（电气工程专业论文）上海市华阳路泵站实时监控系统的研究和实现.pdf

t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a l 、i o ni nr e a l f 1 m em o n i t o r s y s t e m0 fs h a n g h a lh ua y a _ n gp u m ps t a r i o n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec i r c u i t t h et e c h n o l o g y o fp l c ，i nw h i c hc p ui sak e yp a r t h a sa d v a n c e ds i g n i f i c a n t l y t h ec o m p a c t s i z e h i g hr e l i a b i l i t ya sw e l la sf l e x i b i l i t ym a k ei tw i d e l yu s e di n i n d u s t r i e s i t m e e t si h er e q u i r e m e n to fm a s sp r o d u c t i o no ne f f i c i e n c ya n da u t o m a t i o n a sa s p e c i a ld e v i c e o fc o r n p u t e r i z e dc o n t r 0 1 i ti su n i q u eo nt h es t r u c t u r eo f s y s t e m h a r d w a r e ，s o f t w a r e ，i oc h a n n e l ，u s e ri n t e r f a c ea n ds o o n t h i si sa p r i n c i p a l a n ds u b o r d i n a t ec o n t r o l s y s t e m p l c ，a s a h y p o c o m p u t e r , d o e s t h ed a t a e x t r a c t i o n ，s t a t u si d e n t i f i c a t i o na n do u t p u t c o n t r 0 1 h o s tc o m p u t e ri s r e s p o n s i b l eo fd a t as t o r a g e a n a l y t i c a lp r o c e s s i n g s t a t u sd i s p l a y a n dp r i n to u t p u t t h i ss y s t e mh a sf u l l yt a k e na d v a n t a g eo ft h e o b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g yt o t h e d e v e l o p m e n to fal o c a lm o n i t o r i n ga n d c o n t r o is y s t e ms o f tw a r ei nt h ep u m ps t a t i o na u t o m a t i o n w i t ht h eu s eo ft h ec o n t r o ls y s t e m i ti m p r o v e st h ea u t o m a t i o ni e v e io ft h e p u m p s t a t i o nl a r g e l y i nt h ef a c eo fl o wa u t o m a t i o na n d l a g g i n gm a n a g e m e n t o f t h ep u m ps t a t i o n n o wi ti s u r g e n ii nd e v e l o p i n gt h ea u t o m a t i o nw o r k t h e r e a l i z a t i o no fp u m ps t a t i o na u t o m a t i o nc a nr e d u c et h es e e p e ra n d i m p r o v e t h e d r a i n a g eq u a l i t y ；i ta l s oc a no f f e rt h eh i g hq u a l i t ys e r v i c e ，l i g h t e nt h ei n t e n s i o n o fo p e r a t o r , r e d u c et h ee x p e n s eo ft h eo p e r a t o ra n di m p r o v et h ep r o d u c t i v i t y o