PLC 与触摸屏在大坝进水塔渗漏排水系统中的应用

0   引言

    河南省某大坝进水塔的两个渗漏集水池位于大坝的底部，潜水泵、离心泵等排水设备和原来的电气控制柜则位于集水池上方的渗漏排水泵房内。工作人员只能根据巡查情况，就地手动控制进行排水，由于进水塔渗漏水在水量和时间上有很大的随机性和不确定性（会依据天气和季节变化的不同而不同），这就给操作人员和大坝的管理带来了很大的困难，曾经就出现过由于短时间内积水过多，大坝底部廊道内的部分检测设备被淹（包括渗漏排水设备本身）的情况，造成了很大的经济损失；且由于电气控制柜位于大坝底部，环境潮湿，渗漏水滴经常落到控制柜上，造成控制柜电气元件受潮，出现短路或拒动，给渗漏排水系统的控制带来了很大的麻烦。因此有必要将电气控制柜上移至进水塔塔面，改善运行环境，并将两个集水池的排水设备用一套控制设备来进行集中监控。控制系统主要采用自动控制方式，根据渗漏水量的大小及时启动排水量较小的潜水泵和排水量较大的离心泵进行排水， 以保证泵房的安全稳定运行。

 
1    工艺流程与监控要求
1.1 工艺流程
      进水塔渗漏水量较小时，经过一定时间的积累，达到主用潜水泵启动水位 2.40m，用主用潜水泵 D3 进行排水；当水量增大时，达到备用潜水泵启动水位 2.60m，增加备用潜水泵D4进行排水；在此过程中，若水位回落到停泵水位 1.5m时，则停止潜水泵；若水量进一步增大，以致达到主用离心泵启动水位 2.80m和备用离心泵启动水位 3.00m时，则分别启动主用离心泵 D1 和备用离心泵 D2 进行排水。此时潜水泵作为离心泵的充水泵，同时启动潜水泵 D3、D4，打开充水电磁阀 Z1（或 Z2），延时 3 分钟左右并且达到一定压力要求后启动离心泵并打开排水电动阀门 F1（或 F2）进行排水，然后关闭潜水泵 D3、D4 和电磁阀 Z1（或 Z2）。在排水过程中，若水位回落到停泵水位 1.50m，则关闭离心泵。在关闭离心泵时， 要先关闭相应的电动阀 F1 或 F2， 然后再关闭离心泵。 其渗漏排水设备布置如图 1所示。

1.2 系统要求
      整个系统由两个电力中心进行供电，控制设备对供电进行选择，以确保系统在任何一个电力中心电源正常的情况下都能够正常工作。
      在控制柜的控制面板上安装有自动/手动/触摸屏手动三位切换旋钮， 以及各个设备的手动控制旋钮，通过控制面板和触摸屏可以对各个设备进行手动控制。
      在集水池中安装两套水位计，以确保在任何一套水位计正常的情况下，渗漏排水系统都能够正常工作。一套水位计采用节点式的，检测四个启泵水位和一个停泵水位；另一套采用模拟式的，不但可以在触摸屏上显示集水池的实时水位，而且还可以通过PLC内部的算法模拟出与节点式的水位计等同的水位信号，然后与节点式水位计的信号进行并联，以确保整个控制系统控制信息的可靠性。
      当水位达到备用离心泵启动水位（即警戒水位）时，报警电铃自动鸣响，报警指示灯闪烁，工作人员发现警戒情况后，可以按下相应按钮，关闭电铃；但报警指示灯仍闪烁报警，直至水位回落到警戒水位以下。
      本系统的监控部分包括：两路电源的供电情况；2#明流塔和 3#发电塔的水位高程及集水井水位信息；所有电气设备原件如两塔潜水泵、离心泵、电动阀、电磁阀等动作情况；正常时水流量及启泵后排水量的监控等。

