基于PLC与触摸屏的渗漏排水监控系统

摘要：根据小浪底进水塔渗漏积水的特点和排水系统的控制要求，设计了以PLC和触摸屏为核心的渗漏排水自动控制系统。介绍了系统的构成、PLC与触摸屏组合的硬件配置以及软件设计。带控制功能的触摸屏作为上位机，实现集中监控及运行记录，给系统的安全分析、事故排查、水位数据分析提供了可靠的信息；PLC作为现场设备的控制核心，同时收集现场传感器的数据。整个系统安全可靠、操作简单、运行维护方便。
关键词：监控系统；PLC；触摸屏；渗漏排水系统

0 引言
    小浪底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，由于小浪底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2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，以保证泵房安全稳定的运行。

1 工艺流程和监控要求
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2．40 m，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2．60 m，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1．5 m时，则停止潜水泵。若水量进一步增大时，以致达到主用离心泵启动水位2．80 m和备用离心泵启动水位3．00 m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 min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，如果水位回落到停泵水位1．50 m，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2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4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。二者通信时PLC出口为RS 485，触摸屏入口为RS 232。
2．1上位机硬件构成
    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；24 V直流供电；128 MB闪存；68 MB DDR2随机存储器；自带32位的RISC400 MHz处理器；支持多种接口：1个串口COM1(RS 232／RS 485 2 W／4 W)，串口COM2(RS 232)，串口COM3(RS 232／RS 485 2 W)；1个USB主从机接口；支持SD卡等。
2．2 下位机的硬件构成
    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2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90-30PLC。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200 000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1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2个集水池的水位高度信号和2个泵房的排水流量。

3 系统的软件构成
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2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2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，可以方便地切换到其他界面。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PV-6100i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)。
    设置通信参数：触摸屏的通信参数必须与PLC一致，否者二者不能进行通信。接口类型为RS232，采用COM1口通信，波特率为19200b／s，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：
    水位信息的采样与显示：本系统的水位信息采样分为2部分：周期采样和触发采样。
    (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 min，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 min，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。
    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(如图3所示)。

    (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、通信、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。在分析了可能是水位不稳，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，解决了该问题。

5 结语
    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。