u r u l t i m a t p u r p o s ei st op r o m o t es o c i a ia 1 de c o n o m i ce f f i c i e n c y c u r r e n t l y , t h em a i ns t r e a mo ft h em e t r o p o l i t a ns e w a g en e t w o r ki sf o r m i n g g r a d u a l l y ；t h i ss y s t e mi s a ni n t e g r a l p a r t o ft h em a i ns t r e a ml th a sg r e a t i m p l i c a t i o no nt h ec o n s t r u c t i o no ft h es y n c h r o n i co p e r a t i n ga s s i s t a n ts y s t e mo n f l o o dp r e v e n t i o nd e c i s i o n m a k i n ga sw e l la ss e w a g em a n a g e m e n ts y s t e m a d d i t i o n a l l y , i ti sp l a y i n gak e yr o l eo ni m p r o v i n gt h ee n v i r o n m e n t ，q u a l i t yo f d a i l yj i f e ，i nf u mi n c r e a s i n gt h es h a n g h a i sa t t r a c t i v e n e s st oi n v e s t o r s k e y w o r d s ：p u m ps t a t i o n ，p l c ，v v i z c o n ，h a r d w a r e ，s o f t w a r e ，c o m m u n i c a t i o n 上海市华 ! h 路泵站实时监控系统的研究与实现 第一章概述 本章主要介绍了上海市排水系统及其泵站的概况、现状及发展情况，对本工 程的主系统结构情况也进行了简单的介绍。 城市排水系统基本概况 上海位于长江三角洲东海之滨，黄浦江、苏州河贯穿市区，全市面积约 6 3 4 0 k i d 2 ，城中心面积为1 5 4 0k m 2 。全市居住人口达1 3 0 0 万，是中国最重要的现 代经济、现代金融、现代商业、现代工业城市。 上海地处长江三角洲的河网地区，地势平坦，大部分地区高程只有海拔3 米 至4 米，东l | 6 j 东海，受天文潮水影响大，自有记录以来，黄浦江( 苏州河口) 最 高潮位可达5 7 2 m 。由于上海属中国的多雨地区，平均年降雨量为1 1 5 2 m m ，在暴 雨时，日降雨量超过l o o m m ，局部地区最高日降雨量达5 8 1 m m ，往往造成市区积水。 与此同时，上海每天的污水排放量( 包括生活污水和工业污水) ，在高峰时可达到 6 0 0 万立方米。因此，在雨季及台风季节时，防汛排水任务十分艰巨。 上海市中心的排水泵站和排水系统大多建于5 0 到6 0 年代，当时是按半年一 遇降雨频率和径流系数0 5 的标准设计的。8 0 年代以来，新建的排水系统按年 一遇降雨频率和径流系数0 6 - 0 7 的标准设计，局部重要地区按三年一遇降雨频 率和径流系数0 8 的标准设计。近年来，都市化的程度与速度远远超过历史上任 何一个时期，上海发展极为迅速，市区的建筑面积也迅速扩大，因此，这些早期 的排水设施，连半年遇的标准都不能满足。为了保障上海市工业、经济和人民 日常生活的安全，计划逐步把中心市区的排水标准提高到一年一遇( 局部三年一 遇) ，但是，如果单纯靠工程措施来实现这个目标，则需要对原有的泵站、管线进 行改造，或增加新的基础设施，这样，一来耗资巨大，二来施工周期长，绝非3 年、5 年能做到。九十年代以来，市政府对排水基础设施己投入相当火的力量，上 海市已建有1 5 0 多个雨水泵站，排水能力超过1 0 0 0 m 3 s ，装机容量达1 0 0 0 0 0k w ； 十一座污水处理厂处理能力近5 0 0 0 0 0m 3 天。合流污水一期工程耗资1 6 亿元人民 币( 9 3 年完工) ，污水二期治理工程耗资6 0 多亿人民币( 目前已基本完工) ，一个 覆盏全市的排水管网的干线系统正在形成。新的工程项目，如石洞口污水处理厂、 污水处理三期工程等正在准备实施之中。这些排水工程的运行管理信息，如果不 能畅通地连起来，充分加以使用，则也不能很好地发挥工程的系统效益。利用现 代信息技术这种既经济又高效的非工程措施，建管并重，才能更好地发挥工程措 上海市华用路泵站变时监控系统的研究与实现 施的社会效益和经济效益，使排水系统发挥整体作用。 水是支撑社会经济系统和自然生态系统不可替代的重要资源和关键性因素。 水污染严重和水环境的恶化已经成为我国经济可持续发展的制约因素，而水体污 染是水环境日趋恶化的根源。