 
2   系统硬件构成 
      本系统上位机采用 Nematron 公司的PV6100i 系列触摸屏，下位机采用 GE 公司 PLC。触摸屏可读取 PLC 中所有的输入、输出寄存器，内部寄存器等的值，动态显示水位高低，设备运行情况等，并能采集、显示水位信息和历史动作，方便工作人员的监控。PLC 控制输入、输出信号的逻辑关系，控制接触器驱动现场的阀门、水泵等执行机构。二者通讯时PLC 出口为RS-485,触摸屏入口为RS-232。
2.1 上位机硬件
      PV6100i 系列触摸屏拥有良好的人机界面，能在最大程度上提高一般控制系统或 PLC工作站应用的综合能力。开发环境简单，可以与主流PLC 进行无缝连接；支持多种 USB 设备。
      该系统采用的触摸屏特征参数为：4线纯电阻式触摸屏；宽屏幕800×480；TFT 液晶人机界面； 24V直流供电； 128MB闪存； 68MB DDR2随机存储器； 自带32位的RISC 400MHz处理器； 支持多种接口： 1个串口 COM1(RS -232/ RS-485  2W/4W),串口 COM2 (RS-232)，串口COM3(RS-232/RS-485  2W)；1 个USB主从机接口；支持 SD卡等。
2.2 下位机硬件 
      本控制系统主要有一个PLC 控制柜和一个动力柜组成。新控制系统把两个泵房中的电动阀、电磁阀、潜水泵、离心泵等用信号电缆和动力电缆分别接入PLC 柜和动力柜内. 
      系统PLC 采用GE Fanuc公司生产的系列 90-30 PLC。该系列PLC具有强大的功能，能满足各种工业解决方案的要求，已有的记录表明它在 200000多项应用中被采用。
      通过对系统的输入设备和控制对象的分析，本系统选用 IC693CPU350 型 CPU，共用 2个开量输出模块，4个开关量输入模块，1个模拟输入模块，安装在1 个 10 槽基架上。其中实际使用输入 62点、输出 28点、模拟输入2点。具体选择PLC 硬件模块如下：
    （1）CPU 模块型号：IC693CPU350，该 CPU 基于高性能的 386EX 处理器，能够实现快速计算和大吞吐量；
    （2）背板：选用一块 10槽的 IC693CHS391背板，用于支持各模块的安装；
    （3）电源模块：选用 IC693PWR321，为PLC 系统提供充足的电源；
    （4）离散量输入模块：选用 4块 IC693MDL645，用于接收现场各个离散量信号；
    （5）离散量输出模块：选用 2块 IC693MDL741，用于控制现场的各个设备；
    （6）模拟量输入模块：选用 IC693ALG221，用于采集两个集水池的水位高度信号和两个泵房的排水流量；

 
3    系统软件构成
3.1 上位机软件
      上位机采用触摸屏内置屏幕设计程序 ViewBuilder 8000进行界面编程。 它具有丰富的图形库和强大的图形组态工具，支持报警管理 、安全管理 、趋势管理、菜单管理等功能，使得开发和应用管理更加方便。触摸屏编程时，通过USB 接口与PC 机相连。
      本系统人机界面的设计包括主界面的设计、实时参数显示设计、实时曲线设计、历史记录设计等；系统的画面设计所应用的主要元件包括字符串设定、触摸键设定、画面切换、数值显示、历史曲线及历史趋势图等。
      系统设计了两个渗漏排水泵房中各个设备的手动控制界面， 根据渗漏排水泵房内排水设备的实际位置设计了仿真画面，动态显示出现场的潜水泵、离心泵、电动阀、电磁阀等设备的开关状态，并实时显示水位的高度、流量的大小。还设计了两个泵房的联合监控界面，便于用户的操作（如图 2所示，其中水位高程为集水井水位再加一个基准高程）。各个界面下设有切换按钮，可以方便的切换到其它界面。并且利用触摸屏的数据记录功能，记录水位、流量信息及潜水泵、离心泵、电动阀、电磁阀等设备开关时间信息等，并形成实时和历史趋势画面；可定期导出历史数据，经过处理后形成 Excel 文档，便于在 PC 机上进行后期分析处理。

