安科瑞泵站自控系统的设计应用
徐霜
上海安科瑞电气股份有限公司
摘要：近年来，PLC在泵站自动化控制系统中得到了广泛的应用，能够实现对现场设备的自动化控制，本文介绍基于触摸屏、PLC和电力仪表[1]等设计实现的安科瑞泵站自动化控制管理系统，系统主要实现对杨树浦泵站高低压配电系统控制柜电流电压、内外河水位、水泵运行状态、闸门开度等信号的监测，水泵的远程启闭、闸门的远程开关操作，闸门、站变柜及高低压开关柜各设备的状态监控，由PLC控制现场水泵、闸门等设备，并采集设备运行状态，传送至触摸屏进行状态显示，同时通过触摸屏实现对设备进行远程操控，整个系统保证了杨树浦泵站系统自动化控制，提高了泵站运行的稳定性、可靠性，具有广泛的应用前景。
关键词：杨树浦泵站、PLC、触摸屏、自动化控制
0引言
随着国民经济的飞速发展，对市政建设和管理提出了更高的要求，水泵作为泵站控制系统的主要设施，担负着排水防涝的重要任务，对泵站系统实现自动化控制具有重要意义，能达到减员增效和提高管理水平的目的，泵站自控系统应用于泵站中[2]，能够实现对水泵的自动化运行控制、管理，同时泵站建立独立的、功能完善的自动化控制系统，泵站内各种设备的运行均由泵站自控系统直接控制，PLC控制作为泵站自控系统的核心环节[2]，负责泵站内全部工艺设备的运行控制，系统根据现场泵站运行工况来进行控制，并且泵站接收整个自控系统的全局性运行数据和调控指令，作为泵站自动控制的条件参数，以配合实现水泵系统的自动化控制。
本文以杨树浦泵站管理迁建工程为例，提出利用触摸屏、PLC和电力仪表等设计一套安科瑞泵站自动化控制管理系统应用于杨树浦泵站中，工程主要包括双向运行主水泵、主泵进出水工作闸门、内河侧清污机及皮带输送机、高压柜、低压柜及主变柜等设备，安科瑞泵站自控系统实现对杨树浦泵站现场设备实时控制，控制与检测水泵、闸门的手/自动转换、起动/停止、运行、故障信号，并将现场泵站运行信号传送至触摸屏，对泵站进行运行状况的显示、报警记录及实时操作控制。
1用户需求
杨树浦泵站主要负责排水防涝工作，是市政建设和工程管理的重要设施，担负着排水防涝的重要任务，杨树浦泵站的控制和管理水平与智能化控制存在一定差距，在电气控制上，自动化控制程度低，泵站仅有单级的常规控制，部分仍为人工操作运行，在管理水平上，采取人工管理，手工记录、统计数据，为了对杨树浦泵站实现自动化控制，实时了解现场设备的运行状况，因此对所设计的杨树浦泵站自控系统提出以下需求：
1) 自控功能：PLC实现对现场水泵进行自动控制，触摸屏实现远程操控；
2) 数据采集功能：PLC采集电流、电压、功率等电参数传送至后台实时显示，同时采集泵组运行状态在触摸屏实时显示；
3) 泵站自控系统实时反映设备的故障状态，进行报警记录显示，便于后续设备故障的维修。
2项目介绍
泵站自动控制系统能够对现有泵站控制和管理进行改造和完善，向无人化泵站监控管理发展，以达到减员增效和提高管理水平的目的，该杨树浦泵站项目基于用户对现场泵站自动化控制管理系统的需求，对原有的水泵控制柜进行控制升级改造，整个改造项目主要包括公用LCU柜及泵组LCU柜，由现地控制级的PLC实现对杨树浦泵站现场主泵电机、开关等设备参数采集及输出控制，PLC通过通讯采集高低压柜电力仪表电流电压等电参数传送至后台实时显示，并采集主泵电机绕组温度、定子绕组温度等模拟量进行数据处理，同时利用PLC实时采集杨树浦泵站现场高压柜断路器、手车工作状态及控制电源状态、水泵运行状态、低压柜开关合闸、分闸位置、闸门开度、故障跳闸等信号进行逻辑处理，便于输出控制，并将设备的运行状态传送至触摸屏进行状态显示及故障记录，PLC输出控制开关分闸及合闸、主泵内、外侧工作门提升、主泵开关紧急分闸等，同时在触摸屏上能够实现对水泵正转、反转、起动、停止远程操控，安科瑞泵站自控系统既能实现对杨树浦泵站的远程控制，又能保证系统稳定性、可靠性[3]。
3 设计方案
3.1参考标准
DG/TJ08-2124-2013 《水泵站自动化系统设计规程》
GB 16655-1996 工业自动化系统 集成制造系统安全的基本要求
CJJ 120-2008 《水泵控制系统电气与自动化工程技术规程》
GA/T75-2000 《安全防范系统通用图形符号》
GB 50265 《泵站设计规范》
GB 50054-2011 《低压配电设计规范》
GB/T50314－2000 《智能建筑设计标准》
JGJ16-2008 《民用建筑电气设计规范》
GA308-2001 《安全防范系统验收规则》
GB 50348-2004 《安全防范工程技术规范》
GB50168 《电气装置安装工程电缆线路施工及验收规范》
GB50150 《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》
GB50093 《工业自动化仪表工程施工及验收规范》
3.2泵站系统介绍
杨树浦泵站管理迁建系统主要由10KV高压系统、0.4KV低压系统及安科瑞泵站自控系统组成，具体介绍如下所述。
3.2.110KV配电系统
高压配电系统主要由进线计量柜、进线开关柜、电压测量、避雷器柜、站变柜、电机正转、反转控制柜组成，根据《供配电系统设计规范》的规定，本工程主要用电负荷为二级用电负荷，采用两回10KV电源供电，供电电源线路采用10KV电缆线路，进户方式为10KV电缆，10KV母线采用单母线分段接线方式，正常运行时两路电源同时供电，分段开关打开，工程中主水泵电机采用10KV高压异步电机，无功补偿采用机端补偿方式，补偿设备延用原有补偿容量及配置，因此，用户不仅要求对设备数据、用电量等信息采集分析，还需要实时监控现场设备运行状态，便于及时解决故障，安科瑞泵站自控系统，综合泵站设计规范及用户对杨树浦泵站监控要求，提供高压柜电压、电流、功率等电力参数采集显示、水泵、闸门设备运行状态监测、控制等功能，帮助用户实现用电信息化、控制智能化，形成完整的杨树浦泵闸管理系统。
