊，4個(gè)開(kāi)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(hào)：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(chǎng)各個(gè)離散量信號(hào)；
（5）離散量輸出模塊：選用 2塊 IC693MDL741，用于控制現(xiàn)場(chǎng)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(hào)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(kù)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(shì)管理、菜單管理等功能，使得開(kāi)發(fā)和應(yīng)用管理更加方便。觸摸屏編程時(shí)，通過(guò)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(shì)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(dòng)控制界面， 根據(jù)滲漏排水泵房?jī)?nèi)排水設(shè)備的實(shí)際位置設(shè)計(jì)了仿真畫面，動(dòng)態(tài)顯示出現(xiàn)場(chǎng)的潛水泵、離心泵、電動(dòng)閥、電磁閥等設(shè)備的開(kāi)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(dòng)閥、電磁閥等設(shè)備開(kāi)關(guān)時(shí)間信息等，并形成實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)畫面；可定期導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)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(kāi)始時(shí)，要選擇與本項(xiàng)目所對(duì)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(guò)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(shì)。
（2）觸發(fā)采集：
一旦 2#明流塔或 3#發(fā)電塔的水泵啟動(dòng)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(dòng)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。