取水泵站自動控制系統(tǒng)的研究

在大型制造企業(yè)的給排水工程中，選擇合適的取水點和取水方案對整個系統(tǒng)工程的支持非常重要。合理設(shè)計采井站管理制度，選擇高質(zhì)量、穩(wěn)定的監(jiān)控設(shè)備是關(guān)鍵。合理的設(shè)計和選型既能滿足生產(chǎn)、生活的需要,又能體現(xiàn)經(jīng)濟節(jié)能的要求。本文介紹了國內(nèi)某大型氧化鋁廠給排水工程中取水泵站的自動控制系統(tǒng)。1按取水主泵設(shè)計分根據(jù)生產(chǎn)需要,該氧化鋁廠選址于江邊,因此設(shè)計時選用的是岸邊式取水泵站,直接利用潛水水泵從江中取水,首級取水揚程為50m,日取水量根據(jù)該氧化鋁廠的設(shè)計年產(chǎn)能確定。取水泵站控制系統(tǒng)關(guān)系到全廠給排水系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)運行的可靠性、穩(wěn)定性、可控性和經(jīng)濟性,根據(jù)本級取水揚程、日取水流量及距二級泵站的距離等設(shè)計條件,本著經(jīng)濟節(jié)能的原則,該取水泵站配有3臺10kV的高壓電動機和1臺690V的變頻電動機作為取水主泵。其中變頻電動機作為調(diào)節(jié)總流量的主泵,根據(jù)生產(chǎn)水量的要求靈活使用,調(diào)整輸送水量,達到最大的經(jīng)濟合理性。另配有相關(guān)輔助水泵,完成如輸水管道清洗、進水室、吸水室清洗等相關(guān)輔助功能。相比全廠其他生產(chǎn)系統(tǒng),取水泵站位于較偏遠處,而且高壓電動機和變頻電動機的實時狀態(tài)監(jiān)控對于系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定十分重要。綜合以上2點,在對控制系統(tǒng)進行設(shè)計的時候,對關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計了遠程控制和就地控制2種控制模式,同時現(xiàn)場實時的控制數(shù)據(jù)將通過工業(yè)以太網(wǎng)通信方式及數(shù)據(jù)服務(wù)器采集和存儲,集中傳輸?shù)街鞅O(jiān)控室,通過操作員操作上位IPC(工控機)組態(tài)、界面對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控和處理,并實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠程控制。2現(xiàn)場控制要求和工藝控制方案2.1現(xiàn)場控制方式根據(jù)生產(chǎn)實際需要,采用就地和監(jiān)控室遠程操作設(shè)備,并將現(xiàn)場設(shè)備工作情況的數(shù)據(jù)采集存入監(jiān)控系統(tǒng),進行人工或智能閉環(huán)控制。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備特點和工作方式,控制方式分為遠程控制和就地控制2種,其中遠程控制又分為遠程單機控制和遠程程序控制組控制。就地控制是指操作人員在生產(chǎn)現(xiàn)場根據(jù)生產(chǎn)的要求和生產(chǎn)經(jīng)驗,人工單機控制設(shè)備。遠程控制是指操作人員在遠程控制室內(nèi)通過上位機畫面對現(xiàn)場設(shè)備進行操作,既可以單機控制,也可以投入程序控制,根據(jù)PLC程序來自動控制設(shè)備。2.2電動出口閥和電動x取水泵站共有4套設(shè)備,其中3套設(shè)備包括1臺高壓泵、1個電動進口閥、1個電動出口閥和1個電動止回閥。1套設(shè)備包括1臺變頻泵、1個電動進口閥和1個電動出口閥、1個電動止回閥。4臺泵對應(yīng)4個吸水室,吸水后通過2條主輸水管送入二級泵站。在2條主輸水管上裝有卸壓閥,目的在于防止水錘效應(yīng)。設(shè)計控制邏輯主要考慮如下。1自動控制過程設(shè)備組的初始化信號是進口閥全開(開到位),止回閥和出口閥全關(guān)(關(guān)到位)。當(dāng)PLC收到閥門的反饋信號后,系統(tǒng)初始化成功;否則,初始化失敗。