西門子PLC在水利排灌站的應用

排灌站的主要功能是將城外河道的水源引入城內(nèi)，為水利部門提供排灌，同時也擔當著抗洪排澇的重任。將河道漂流的雜物如果吸入正在運行的水泵，輕者使其葉輪卡死;重者使其葉輪斷裂，導致電機燒壞事故的發(fā)生，所以對排灌站水泵的安全運行帶來了種種隱患。為了確保水道的暢通、防洪防汛以及水環(huán)境治理，必須采用格柵(帶有橫豎條的篩子)攔截污物，工程采用的回轉(zhuǎn)式撈污機，可以均勻連續(xù)地從河道里撈取污物，以便于后道工序的處理。

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SIEMENS 上海翰粵自動化系統(tǒng)有限公司

    對排灌站的8個并列格柵和4臺水泵進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)設備全工作過程(抽水、清污、輸送、擠壓)的自動化控制，出現(xiàn)故障及時報警停機并自我診斷，確保其正常運轉(zhuǎn)，這是設計西門子PLC自控系統(tǒng)的思路和初衷。撈污、擠壓設備及自行設計的整套自動控制系統(tǒng)現(xiàn)安裝于江蘇省南京市的一個水利排灌站，同時也適用于其它市政部門的泵站應用。排灌設備主要由4臺水泵、8臺撈污機、2臺輸送機(水平和傾斜輸送各1臺)、1臺污物擠壓機和自控系統(tǒng)組成，濕落落的污物經(jīng)設備處理后，變成干的塊狀垃圾，既可減少該站的污物存放場地(在城市尤為重要)，又能增加車輛裝載量，減少運輸次數(shù)和節(jié)約運輸成本;同時可避免運輸途中的拋撒、滴漏所造成的二次污染，有利于環(huán)境保護。
    2  控制原理設計
該工程自控系統(tǒng)分手動、半自動、全自動間歇和全自動水位差等四種方式，操作人員可根據(jù)需要任選一種，四種控制方式實現(xiàn)互鎖。
    2.1  水泵
    在自動狀態(tài)下，水泵的開停由水位高度決定，當超聲波傳感器測得的模擬量相當于6m水位時，水泵電機按順序啟動，開始抽水;當模擬量相當于4.5m水位時，水泵全部停止抽水。自控系統(tǒng)根據(jù)水量的大小做出判斷，自動選擇開啟水泵的數(shù)量。
    (1) 水泵1工作30min后還未達到模擬量相對應的低水位(說明水量較大)，系統(tǒng)自動開啟水泵2。
    (2) 水泵1、2同時工作30min后還未達到低水位(說明水量很大)，系統(tǒng)自動開啟水泵3。
    (3) 水泵1、2、3同時工作30min后還未達到低水位(說明水量特大)，系統(tǒng)自動開啟水泵4。
    (4) 水泵1工作30min后還超過高水位(說明水量特大)，系統(tǒng)自動開啟水泵2、3、4。
    (5) 水泵過載時，熱繼電器將切斷主電路，整套設備停止工作，同時做出水泵電流過載的聲、光報警。
    2.2  撈污機
    (1) 格柵前后兩個超聲波測得的模擬量相對應的水位之差大于等于300mm時(水泵在開啟狀態(tài)，否則就沒有水位差)，自控系統(tǒng)通過模擬量比較，按順序啟動撈污電機開始回轉(zhuǎn)撈取污物。
    (2) 格柵前后水位差小于等于50mm時，撈污機全部停止工作。
    (3) 撈污機采用雙重安全保護，撈污機過載時，熱繼電器或磁性開關動作，切斷主電路，整套設備停止工作，并做出撈污機電流或機械過載的聲、光報警。
    2.3  輸送機
    (1) 撈污機啟動數(shù)秒鐘后，西門子PLC自控系統(tǒng)啟動輸送電機，水平然后再向上傾斜輸送污物。
    (2) 輸送機過載時，熱繼電器將切斷主電路，設備停止工作，同時做出輸送機電流過載的聲、光報警。
    2.4  擠壓機
    (1) 大推頭動作  
    箱內(nèi)污物達到預定高度(可調(diào)，調(diào)節(jié)光電傳感器的垂直角度)，2個光電傳感器同時反饋信號，大推頭進(水平初壓)。