2 0 0 0 年一2 0 1 0 年，是我国实现党中央制定的经济发 展第三步战略关键性的第一个十年，也是我国从发展中国家向发达国家迈进的一 个重要阶段，城市排水作为项朝阳产业，肩负着城市水环境的综合整治( 污水 输送、水质处理和监测) 和防汛等重要职能，他们的规划和实施需要具体落实到 满足2 1 世纪中国社会经济可持续发展需求对水环境的要求，这对我国城市排水发 展提出了更高的要求，也对传统的城市排水规划管理模式提出了挑战。 另外，城市发展的各个方面都对上海的城市生态环境的保护提出了挑战，与 水环境保护密切相关的上海城市排水行业越来越得到市民的关注和市府的重视。 随着相关工程建设项目的有序进行，现有排水设施的管理也在新的管理目标的基 础上不断完善，上海市市城市排水行业正迅速发展。因此，对现有排水工程设旌 进行必要的调查测量，作好基础设施和其他各种信息( 诸如泵站等设备的运行状况 和降雨量、液位等信息) 的采集，并逐步形成排水系统的地理信息系统( g i s ) 信 息库，利用g i s 的空间数据综合分析功能，建成具有实时操作与运行能力的防汛 决策辅助和排水管理系统，是必要的也是可行的。这个系统将为市区防汛、污水 输送和污水处理以及排水系统的管理提供科学决策的依据，这对于保护环境，提 高人民生活质量和改善上海的投资环境有者十分重要的意义。 上海市城市排水有限公司是一个大型国有独资的公用事业型企业，其业务范 围涉及上海市城市排水行业的各个方面。尽管该公司的管理水平和经验、人力物 力的配置、国际合作项目的实施等方面在国内同行业居于领先水平。但随着中国 加入w t o 的日益临近，上海市城市排水行业也与其它行业一样，将面临着巨大的 机遇与挑战，为适应新的发展和形势的要求，本文基于理论联系实际的原则，结 合作者的工作经历，在调查研究的基础上，以上海市城市排水有限公司华阳路泵 站为例。对上海市城市排水行业应用可编程控制器进行监控的问题进行研究，提 出了如何在旧泵站改造中应用实时监控与数据采集的新课题。 二、排水泵站工程自动化的现状与发展 随着经济的发展与计算机技术的进步，上海市排水泵站监控自动化技术逐渐 发展起来。泵站监控系统自8 0 年代至目前为止，已发展到一定水平，目前泵站控 制系统已在大型泵站中使用。1 9 8 7 年，市政府向世男银行贷款建设了被誉为“生 命工程”的合流污水一期工程。为使这项工程发挥效益，该工程采用中央监控与 扩 上海市华阳路泵站实时监控系统的研究与实现 数据采集系统，它将分散在全市合流污水一期工程范围内的各截流泵站及彭越浦 泵站、预处理厂、出口泵站、排放口等的流量、液位、雨量及设备运行状态等信 息及时送到中央控制室，进行数据处理和调度决策，借以发挥尽可能大的总管输 送效率，使排入苏州河的污水量尽可能地减少，并避免污水溢出地面，但由于元 件质量问题及通讯问题，无法正常使用。9 0 年代以来，监控系统不断提高与完善， 大型泵站中陆续使用自动化设备。合流污水二期工程采用了g e 公司的方案，建立 了一个具有中央监视和调度功能的、数字化、分布式数据采集、分层数据传输、 多种显示方式的数据采集、监视及控制( $ c a d a ) 系统，此系统目前居于国内领先 水平。而目前排水公司的大部分泵站有很多已经陈旧，设备老化，且没有数据采 集、监视及控制系统，如何利用目前这些泵站，加以改造，充分发挥现有排水设 施的作用，更好地保证城市排水的正常运作，已成为一个重要的课题。 我国排水行业自八十年代末期就开始将国外先进的计算机排水调度系统概念 引人到排水领域中来，早期的主要作用仅对城镇排水量进行监测，为排水调度提 供依据，系统功能也比较单一化，但这一技术的应用却使行业内的人们认识到， 计算机实对监测调度系统技术对缓解城镇排水的供需矛盾，获取社会效益和经济 效益所具有的重要性。由于4 c 技术( c o m p u t e r c o n t r o l c o m m u n i c a t i o n c r t ) 的发展以及行业内在系统技术的可行性方案的深入，又引入了泵站优化控制的概 念，采用分散控制技术，使系统具备了监测、控制、调度和反馈等功能要素，进 一步完善排水调度监控系统。但是，这并没有解决由于当前国内城镇向着大型化 发展和排水设施的陈旧落后，以及不能有效合理地利用现有设备而带来的新的供 需矛盾问题。因此能否将泵站的有效利用和发展被科学地统一管理，将排水量调 配与预测同己成熟的原排水调度系统技术结合起来，对生产信息、技术信息、业 务信息统一管理，从而实现最佳排水量调配控制，应作为一项重要课题加以研究。 在众多的控制领域中，远程监控已成为一种重要而且便利的控制技术。如果 利用现有的通用通讯技术和设备，无疑将大大提高遥控系统的便利性，并迅速降 低成本。目前，国内已有许多城市采用泵站无线测控系统，如北京航天工业总公 司一院1 0 3 所和北京市政管理处研制的“b c - 2 泵站无线测控系统”。该系统将遥 测、遥控、遥讯技术应用于城市排污、雨永作业的测控管理系统。可以掌握北京 市近6 0 座泵站的运行实况。郑州市的雨污水泵站计算机监控系统，采用分布式控 制技术和无线通讯的方式统一调配全市雨污水的排放，汛期社会效益非常突出。 但由于采用专用无线通讯设备，专用性很强且价格较为昂贵，无法实现高速联接， 不易于更新换代。