系統(tǒng)初始化成功后,根據(jù)設(shè)備廠家提供的各設(shè)備整定值,預(yù)定設(shè)備組自動控制過程總時間90s,其中根據(jù)其機電時間常數(shù)整定高壓泵控制時間,達到穩(wěn)態(tài)時間為8～10s,在高壓泵啟動2s后,啟動出口閥和止回閥。出口閥完全打開大約需要50s,止回閥完全打開大約需要10s。控制同時判斷總出口閥所處的狀態(tài),若總出口閥為全關(guān)狀態(tài),則自動開啟總出口閥;當(dāng)總出口閥、出口閥、止回閥都不處于全關(guān)的狀態(tài)時,系統(tǒng)組自動控制成功,否則失敗,停泵。2高壓管路位信號啟動控制在自動取水設(shè)備運行過程中,為了減小高壓泵的啟動負荷,減小啟動電流對電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊,要求高壓電動機閉、出口閥軟啟動。啟動使用高壓斷路器位信號,可以選擇程控啟動和單機手操啟動。在設(shè)備運行中,通過對其自身相關(guān)參數(shù),如定子溫度、驅(qū)動端軸承溫度、非驅(qū)動端軸承溫度和電動機電流等進行監(jiān)控,也對電動機工作環(huán)境如水位高度等進行監(jiān)控。利用傳感器輸入這些模擬量,并與設(shè)定好的計算值進行比較,來判斷電動機是否處于正常運行環(huán)境,保證設(shè)備運行穩(wěn)定和狀態(tài)可控。3高壓電機濾波器止回閥作為保護高壓泵的關(guān)鍵設(shè)備,需要設(shè)計止回閥和高壓泵的聯(lián)鎖控制。在設(shè)計聯(lián)鎖時,使用高壓電動機斷路器分閘位信號和止回閥的位置信號聯(lián)鎖。高壓電動機斷路器分閘位信號消失,并且止回閥沒有完全打開時,延時止回閥開啟;高壓電動機斷路器處于分閘位,并且止回閥沒有完全關(guān)閉時,延時止回閥關(guān)閉。變頻泵則根據(jù)其啟停信號與止回閥聯(lián)鎖。4安全聯(lián)鎖和保護聯(lián)鎖在設(shè)計時,采用了啟動聯(lián)鎖、安全聯(lián)鎖、保護聯(lián)鎖和操作聯(lián)鎖來確保程控啟動正常有效。啟動聯(lián)鎖在系統(tǒng)程控運行期間出現(xiàn)突發(fā)情況時,允許現(xiàn)場操作員將系統(tǒng)置位于旁路控制,屏蔽程控并手操設(shè)備排除險情,正常情況下啟動聯(lián)鎖置位。安全聯(lián)鎖用來對設(shè)備間的啟停關(guān)系進行保護,以保證系統(tǒng)中所有設(shè)備正常有效的工作。當(dāng)安全聯(lián)鎖置位后,說明系統(tǒng)的機械動作中不存在干涉問題,可以正常啟動設(shè)備;否則要初始化系統(tǒng)再程控啟動。保護聯(lián)鎖用來對關(guān)鍵設(shè)備進行保護,在取水泵站的控制系統(tǒng)中,高壓電動機屬于關(guān)鍵設(shè)備,因此對高壓電動機設(shè)計保護聯(lián)鎖是很有必要的。操作聯(lián)鎖用來確定關(guān)鍵設(shè)備在啟動前相關(guān)保護設(shè)備是否正常啟動,在取水泵站的控制系統(tǒng)中,啟動高壓電動機遠控前,要確定就地箱是否處于遠控位,并且電動機保護器是否正常供電。3監(jiān)控設(shè)備的功能系統(tǒng)的監(jiān)控界面主要由幾部分組成:各設(shè)備的運行情況監(jiān)控,系統(tǒng)中管道壓力等參數(shù)的實時數(shù)據(jù),高壓電動機的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)(電流、溫度等),各個設(shè)備的手操控制、報警記錄和歷史趨勢圖等。可實現(xiàn)如下功能。1)手動控制:實現(xiàn)一些特殊的工作模式。2)系統(tǒng)正常運行監(jiān)控、非正常運行監(jiān)控:系統(tǒng)所有設(shè)備工作狀態(tài)和參數(shù)監(jiān)控。3)設(shè)備動力控制:在監(jiān)控界面上對現(xiàn)場設(shè)備的供電或斷電進行控制。4)歷史趨勢顯示:對參數(shù)的歷史趨勢進行監(jiān)控。5)數(shù)據(jù)記錄:對所有工作站操作過程進行記錄,為處理違規(guī)操作提供依據(jù)。