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(diǎn)和排水系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計(jì)了以PLC和觸摸屏為核心的滲漏排水自動(dòng)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(jì)。帶控制功能的觸摸屏作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控及運(yùn)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(shí)收集現(xiàn)場傳感器的數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)安全可靠、操作簡單、運(yùn)行維護(hù)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(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(dòng)控制進(jìn)行排水，由于小浪底進(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(dòng)，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2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?？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，以保證泵房安全穩(wěn)定的運(yùn)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(shí)，經(jīng)過一定時(shí)間的積累，達(dá)到主用潛水泵啟動(dòng)水位2．40 m，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2．60 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(shí)，則停止?jié)撍?。若水量進(jìn)一步增大時(shí)，以致達(dá)到主用離心泵啟動(dòng)水位2．80 m和備用離心泵啟動(dòng)水位3．00 m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，打開充水電磁閥Z1(或Z2)，延時(shí)3 min左右并且達(dá)到一定壓力要求后啟動(dòng)離心泵并打開排水電動(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(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2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(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，通過控制面板和觸摸屏可以對各個(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4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(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、輸出信號的邏輯關(guān)系，控制接觸器驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場的閥門、水泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。二者通信時(shí)PLC出口為RS 485，觸摸屏入口為RS 232。
2．1上位機(jī)硬件構(gòu)成
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；24 V直流供電；128 MB閃存；68 MB DDR2隨機(jī)存儲器；自帶32位的RISC400 MHz處理器；支持多種接口：1個(gè)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(gè)USB主從機(jī)接口；支持SD卡等。
2．2 下位機(jī)的硬件構(gòu)成
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2個(gè)泵房中的電動(dòng)閥、電磁閥、潛水泵、離心泵等用信號電纜和動(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90-30PLC。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200 000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(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2個(gè)集水池的水位高度信號和2個(gè)泵房的排水流量。