因此，华阳路监控系统将采用c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e t d a t a ) ，即称作蜂窝状数字式分组数据交换网络与合流污水一期工程中央控制室进 行通讯连接。 针对这些新情况、新型的、合理的控制模式将取代现有设各的控制方式，所 j ：海f 】1 扣m i 踏泉站史时监控系统的研兜与实现 有城市排水泵站的连刚将是必然趋辨，而p i ，c 挖制系统d ! 逐步于：l l 负起泵站控制系 统中的重要角色。p i ，c 作为现场监控、连接现场1 jl ：位机以及通讯方而都有着举足 轻重的地位。 山于现代网终技术的b 速发展，使得通过刚络进行各种事物的操作成为可 能；利用各种p c 平台的组态软件，使软件编程更加方便，特别适合于在网络平 台上操作，而且浏览器技术和网络技术也已经成为今后发展趋势。 三、主系统概况 上海市合流污水治理一= | ( j j 工程小央监控与数据采集系统( 简称s c a i ) a 系统) ， 该s c a d a 系统目前已狄世界银行贷款，列入改造项日，：l - 要足主工作站丌级及进 行通讯方式的改变，由原来的有线拨号改为无线通讯，原系统主要柯够卜几部分 纽成：( 见图1 ) 1 、主计算机工作站 、 五台计算机工作站组成的小央 控制级：两台主计算机工作站双机热 备川，两台调度计算机工作站，c 余备 用，一台管理计算机工作站进行丁程 运行管理# l j 办公自动化管理各汁算 机，j 双环形光纤联网，资源兆享。巾 央级：1 - 要功能是存贮采集数据，显示 打印，矬盘实时数蜊库，历史数挪：库， 进行动态分析，提供决策支持。 2 、主通信控制器 中央控制室的两个主通信控制 与主计算机相连，也是双机热备j 1 ， 同时以i 对n 的形式，有6 4 个通道。 其主要作用是完成数据信息的缓冲， 监视通信状态，自动发以及完成通信 规程的转换，以减轻主计算机的负担。 3 、调制解调器( m o d e m ) 里里：= ：翌 圈l 原中央监控系统示意圈 其作用是进行波形变换，实现数字量，丌关髓的远距离传输，还可提高运动 信息速率，中央控制室通过通信线路和调制解训器与分散在全j j 的子个泵站村j 连，采j jm o d b u s 通信觑约。 占塑塑些塑堕壅塑窒堕些丝墨竺塑婴塞量! ! 堡 4 、远程终端 其功能主要通过可编程控制器来执行。它对现场各种流量、雨量、液位、电 压、电流、闸门和泵组工作状态的数据进行采集处理、控制、报警，同时传递数 据和接收中控室主机下达的调度命令，并对水泵进行自动控制。 本项目以上海市中心城区华阳排水系统为主要工作地区，以市区排水信息系 统改造为依靠，建立具有实时数据采集系统和实时泵机控制网络，初步形成市区 排水信息系统的一个重要的远程终端。 圭塑立望塑堕墨苎壅! ! 些丝墨竺塑堑窒量! 壁墅 第二章华阳泵站系统 华阳路泵站是一座雨、污水合流泵站，坐落于苏州河沿岸，是上海市市合流 污水治理一期工程中的一个组成部分，它是由原先的纯雨水泵站改建而成。为充 分发挥合流污水工程的作用，在原雨水沉井边建成了污水泵站，使早流污水不再 向苏卅i 河排放。原有的管理方式陈旧单一，数据采集受到人为因素影响较大，系 统的安全性不高。现为了提高华阳路泵站管理水平，提高运行的安全性和经济性， 拟在泵站内设置p l c 监控系统，实时检测站内的各利设备运行工况、运行参数， 并送入数据库保存。该泵站控制系统为合流一期工程的远程终端。可根据集水井 的水位自动控制泵的开、停，系统留有远程通讯端口，可把检测的数据经过滤选 后送泵站管理所，使管理所能够及时( 即时) 了解泵站运行情况，为今后无人控 制泵站打好基础。 一、泵站工艺流程及控制要求 由于华阳泵站为雨污水合流泵站，它分别具有雨水、污水两个集水井，工艺 流程基本相同。雨水泵为潜水泵，污水泵为轴流泵。在平时常开污水泵提升污水 进入合流污水总管，下雨时当进水井液位高于设定值时则开雨水泵以防止此地区 积水。设备如图所示雨污水分两个水渠通过进水闸门进入进水集水井，由格栅机 捞除污水中的城市垃圾( 烂菜叶、果皮、纸张、塑料制品等) ，然后污水经水泵提 升入出水井内，通过出水闸门流出泵站，见下图2 。 母圜圆一回恒 图2泵站工艺流程简图 格栅除污机在泵站运行期间，间歇定时或根据格栅前后水位差工作清理水中 的垃圾。 水泵根据水位和本身的状态决定水泵的启停，泵站运行期间所有水泵一般均 在待机状态。泵站通过以下方式进行运作，以泵站出入口水位信号确定泵站的运 行，即入口处水位高于设定值时起动泵机并随着水位的增加，而增加开启水泵的 数量。同时在远程控制方面也有本地点动控制、本地智能控制和远程遥控三种方 式，将操作员分为不同的权限层次：普通操作人员、系统管理人员和系统维护人 员。其中系统维护人员可以对远程控制系统进行完全的管理，如远程控制的复位。 圭堂查些里堕茎垫壅! ! 些塑墨丝塑竺塞：! 苎翌 低级运行参数设置等。 二、泵站控制系统的硬件组成总述 计算机网络控制系统如图3 所示是由 信号采集系统、信号处理系统、控制信号输 出系统、网络通讯系统和报表打印系统等组 成。将泵站的运行工况信息采集、处理再由 计算机来控制泵站的运行并自动生成网络 共享管理报表。 泵站检测元件选择了超声波液位计、水 泵综合保护器和电量隔离传感器，泵站的运 行数据由a s b d e p - 2 1 6 采集电流源信号，送 入进行处理。