    (2) 主壓頭動作  
    大推頭進限位開關動作，主壓頭下(垂直高壓)，下壓8s鐘后，延時15s鐘進行*次擠壓污水;主壓頭繼續(xù)下(垂直高壓)，下限位開關動作，主壓頭停留15s鐘進行第二次擠壓污水。
    (3) 二循環(huán)或三循環(huán)動作  
    如果污物擠壓得較松散，可選用“二循環(huán)”或“三循環(huán)”，擠壓機對污物高壓后，主壓頭和大推頭復位，再把第二批或第三批污物與*批一起擠壓。
    (4) 小門動作  
    保壓15s鐘后，小門開(放料)，同時主壓頭上。
    (5) 推頭動作  
    小門開限位和主壓頭上限位開關同時動作，小推頭進將污物推至污物車。
    (6) 復位動作  
    小推頭進限位開關動作，數(shù)秒鐘后，小推頭、主壓頭、小門、大推頭按順序復位。
    (7) 擠壓機過載時，壓力繼電器或熱繼電器動作，切斷主電路，并做出擠壓機油壓或電流過載的聲、光報警。
    (8) 液壓站采用雙重油壓安全保護，當污物初壓或高壓過程中遇到硬物卡住，壓力繼電器動作，切斷主電路，并做出擠壓機油壓過載的聲、光報警;若其失靈，則溢流閥動作，避免液壓部件受損。
    2.5  基本控制流程
    (1) 設備動作示意如圖2所示。設備動作及信號反饋流程見圖3和附表.

    3  控制對象及任務分析
    3.1  控制對象
    采用西門子S7-200西門子PLC主要控制水泵的4臺電機、撈污機的8臺電機、輸送機的2臺電機的開停和液壓站的4個油缸的雙向動作。
    其中包括:
    (1) 控制手動、半自動、全自動間歇和全自動水位差等四種運行方式。
    (2) 控制14臺電機分別完成抽水、撈取污物、輸送污物等動作。
    (3) 控制液壓站電機完成復位、水平初壓、垂直高壓、放料、出料等動作。
    (4) 控制設備的運行技術安全。即控制各運行方式的互鎖保護;控制垂直方向與水平方向動作的互鎖保護;控制水泵、撈污機、輸送機和油泵的電流過載保護;控制撈污機的機械過載保護;控制液壓站的油壓過載保護。
    3.2  控制任務
    (1) 現(xiàn)手動方式控制，即手動獨立完成上述9個基本動作。
    (2) 實現(xiàn)半自動方式控制，即自動完成上述基本動作1至動作9。
    (3) 實現(xiàn)全自動間歇和全自動水位差方式控制，在間歇工作開或水位差≤50mm的狀態(tài)下，即自動進行上述基本動作5至動作9的循環(huán)。
    4  硬件選型與配置設計
    4.1  主控系統(tǒng)選型與配置
      系統(tǒng)采用了西門子S7-200西門子PLC可編程控制器，使自控系統(tǒng)結(jié)構緊湊，執(zhí)行指令快捷，可靠性提高。編程軟件基于Windows平臺。西門子PLC在清污設備中的應用，使修改控制參數(shù)、擴展控制功能等變得非常簡便，避免了分立電氣元件抗震性能差、誤動作多、定位精度不高等弊端。設計中該系統(tǒng)的控制點數(shù)為116點，其中輸入點數(shù)66點，輸出點數(shù)50點，擬選用的PLC的控制點數(shù)為120點。實際選用的主要控制硬件有:西門子PLC選用西門子的中央處理單元CPU226CN一塊(14入10出)、數(shù)字量擴展模塊EM223二塊(16入16出)、EM223一塊(8入8出)、EM221二塊(8入)，總輸入點數(shù)70點，總輸出點數(shù)50點，實際使用為66入50出，一般需要預留出5至10%的點數(shù)，考慮到成本問題，所有的按鈕輸入都采用點動方式，省去了不必要的輸入點數(shù)，預留輸入點數(shù)為5%，所以能夠滿足設計要求。
    4.2  前端傳感變送器選型
    (1) 控制水位和水位差的反饋元件選用德國TU- RCK超聲波傳感器(型號Q45ULIU64BCR)。
    (2) 控制大推頭、主壓頭、小門、小推頭兩端限位的元件選用行程開關。