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图1 10KV配电系统图
3.2.2 0.4KV配电系统
低压配电系统主要由站用变压器柜、进线柜、电容补偿柜、出线柜和联络柜组成，整个0.4KV低压配电系统电源引自站用变压器，0.4KV母线选用单母线分段带分段接线方式，安科瑞泵站自控系统将低压配电系统柜作为公用LCU柜，主要由公用PLC采集现场断路器分、合闸位置、手车工作、试验位置、保护装置信号、控制回路、电压回路开关分闸、控制母线、合闸母线分闸等信号进行逻辑处理，PLC输出控制开关分闸及合闸，0.4KV低压系统图如下图所示。
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图2 0.4KV配电系统图
3.2.3 安科瑞泵站自控系统
安科瑞泵站自控系统主要由触摸屏、PLC、温控器和电源等模块组成，实现对杨树浦泵站高低压控制柜中水泵、闸门等设备实时控制及运行数据采集，PLC根据现场工艺要求对水泵进行实时控制，并通过PLC采集现场水泵运行数据及电力参数，通过通讯将电力参数转发至监控中心进行显示，同时在触摸屏进行泵组正转、反转、起动、停止操作，根据采集的水泵运行状态，实现状态显示及报警记录，杨树浦泵站自控系统原理如下图所示。
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图3 杨树浦泵站自控系统图
1) PLC控制回路
杨树浦泵站自控系统PLC控制回路主要由CPU模块、PLC数字量输入、输出模块、模拟量输入模块、通讯模块组成，数字量输入模块采集杨树浦泵站现场的断路器合闸、分闸位置、手车工作、试验位置、弹簧储能、保护装置信号、主泵手动、远方控制、急停按钮、电源故障等数字量输入信号，模拟量输入模块采集杨树浦泵站的主泵电机绕组温度、定子绕温度、主泵进、出口压力等模拟量信号，将采集的信号传送至CPU模块，由CPU模块内部程序进行逻辑处理，输出控制开关合闸、分闸控制、主泵开关紧急分闸、故障跳闸、主泵内、外侧门提升等，同时，由通讯模块实现PLC与现场多功能表的通讯、数据采集，PLC控制原理图如下图所示。
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图4 PLC输入输出控制原理图
2) 温湿度回路
杨树浦泵站自控系统温湿度控制回路由温控器、风扇、加热器组成，温控器的输出触点控制加热器或风扇，当现场控制柜内温度、湿度达到或超过设定的数值，温控器控制加热器或风扇接通电源工作，对控制柜进行加热或鼓风等；一段时间后，控制柜内温度或湿度远离设定值，加热器或风扇停止工作，保证了现场LCU柜内温、湿度的正常，温湿度控制回路原理图如下图所示。
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图5 温湿度控制原理图
3) 触摸屏回路
杨树浦泵站自控系统的触摸屏控制回路主要用来对现场设备运行状态、故障记录实时显示，便于用户实时了解现场设备的运行状况，对出现的故障及时处理，并对设备实现远程操控，可以对泵组LCU柜水泵正转起动、停止、反转起动、停止控制等，操作简捷方便。
3.3 设备选型
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应用场景 |
产品需求 |
产品型号 |
产品描述 | |||
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10kV高压配电系统 |
10kV进线计量 |
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实现对线路的保护及测控，保证线路的安全性 | |||
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进线开关 |
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三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能等电参量测量 | ||||
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备用自投 |
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完成两段母线互为备用、两路进线互为备用以及备用电源之间的自动投入切换，备自投逻辑可图形化编程自定义 | ||||
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0.4kV低压配电系统 |
变压器温控器 |
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根据温升自动控制冷却风机的启停、超温报警直至超高温跳闸以保证电力变压器的安全运行 | |||
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低压进线 |
ACR220E |
三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能等电参量测量 | ||||
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低压出线 |
PZ72L |
三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、有功电能等电参量测量 | ||||
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低压电机保护 |
ARD2F |