具体过程是：水位信号由分别 安装在泵站格栅机前后的e + h 超声波液位 计输出线性电流源信号并提供报警功能：设 备电压信号由w b 2 2 4 m 型交流电量隔离传感 器采集并输出电流源信号 设备电流信号由 w b 2 1 4 霍尔效应型电流传感器采集并输出电 流源信号。 围3 泵站拄制椅图 执行元件是a s - b d a p 一2 1 6 n 、 s b d a p 一2 1 7 板及t b 一2 4 r 继电器输出端子扳， 具体控制方式是：进出水闸门和皮带机是由电机驱动，用计算机控制该设备的控 制线路，保留了原设备所有的安全保护措施：格栅除污机是带有变频器的复杂机 电设备，它本身具各手动、时间控制和水位控制。用计算机控制设备选择需要的 控制方式；潜水泵本身带有非常完善的安全保护措施，用计算机控制设备将潜水 泵置于待机状态，由智能控制程序决定潜水泵的启停： 下位机选用m o d i c o nh 9 8 4 - 1 4 1 ，完成所有本地测控任务。 上位机选用研华p e n t i u m 6 6 工控机，它提供正在登录用户的状态数据库， 包括用户身份认证、密码核对、登录时间及其用户队列管理等功能。 上下位机通过并行口直接电缆联接。由上位机保护下位机免受外界侵害。 上位机它可以通过普通调制解调器、i s d n 、有线电视网或者a d s l 等通用通 讯设备与控制中心联接，我们选用了便利的普通调制解调器，把通讯设备的投资 降到最低。在做好安全措施的情况下，泵站和控制中心可以实现高速联接，是理 想的通讯方式。 7 上海市华阳路泵站实时监控系统的研究与实现 三、系统结构设计与功能设定 排水泵站管理的发展方向应是采用无人值守方式，要求整个排水泵站的运转完 全由设在远方的调度管理中心进行监视控制。排水控制的概念是指排水泵站及相应排 水区域面积内水量的分配控制。这一整套控制系统的核心应该是建立在调度管理中 心：由计算机进行处理的综合管理系统。而这个排水调度管理中心是与各泵站之间进 行信息交换和收集，主要目的是： 即对生产信息，技术信息，业务信息等统一管理：实时输出必要的信息和指示， 让决策信息服务机能更充实。 依靠综合管理系统的控制指令，对各设施的监视、控制和异常时的对策指示等的 集中监视，充分保证平常时的稳定排水；紧急时刻的正确并迅速的对应措施，以实现 应急调度指挥。 1 、系统基本功能的设定 ( 1 ) 管理系统功能 迅速确认收集、监视的全部排水设施的运行状态的数据；在城区内设置有效的水 位监测点，推算区域内的积水情况：需要数据的累积，以及需要退水予测的功能；制 定稳定且经济的排水调配计划。 ( 2 ) 信息传送与处理 作为信息来源，在目前泵站内的可编程控制器或计算机，通过市话通信线路经由 调度管理中心的信息处理计算机，再结合上位信息处理计算机，运用监视的全部设旌 在泵站进行操作和收集必要的信息。同时将常用设施的运转状态，水的运行状态在监 视盘和c r t 上表示，作为对现场机器准确操作的一种仿真控制操作。 以排水设施的全部数据作为原始资料被收集在信息传送系统中，运用管理计算机 的机能将设施的运行计划流程在c r t 显示装置上对操作员进行运转指导，依靠计算机 利用计划数据处理方法，指导设施的运转计划，使指导运转操作的实现更合理，更容 易。 ( 3 ) 数据采集与监视 数据采集与监控的点数是系统所注重的一个非常重要的指标。数据采集是通过可 编程控制器直接收集。 2 、泵站自动控制软件设计的原则 泵站自动化控制系统其流程如图4 所示，其中： 初始化设置：主要实现初始化程序所用变量，域值、采样频率等低级参数设 定。 数据采集：通过a d 板测量各种工艺参数 数据处理t 按照工艺要求进行数据处理和控制计算。 ：! 堂塑坐塑塑翌塑窭壁堕塑i 塑塑旦堕圭受迅 显示控制状态和参数：主要实 现实时数据显示窗口，人机交互窗 口。工艺参数设定，水位和设备故 障报警显示等。 控制设备；由d a 板输出，通 过端子板去控制各种机电设备。 报警处理：根据设备具体的故 障情况做出相应处理，直到关闭泵 站。 生成报表文件：直接生成网络 共享报表文件，方便中心控制站管 理。 提供网络服务功能：提供网络 远程控制功能。 田l 泵站控制流程简图 程序采用面向对象的设计方法在w i n d o w s 9 8 的平台上矗接生成应用程序，极 大的方便了网络通讯和控制中心的维护管理工作，具体程序应用在第四章系统软 件中详述。 3 、华阳泵站监控设备量及信号量： ( 1 ) 华阳路雨水泵站主要监控的设备有： 被控对象数量 两路i o k v 高压进线开关柜 2 台 变压器s c r 8 - 1 0 o 4k v6 3 0 k v a2 台 低压进线柜 2 台 雨水泵( 1 5 5 k w 台) 3 台 污水泵( 3 7 i ( 1 v 台 2 3 0 k w 台)3 台 电容补偿枢1 台 格栅除污机( 雨水污水各二台) 4 台 进水、出水闸门4 台 ( 2 ) 检测的信号有： 进线开关分合闸、故障信号，水泵电机等设备的开、停和故障信号； 进线开关电压、电流、有功功率、功率因素、有功无功电能： 电机电流、温度，电容器柜电流： 集水井水位、雨量等。 