    (3) 控制撈污機安全銷過載的信號反饋元件選用霍爾式傳感器。
    (3) 控制水泵、撈污機、輸送機、液壓站電機電流的元件選用熱繼電器。
    5  主要特點和技術難點 
    5.1  主要特點　
    (1) 水位控制　
    安裝在格柵前的傳感器控制高水位，安裝在格柵后的控制低水位，傳感器的測量范圍為250至3000mm，實際監(jiān)控距離為1000mm(對應水位6000mm)至2500mm(對應水位4500mm)，當高于等于高水位時PLC自動開啟水泵;當?shù)陀诘扔诘退粫r西門子PLC自動停止抽水。
    (2) 水位差控制　
    調(diào)節(jié)格柵前后2個傳感器反饋的模擬信號差值，當對應水位差大于等于300mm時，PLC自動開始撈污;當其小于等于30mm時PLC自動停止撈污。
    (3) 污物高度控制　
    2個光電傳感器屬“與”的關系，主要用于西門子PLC判斷污物裝載量的多少，調(diào)節(jié)其垂直角度或水平距離，均可以調(diào)整污物的裝載高度。
    (4) 水泵控制　
     PLC根據(jù)較大、很大、特大的水量，自動選擇開啟水泵的數(shù)量。
    (5) 撈污機控制  
    因為撈污電機起動電流較大，所以由PLC對8臺撈污電機按順序延時開啟。
    (6) 報警控制  
    西門子PLC對水泵、撈污機、輸送機、油泵的電流過載報警，同時對撈污機的安全銷機械過載報警，對油泵的油壓過載報警。為了用戶能迅速準確地找出故障部位西門子PLC對各種故障分別用指示燈加以顯示，同時用鈴聲進行提醒。
    (7) 一鍵式清理　
    由于殘留污物會對設備產(chǎn)生腐蝕，同時會腐爛產(chǎn)生臭味，所以當設備工作結(jié)束時，在不開水泵的情況下，可按“清理”按鈕，設備自動將撈污機、輸送機上的剩余污物全部裝入污物箱，2min后再將污物擠壓推出。
    6.2  主要技術難點
    (1) 標定水位值　
    超聲波傳感器的模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，具體對應的水位只有在操作現(xiàn)場才能調(diào)試出來。首先將zui大、zui小模擬電信號與zui高、zui低水位對應起來，理論計算出水位的單位毫米數(shù)所對應的電信號模擬量，zui后還需現(xiàn)場標定和調(diào)整，因為傳感器安裝角度或位置等因素的影響，實際上高、低水位對應的模擬量數(shù)值與理論上的有一定的出入。
    (2) 標定水位差值　
    2個超聲波傳感器應選用技術參數(shù)相近的，盡量做到“匹配”，將2個傳感器的“模擬量/毫米”進行平均，再計算出水位差300mm和30mm對應的模擬量差值，zui后進行現(xiàn)場標定和調(diào)整。
    (3) 設計光電傳感器的安裝方案　
    由于污物箱為金屬結(jié)構，所以電容式、電感式、霍爾式等接近傳感器均不適用在此箱中測定污物量，經(jīng)過比較zui終選定了光電傳感器。原設計將其放在有機玻璃后面，但經(jīng)污水污物覆蓋風干后，或經(jīng)污物及大推頭的長期磨擦后，有機玻璃透明度就會降低，導致光電傳感器失靈，通過多次方案論證和試驗，zui后將其安裝在大推頭上端的污物箱壁上，且有擋板覆蓋，避免了接觸污物，使用效果比較滿意。
    (4) 各類傳感器的反饋信號有時會伴有脈沖信號，使設備出現(xiàn)誤動作，采用西門子PLC中的計時器，就很好地解決了這個問題。
    (5) 在調(diào)試程序過程中，發(fā)現(xiàn)各動作有相互干涉現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在循環(huán)或復位等程序中，這樣不得不采用大量的輔助繼電器，增加了調(diào)試難度，zui終采用步進法進行編程，調(diào)試效果令人滿意。