基于1200 PLC的排水泵站自动控制系统设计

1 引言

早起城市发展和规划时，没有重视排水设施的建设，从而导致后期我国许多的城市几乎年年都发生内涝。近几年，我国大部分城市快速发展过程中都面临内涝这个严峻的问题。2004年7月，北京市连续下了4小时的大雨，导致北京市内40多条道路积水。 2005、2007 以及 2010 年，广州市均发生了强降雨，市内出现大面积水，严重影响了交通。其中，最严重的要属靠近长江的城市，基本上一发生暴雨，就一定会出现内涝。近几年来，内涝导致了不少市民伤亡。随着内涝灾难的不断发生，各市地政府都开始注意到城市排水系统的重要性，内涝发生后，广州市、南昌市、武汉市都投入了大量资金用于建设城市排水设施，但其效果不明显，内涝灾难还是时有发生^[1]。我国的城市排水技术还远远不够，也很有必要借鉴发达国家的技术和经验。

随着城市的快速发展，城市地下的排水设施错综复杂，面对如此复杂的系统，采用以往的传统管理方法已很难完成实时监控排水的情况。因此目前，很有必要利用现代化的技术，建立一套自动的城市排水监控系统。城市排水泵站计算机监控系统可实时监控城市排水情况，并能快速的发现故障，通过统计城市的降雨量，发现隐患并发出报警。本系统是通过PLC、泵、变频器、传感器等构成一个自动控制系统，对城市汇集的水进行恒水位的控制，模拟雨水、生活污水和工业污水的流向，及模拟管道的堵塞，集水池的切换等，来保证排水系统的稳定，提升排水效率。此系统的设计不仅可实现上面所提到的优点，还可省下大量的人力和物力^[2-3]。

2 城市排水监控系统构成

目前，因各个城市的发展情况不同，城市采用的排水系统也不同，传统的大多采用继电器控制。因PLC 被大量的应用到顺序控制系统上，在信号的控制下，在生产过程中每个执行机构有序的工作^[3]。PLC的优点有很多，编程方法、灵活变通、安全可靠、速度快、方便检修、性价比高等。在本系统中，主要是通过按钮及各类传感器信号传给PLC，PLC接收到指令后再发出指令控制各执行机构，从而来实现自动化控制。根据本文设计的城市排水泵站监控的工艺特点和要求，采用了基于现场总线技术的PLC网络控制系统。其中 PLC及实际设备是主要的组成部分。如图1所示为系统结构总图。

图1 系统结构总图

在本设计中，PLC是中央控制器，起主导作用，PLC主要用于控制现场设备的正常运作，并及时的将信息发送到工作站设备上。

3 城市排水泵站控制系统设计

本设计基于西门子 PLC，由 PLC对数据进行运算处理，然后控制现场设备的运行来完成城市排水泵站监控控制系统的自动化高效运作、准确的操作。

本设计的控制系统是全自动控制的，当启动仿真软件WINCC运行后，只需按启动开始，PLC将通过博图软件所编写的相应程序对城市下水道排水过程进行控制，并通过输出的继电器动作控制管道阀门的开、关和水泵的起停， 并且通过模拟量模块采集模拟信号，监控所有水灌水位和下水管道畅通情况^[4]。

如图2所示为本文设计的一套城市排水泵站监控系统示意图。

图2 城市排水系统示意图

4 控制系统硬件配置

本系统需要3个模拟量输入，9个数字量输入以及10 个数字量输出，在配置时需要一定的余量的。综合各个方面的因素。本设计采用了西门子 s7-1200 PLC，CPU 1214C，1个数字输出模块， 1个4路的模拟量模块，可满足城市排水控制系统设计的需求^[5]。

本设计中，设置2个集水池，循环轮流集水和1个总集水池。可保证在同一路排水系统中，水能接上排水不会出现不排水的情况，在 AB集水池中各设置了2个排水泵，在总集水池后设置2台离心排水泵。在采用变频调速时，每台水泵配用一台变频器。

4.1 控制系统 PLC的 I/0 地址分配表

根据这个城市排水泵站计算机控制系统的设计，一共需要9个数字量输入，10个数字量输出和 3 个模拟量输入。分别如表1，表2和表3所示。

表 1 数字输入分配表

表2 数字输出分配表

表3 模拟量输入分配表

根据城市排水泵站计算机控制系统的控制要求，PLC型号选用西门子 S7-1200 CPU1214C。本系统所需要西门子 PLC数字量输入 I/O 点数为 9个，数字量输出 I/O 点数为10个。根据系统要求画出 PLC的 I/O 端子接线图，如图3所示。

图3 PLC接线图

根据控制要求模拟量输入3个，画出模拟量模块接线图，如下图4所示。

图4 模拟量模块接线图

4.2 控制系统电气接线图

根据城市排水泵站系统的控制要求，主电路设计图主要由排水泵电机构成。水泵组中分2部分，一部分由变频器启动控制，一部分是由PLC控制交流接触器来控制电机直接启动，电源直接接在三相交流电源上，控制系统电路中有热继、熔断保护装置及互锁、自锁功能。

在A和B集水池水泵中，排水泵的运行速度通过集水池中水位高低来改变排水泵的运行频率实现，在主电路中，A和B池排水泵的是通过变频器控制的，如图5所示。

图5 池排水泵主电路图

5 软件设计

利用博图软件给城市排水控制系统编写程序。根据设计要求在程序中，主要编写了水位判断、模拟量信号采集处理及保护措施等^[6]。

5.1 水位判断模块

运行过程中，当检测A池水位低于设定值时，A池进水阀自动打开，当水位高于设定值，A池进水阀自动关闭，同时打开B池的进水阀，然后在对B池水位进行检测，原理同A池，依次循环下去。

5.2 模拟量信号处理模块

运行过程中，当A池或 B池进水阀自动打开时，PLC检测到有雨水、工业废水或生活废水时，A或 B集水池开始根据实际情况进水，进水力度根据进水介质而定。

5.3 定时停机保护模块

在总水池排水过程中，当检测水位高于设定值时，1号总水池排水泵启动，并定时，当到达定时时间，立刻停止1号排水泵，并启动2号总水池排水泵，定时原理同1号，当到达定时时间后，立刻停止2号排水泵，自动启动一号总水池排水泵，以次循环。

5.4 紧急排水

在总水池排水过程中，当检测到水位高于设定的上限值时，1号和2号总池排水泵轮流运行，并启动总池紧急排水泵。

6 结束语

本文主要设计了基于西门子1200 PLC的城市排水泵站控制系统设计。系统设计包含硬件和软件两个方面。硬件设计方面，根据系统控制要选用了西门子 s7-1200 PLC，并对外部电路接线进行了设计；软件设计方面，编写了模拟梯形图，并且进行仿真调试。此系统的设计不仅可仿真雨水、生活污水和工业污水等的流向，还可对管道堵塞和集水池切换进行模拟等。本系统可保证排水系统的稳定，提升排水效率，同时还可省下大量的人力和物力。