雨水进水、出水、岔道闸门的开闭运行状态，故障信号。 ( 3 ) 控制信号有： 上海市华用路泵站实时监控系统的研究与实现 电机的开停( 分别包括三台大功率雨水泵、三台小功率污水泵的按序开停) ； 雨水、污水集水井的格栅除污机的开停： 站内需数据信号8 0 点，其中模拟量2 4 点，开关及脉冲量4 6 点，控制信号1 0 【：海i 仃毕俐路泵站史时监控系统的研究与实现 ( 4 ) 信号表 模拟量输入a i p i数字量输入d id o 电电温度 雨耳 故闸门 污 雨开关没备障 液 启没备 流压r t d量状态 臼位 液位位置 肩停状 差 闭行启停 态程 1 # 、2 # 1 0 k v 进线柜 2222 ( i p 、l o p ) l # 、2 # 低压 进线柜( 3 p 、 222 2 6 p ) l # 、2 # 变压 器柜6 ( 1b 、2 b ) i 乜容补偿柜 ( 2 p ) ll l # 、2 # 、3 i t 雨水泵电机 3333 3 ( 5 p 、6 p ) l # 、2 # 、3 # 污水泵电机 3333 3 ( 3 p ) 1 # 、2 # 污水 格栅除污机 22 2 j # 、2 # 雨水 格栅除污机 22 2 集水井格栅 前后液位 2 2 雨水迸出 7 j ( ：j( j 、岔道闸门 污水进、出 水 闸阀 雨量累计 l 总计 2 4 4 6 1 0 上海市华阳路泵站实时监枉系统的研究与实现 四、系统组成和功能 华阳路雨水污水泵站监控系统主要由p l c 可编程控制器( 包括输入输出模块) 、 p l c 上位机、打印机及相应的一次仪表变送器组成，其功能分述如下： 1 、p l g 可编程控制器的功能： ( 1 ) 数据采集： p l c 可编程控制器通过i o 模板采集变送器，一次仪表的各种运行参数的数据和 运行工况。这些数据有： 模拟量输入：电流、电压、功率、水位、温度等等。 开关量输入：进线开关分合闸、水泵电机开停等状态信号和故障信号。 脉冲量输入：有功无功电能、雨量。 ( 2 ) 现场控制： p l c 开关量输出就是控制。p l c 开关量的控制作用只有当系统在自动模式下时才 起作用。当系统在手动模式下，由人工操作，p l c 模块没有控制作用。在自动控制模 式下，系统有两种控制方式：自动控制方式和点动控制方式。当系统在自动控制方式 下时，p l c 模块组根据输入条件和内部原程序的逻辑关系，判别开停车，此时，上 位机只起到时实反映系统工况的作用。并不参与控制。当系统处在点动控制方式下时， p l c 的控制动作由上位机根据系统参数和实际要求提供。两者比较，前者对p l c 的要 求更高，系统在正常运行情况下，一般采用自动控制方式。 格栅除污机的自动启停是根据格栅前后液位差来进行控制的。当液位差高于设 定值时超声波液位仪发出一个脉冲信号给p l c ，当p l c 接收到此信号后就会自动启动 除污机。同理，当水位差低于某设定值时，就会自动停机。 自动开泵是根据集水井液位上升情况及高度来进行控制。当集水井液位达到第一 高水位时，同样可以通过超声波液位仪给p l c 一个检测信号，系统就会自动开一台泵， 当液位达到第二高水位时p l c 再次动作，系统自动开第二台泵，以此类推。开泵前， 系统应检查机组有无故障，其次检查电压、电机温度等参数是否全部正常后，才决定 是否能正常开泵。反之，p l c 根据水位下降情况及水位高度进行自动关泵控制。 点动控制是在p l c 上位机c r t 控制界面上进行的，在上位机c r t 控制界面上用鼠 标或键盘进行点动控制，点动控制的条件由值班人员根据参数和实际情况的特殊性具 体掌握。水泵电机、格栅除污机，他们既可在自动模式( 自动方式点动方式) 下控 制，亦可在手动模式下控制。 污水泵房控制方案和框图见下图5 ： 华阳泵站雨污水共6 台泵，其中污水系统共有潜水泵3 台，其为二用一备， 圭塑立堂璺堕蔓塑塞堕堕量墨竺堕型堕壁! ! ! 翌 若其中一台作为长期备用易发生设备故障，故实际使用中设置成轮流启动 方式，以达到既有备用，又不让其长期搁置不用的目的，框图如下： 图5泵控制原理框图 ( 3 ) 故障保护： 一 电机起动后检测电机电流是否正常，如果异常立即进行报警，并立即停机进行故 障保护，以免烧毁电机。 在每台潜水泵电机的内部预没一根控制电缆，其输出端连接p l c 的u o 输入端， 在机组正常运转后要安周期检测潜水泵电机电流、电机温度及电机浸水情况，发现越 限立即发出报警信号给p l c ，如超过上上限立即停机，进行故障保护。 ( 4 ) 报警( 采用声光报警方式) ： i ) 电机缺相报警i i ) 电机过流报警 i i i ) 电机温度过高报警i v ) k 位过警戒线报警 ( 5 ) 通信： 本系统的数据的采集量并不足很大，因此p l c 通过串行口与上位机的串口进行通 信，采用r s 一2 3 2 通信协议，接收上位机控制和运行状态命令以及设置参数。并及时 把最新采集的数据发送给上位机。 2 、p l c 上位机功能 p l c 上位机操作平台为w i n d o w s9 8 ，人一机界面开发工具为w i z c o n 工控软件。 