3.1.1参数设定
     由于ViewBuilder 8000软件适用于几个系列的机型，在编程开始时，要选择与本项目所对应的机型。本项目使用的是 PV6100i 系列触摸屏，故选择PV-8070iH/PV-6100i/PV-8100i(800x480)，并选择相应的PLC 类型(GE Fanuc SNP-X)。
     设置通讯参数：触摸屏的通讯参数必须与 PLC 一致，否者二者不能进行通讯。接口类型为 RS-232，采用 COM1 口通讯，波特率为 19200，数据位 8 位，奇偶校验为奇校验，停止位 1位。
3.1.2相关信息的采样与显示
    1、水位信息的采样与显示：
     本系统的水位信息采样分为两部分：1、周期采样；2、触发采样。
   （1）周期采样：
     PLC 将水位传感器采集到的 2#明流塔水位高程、集水井水位以及 3#发电塔水位高程、集水井水位等水位信息分别存入其内部寄存器 R1,R3,R5,R7当中。每隔 120 分钟，触摸屏进行数据采样，通过读取PLC的内部寄存器，可获得水位信息，还可以保存读取到的数据，以历史数据的方式显示以往的水位信息，方便工作人员分析水位速度和趋势。
   （2）触发采集：
     一旦 2#明流塔或 3#发电塔的水泵启动工作，便触发相应塔的水位信息采样，每隔 1 分钟，触摸屏就读取分别保存在 PLC 的内部寄存器 R1,R3,R5,R7 中的水位信息，进行 1 次采样。这样可以获得泵启动后水位变化的实时信息，便于工作人员掌握水泵的排水量和排水能力。并保存读取到的数据，方便工作人员的查询。
    2、动作采样及显示：
     触摸屏可以读取 PLC 的内部所有输入寄存器，输出寄存器，内部寄存器的值，并存储在自己的寄存器当中，当 PLC 的输入输出状态发生变化时，其寄存器的值就会发生改变，触摸屏便采集并保存下来，工作人员可以方便的查询设备何时动作、何时恢复原状态，充分掌握该系统的运行情况。
    3、历史数据、历史动作的显示：
      触摸屏在对信息采样的同时，便将这些信息保存在自己内部寄存器中，工作人员可以查询 180 天以内的所有水位信息和动作信息。也可直接用 U 盘下载采集到的保存在触摸屏内的水位信息的历史数据及历史动作，利用相应软件，将下载数据转换成excel文件，便于工作人员进行研究分析，也便于将资料归档整理。如图 3、图 4所示。

3.2 下位机软件 
      本系统下位机软件采用 Windows操作系统下的VersaPro2.0进行编程调试工作，该编程软件拥有良好的人机操作界面，编程简单易行，便于用户的调试、维修、改造等工作。软件由主程序和六个子程序构成，主程序用于系统初始化、数据处理、通讯、报警输出和调用子程序等； 六个子程序分别用于对两个泵房的设备进行自动控制、 手动控制和触摸屏手动控制。软件流程图如图 5 所示，其中水位高度为集水井水位高度。

 
4    联合调试 
      在系统联合调试过程中，通过触摸屏显示的信息，发现有些开关量的状态的很不稳定，出现触摸屏多次重复记录信息或记录有误的情况。比如，系统设定，当水位达到2.4米时，2#主潜水泵启动，2#水位触发采样进行。然而在分析触摸屏记录的 2#动作信息和 2#触发采样水位信息时发现，在一个很短的时间内，2#主潜水泵输入状态在“开”、“关”之间反复转换，相应记录的触发采样水位信息也很混乱。通过查询大量资料，分析现场环境，得出了可能是因为水位不稳，水以波状形式冲击水位传感器的缘故，在PLC 控制程序中加入了防抖动程序之后，解决了该问题。

 
5   结论 
     系统经过改造后， 可以在进水塔塔面的控制室内对两个渗漏排水泵房内的设备进行集中监控，改善了系统的运行环境。该系统采用的以GE 90-30 PLC 为中心构建自动/手动控制系统，操作简单，维护方便，运行稳定可靠，大大减轻了操作人员劳动强度。触摸屏的友好界面和历史数据记录功能，不仅给操作带来了方便，而且记录了泵房的运行状况，给自身系统的安全分析、事故排查、乃至水工建筑物的安全分析提供了可靠的数据来源。该系统投运一年多来工作稳定正常，用户反应良好。