6)報警查詢:對系統(tǒng)的運行報警歷史進行記錄,確保系統(tǒng)安全運行。4控制系統(tǒng)設(shè)計基于以上工藝方案的要求,本項目選擇采用ALLEN-BRADLEYSLC5/05可編程控制器,對取水泵站進行現(xiàn)場自動化控制和RSView軟件組態(tài)監(jiān)控界面控制,并利用ABPLC和RSView支持OPC協(xié)議的優(yōu)點,實現(xiàn)了取水泵站的數(shù)據(jù)全廠級共享和全廠級信息化的統(tǒng)一生產(chǎn)調(diào)度。ALLEN-BRADLEYSLC5/05是美國羅克韋爾公司生產(chǎn)的小型的、基于機架的、模塊化的可編程控制器和輸入、輸出模塊,主要特點是。1以太網(wǎng)接口利用內(nèi)置的以太網(wǎng)接口及SLC5/05內(nèi)置集成的以太網(wǎng)接口,可以方便地訪問HTML格式的監(jiān)控界面,監(jiān)控生產(chǎn)數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)獲取、超級監(jiān)控、程序管理、統(tǒng)計質(zhì)量控制、生產(chǎn)調(diào)度和材料跟蹤等全廠級信息化操作。2些“智能”設(shè)備ControlNet掃描器模塊允許通過一根電纜連接到一些“智能”設(shè)備。在本項目中利用ControlNet直接連接了液位檢測的雷達、主輸水管道的流量計和清洗管道水泵的壓力變送器等測量設(shè)備,大大減少了電纜的敷設(shè)成本。3數(shù)字量/塊傳輸為SLC500增加一個遠程輸入、輸出掃描器模塊或者一個適配器模塊,可以支持?jǐn)?shù)字量或塊傳輸選項。容易在遠程輸入、輸出網(wǎng)絡(luò)上訪問驅(qū)動設(shè)備、人機界面、第三方產(chǎn)品以及眾多的遠程輸入、輸出兼容性產(chǎn)品。此外,遠程輸入、輸出鏈接簡化了人機界面如PanelView的應(yīng)用程序上傳與下載。4支持服務(wù)器協(xié)議并支持?jǐn)?shù)據(jù)安全協(xié)議4.1塊與上位機通信根據(jù)現(xiàn)場要求和通信方式要求,選用支持RS232和Ethernet通信方式的SLC5/05PLC模塊,PLC模塊與上位機采用Ethernet通信方式,通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機進行通信。配置1746-NO4模擬量輸出模塊1塊、1746-NI8模擬量輸入模塊5塊、1746-OB1624VDC數(shù)字量輸出模塊3塊和1746-IB1624VDC數(shù)字量輸入模塊8塊,根據(jù)配置模塊總數(shù)選擇10槽機架2個,2個機架之間采用1747-C9連接電纜進行通信。4.2軟件部分的組成1組態(tài)硬件設(shè)計主要包括以下幾個步驟。a.根據(jù)工藝設(shè)計控制方案。b.組態(tài)硬件。c.點表編輯和導(dǎo)入。d.輸入梯形圖邏輯,離線編程,可在寫入程序過程中隨時建立變量。e.模擬量的轉(zhuǎn)換。f.建立I/O映射表。2監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點主要包括以下幾個方面。a.根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備編輯畫面。b.導(dǎo)入點表。c.建立HMIServerd.建立DataServer/OPCServer。監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。1)通過HMI可以監(jiān)視整個取水泵站的運行狀態(tài),極大地整合了設(shè)備操作,提高了設(shè)備的運行穩(wěn)定性。2)通過對設(shè)備各項參數(shù)的監(jiān)控,最大程度地避免了設(shè)備非正常損耗,提高了設(shè)備壽命。3)提高了整個系統(tǒng)的利用率,最大程度地節(jié)省了人工成本。4)可對整個運輸系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制,如果碰到突發(fā)事件或有緊急任務(wù),可以隨時手動控制,實現(xiàn)人工調(diào)度