上位机通过r s 一2 3 2 串行口与p l c 可编程控制器串口进行联接，读取p l c 内存数据， 下达控制命令和各种参数的设置，并把收集的数据进行合适的处理后建立数据库，并 针对不同的信号种类，信号的作用用不同画面把各种数据保存、显示或按需要打印出 来。 ( 1 ) 建立数据库：p l c 上位机将读取的数据经处理后，一方面在上位机c r t 相应 画面上予以显示，另一方面立即存入本机数据库，供显示、检索、查询，报表的打印。 ( 2 ，主参数表：以表格的形式把泵站所有参数的数据分门别类显示在表格上，便 于值班人员掌握分析 ( 3 ) 画面显示：动态工艺流程图及动态电气模拟图 ( 4 ) 曲线：实时曲线和历史曲线。 ( 5 ) 上下限设置：本站内各类运行参数，如集水井水位( 差) 、机泵温度、电机电 流等的上下限、上上限、下下限都可用户自己设定和修改，但需要一定权限。 ( 6 ) 越限和事故报警：主机从p l c 内存中读取的各路参数的数据将逐一与上下限 值、上上限值、下下限值进行比较如有越限立即报警在c r t 上报警框闪烁，并把越限 时间，参数名称，越限性质存入报警数据库，等待值班人员处理。如值班人员不响应， 报警数据库有记录。当主机收到机组故障信号立即报警，在c r t 上报警柜闪烁并把报 警时间、机组名称。故障性质存入报警数据库，等待值班人员处理。 ( 7 ) 报警查询：对报警数据库进行查询，报警数据库根据时间先后记录了所有越 限和故障报警的内容：包括报警时间、参数或设备名称、越限和故障性质、具体数值、 有无人响应以及恢复越限时间、参数称、具体数值等等。 7 ( 8 ) 带图：以带图形式显示每台水泵机组一天2 4 小时运行情况。 ( 9 ) 运时和计数：记录本站每台机泵当天运行时间和累计运行时间以及开、停次 数和累计开、停次数，对设备维护保养提供了可靠的依据。 ( 1 0 ) 棒图：用棒图形式显示一天2 4 小时每小时电量和雨量的累计值，以及一个 月3 l 天每天电量和雨量等。 ( 1 i ) 打印：报表打印、曲线打印 ( 1 2 ) 控制： p l c 上位机可对p l c 可编程控制器进行工作状态的设置，可设置为自动工作状态 和点动工作状态。 自动工作状态：p l c 可编程控制器在自动状态下不需上位机的介入，就能进行自 动检测，从检测的数据中判别条件进行各种开停控制。 点动工作状态：p l c 可编程控制器在点动状态下只进行自动检测，并接收上位机 的控制命令，进行控制和操作。 ( 1 3 ) 通信( 预留) ：上位机能过m o d e m 可与合流污水管理所进行通信，接受管理所 的命令把站内一天数据( 或即时数据) 和运行工况及时发送给管理所。泵站管理所并可 对华阳路泵站进行遥控，控制泵机的开停和格栅除污机的开停等控制。 圭塑鱼坐璺整茎些塞堕些塑墨堕堕塑窭：! 毽堡 五、系统调试 在整个控制程序完成后，在实验室对其进行了多次模拟调试，因此，在现场 其进行联机调试。 ( 1 ) 系统中心、控制计算机采取防静电措施。 ( 2 ) p l c 模块安装完毕，离线检查所有电源是否正常。 ( 3 ) 离线检查p l c 程序，检查各模块功能及各站通讯功能。 ( 4 ) 检查各d i 、a i 、p i 、d o 接口，检查各路各类信号是否正确传输。 ( 5 ) 上位机安装完毕，检查上、下位机间的通讯是否正常。 ( 6 )以设计图纸为依据，对所有检测参数和控制回路仔细查对。检查对各监控对象 信号的接收或发送是否正常。对具有各种逻辑控制关系的控制回路验证其功 能，尤其是具有故障检测判断和自动保护功能的回路。 ( 7 ) 检查上位机软件是否实现了所有设计的软件功能，各种动态画面是否正常、报 表打印机能是否正常、是否符合生产实际要求，各项数据设备状况等数据是否 正确显示，各控制命令、修改参数命令及各工况的报警保护功能是否正常。上、 下位机间的通讯功能是否正常。 ( 8 ) 联调是整个监控系统安调中最重要的一环，在联调过程中，启动系统程序，逐 一检查各路的状态和控制是否与现场实际工况一致根据现场反馈信号，及时检 查现场仪表的运行状况，调整控制参数。对于立即影响控制效果的模拟量回路， 其信号的稳定与准确至关重要，对该类信号要重点检查其安装、接线、运行 条件、工艺条件等诸多方面情况，以保证信号的正确无误并提高其抗干扰能力。 在系统联调中，还安装了隔离变压器，并将屏蔽层可靠接地，提高了系统运行的 可靠性。其他在联调中未发现程序问题，对于在接线及其他调试中常见的问题， 在这里不再详述。 本章对整个系统进行了一个全面的概述。可以看出系统的构建是基于p l c 控制基 础上的一个手自动紧密结合的自动化控制泵站。系统的核心可以简单的分为两方面， 一方面是下位机部分，就是p l c 控件组与现场之间的连接和调试；另一方面是上位机 部分，就是主控计算机与p l c 控件之间的通讯联结和调试。 因此，在下二章内将会对p l c 控件和系统软件进行详细的说明和研究。 _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ 一一一 上海市华阳路泵站实时监控系统的研究与实现 第三章系统硬件 在本章中将介绍可编程控制器的定义、一般组成、特点以及m o d i c o n 9 8 4 系统 的特性、编程语言。 