电机起动超时、过载、堵转、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、阻塞、过压、欠压、绕组超温等保护 | ||||
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泵组LCU柜 |
水泵控制PLC |
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水泵正转、反转起动、停止控制，采集现场设备运行状态、电力仪表参数传送至后台监控 | |||
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触摸屏 |
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采用10.4英寸高亮度液晶显示屏，四线电阻式触摸屏，预装MCGS嵌入式组态软件，具备强大图像显示和数据处理功能。 | ||||
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温湿度控制 |
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用于控制柜内部温度和湿度的调节控制，防止因低温、高温造成的设备故障及受潮或结露引起的爬电、闪络事故发生 |
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4 系统功能
4.1 现场监控
整个杨树浦泵站控制室柜子的运行状况关系到整个水泵能否正常运行，对控制室各个控制柜进行监控，保证了系统的安全运行。
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图6 控制室
4.2 控制功能
杨树浦泵站自控系统控制分手动、现场PLC、遥控三种控制级别模式，以手动高于现场PLC控制，现场PLC控制高于遥控为优先级别顺序：
手动控制：设备的现场控制LCU柜上的“就地/远方”开关选择“就地”方式时，通过现场控制箱上的按钮实现对设现有设备的手动启停、正反转操作。
现场PLC控制：现场控制箱上的“就地/远方”开关选择“远方”方式，且现场控制站的“现场/遥控”设定为“现场”方式时，设备的运行完全由各泵组柜PLC根据泵站采集到的相关数据及生产要求来完成对设备的运行或开/关控制，而不需要人工干预。
远程控制：现场控制箱上的“现场/遥控”开关选择“遥控”方式时，操作人员通过自控系统操作站的触摸屏画面远程对设备进行启停、正反转操作，实现水泵的正转起动、停止、反转起动、停止控制，触摸屏远程操控界面如下图所示。
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图7 系统操作界面图
4.3 数据采集
系统主要采集现场电力仪表电流、电压、功率、功率因数、电能等参数，然后通过PLC将参数传送至上位机监控界面实时显示，1#水泵正反转数据采集界面如下。
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图8 数据采集界面
4.4 泵组状态采集
杨树浦泵站自控系统通过PLC控制水泵运行，同时PLC采集水泵的运行状态，包括手动、自动、远方运行指示、电源运行正常指示、开关柜断路器合闸指示等，方便用户实时了解现场水泵运行状况，对出现的故障及时解决处理，状态显示界面如下图所示。
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图9 泵组状态显示界面
4.5 报警显示
杨树浦泵站系统报警显示界面主要用来实时显示PLC电源故障、开关柜保护装置故障、跳闸记录、控制电源故障、主泵接线盒进水、电机腔空气湿度报警灯，便于用户实时了解现场设备运行故障并及时处理。
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图10 报警显示界面
5 系统特点
简便的操作模式，只需要在触摸屏操作界面按下正转起动、正转停止、反转起动、反转停止按钮，即可实现水泵的正转、反转控制。
系统运行可靠，提供杨树浦泵站系统主要设备的运行状态报警记录显示，便于操作人员对于故障报警和事故状态进行应急处理。
完善的数据采集及逻辑控制，实现杨树浦泵站的全部仪表数据采集和机电设备的自动化控制，泵站的控制由PLC实现，数据由PLC采集传送至后台监控。
安全运行监视，操作人员借助触摸屏系统人机界面，监视泵站的现场运行状态，并实时显示，便于设备在运行状态发生变更时及时进行分析和处理。
实现自动控制，减轻泵站运行人员的劳动强度，提高安全运行水平[4]。
6 结束语
PLC是泵站自控系统不可缺少的部分，能够实现泵站系统的自动化控制，通过PLC为杨树浦泵站自动控制提供自动控制的条件，体现了自动化的发展趋势，PLC在泵站中主要是提升控制系统自动化的运行水平，能够结合现场控制工艺要求，提出自动处理的方式，确保水泵运行的可靠性，因此，泵站自控系统在杨树浦泵站自动化的建设方面，发挥主要作用，体现自动控制的优势。
参考文献：
[1].周中等编著. 智能电网用户端电力监控与电能管理系统产品选型及解决方案[M]. 北京. 机械工业出版社. 2011.10
[2].胡学林. 电气控制与PLC[M]. 北京:冶金工业出版社. 2007.8
[3].吴秀丽. 排水泵站中的PLC控制系统应用[J]. 机电工程技术, 2007(3):102~105.
[4].何平, 王纪坤, 蔡敬坤等. 基于PLC的水泵站控制系统设计[J]. 舰船电子工程, 2010(8):183~185.
作者简介
徐霜，女，本科。任职单位：现任职于安科瑞电气股份有限公司
联系电话：021-69158261，手机：18702111683，QQ：2880157857
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