可编程控制器的综述 i 、可编程控制器的定义 近年来，随着大规模集成电路的发展，使得以微处理机为核心组成的可编程序控 制器得到了迅速发展，并广泛应用于各种领域中，以满足现代化大生产中的高效的、 大量的自动化要求，如电动机的起停，电磁阀的开闭，产品的计数。温度、压力、流 量的设定与控制等。 可编程控制器( p r o g r a m m a b l e c o n t r o ll e r ) 又简称为p c 或p l c ，1 9 8 7 年2 月国 际电工委员会( i e c ) 颁布了对p l c 的定义： “可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设 计，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、 定时、记数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种 类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于工业控制系统联 成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。” 可见p l c 是基于计算机技术和自动控制理论而发展起来的，它既不同于普通的计 算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在 系统结构、硬件组成、软件结构以及i 0 通道、用户界面等诸多方面都有其特殊性。 早期的p l c 主要用于顺序控制( 例如代替以继电器控制盘为主的各种顺序控制装 置) ，今天p l c 的应用已经不仅限于顺序控制，它已开始用于闭环过程控制，随着其 扩展能力和通信能力的发展，它也越来越多地应用于复杂的分布式计算机控制系统 中。p l c 自1 9 6 9 年问世以来，它按照成熟而有效的继电器控制概念和设计思想，利 用不断发展的新技术、新器件，逐步形成- - f 较为独立的新型技术和具有特色的各种 系列产品。 目前世界上各先进工业国都竟相开发、生产各类p l c 产品，我国在引进国外产品 的同时，也已开始引进该项技术，并组织p l c 产品的开发和生产，并初步形成自己的 p l c 产业。在应用领域，p l c 也已成为解决自动控制问题的最便捷、最有效的工具。 2 、司编程控制器组成形式和功能 虽然各种p l c 产品的组成形式和功能特点各不相同，但它们在结构和组成上基本 - l j 4 _ - - - _ 一 圭塑查堂塑堕茎塑壅堕些塑墨堡塑堡塞! ! 壅翌 是相同的，一般由c p u 、存储器、输入输出系统及其它可选部件四大部分组成。 p l c 在运行过程中，一般由c p u 、存储器和输入输出系统三个部分即可完成预 定的各种控制任务，因此可将这三部分称为p l c 的基本组成部分。其它- - f 选部件包括 编程器、外存储器、模拟i 0 盘、通信接口、扩展接口以及测试设备等，主要用于 系统的编程组态，程序存储、通信联网、系统扩展和系统测试、维护等是p l c 的辅助 组成部分，在p l c 正常运行期间这些部件并不起作用，它们主要用于系统的开发、安 装、调试和维护。 ( 1 ) 基本组成 p l 。c 的基本组成部分( 如右图6 ) 包括c p u 、 存储器和i 0 系统三个部分。p l c 的系统程序和 用户程序都存放在存储器中，现场输入信号经过i 0 系统传送至c p u ，c p u 按照用户程序存储器里 安放的指令，执行逻辑或算术运算，并发出相应的 控制指令，该指令通过i 0 系统传送至现场，驱 动相应的执行机构动作，从而完成相应的控制任 务。 圈6p l c 基本组成原理田 o c p uc p u 是p l c 的核心，其作用类似于人的大脑。它能够识别用户按照特定的 格式输入的各种指令，并按照指令的规定根据当前的现场i o 信号的状态，发出相 应的控制指令，完成预定的控制任务。另外它还能识别用户所输入的指令序列的格式 和语法错误，还具有系统电源、i 0 系统、存储器及其它接口的测试与诊断功能。c p u 与其它部件之间的连接是通过总线进行的。目前各厂家生产的p l c 已普遍采用了高性 能的8 位和1 6 位微处理器作为其c p u ，有的已使用了准3 2 位或3 2 位的微处理器， 时钟频率已达2 5 3 3 m h z ，很多系统还配有浮点运算协处理器，因此数据处理能力大 大提高，工作周期可缩短到0 1 0 2 s ，并且可执行更为复杂的先进控制算法，如自 整定、预测控制和模糊控制等。 存储器p l c 的存储器由系统程序存储器和用户程序存储器两部分组成，系 统程序是由生产厂家预先编制的监控程序，模块化应用功能子程序、命令解释和功能 子程序的调用管理程序及各种系统参数等。用户程序是由用户编翻j 的梯形图、输入 输出状态、计数计时值以及系统运行必要的初始值、其它参数等。系统程序存储器 容量的大小，决定了系统程序的大小和复杂程度，也决定了p l c 的功能和性能。用户 程序存储器容量的大小，决定了用户程序的大小和复杂程度，从而决定了用户程序所 能完成的功能和任务的大小。 从存储器的性质来分，又可分为r o m 和r a m 两个部分。为了工作的安全可靠，大 多数p l c 采用了