前言

城市最初發(fā)展規(guī)劃的時(shí)候，沒有重視排水設(shè)施，導(dǎo)致我國許多城市幾乎年年都會發(fā)生內(nèi)澇。這些年來，我國許多城市都發(fā)生過內(nèi)澇，我國大部分城市發(fā)展過程中都要面臨內(nèi)澇這個嚴(yán)峻的問題。2004年7月，北京市持續(xù)下了四個小時(shí)的大雨，導(dǎo)致市內(nèi)40多條道路漫出積水。2005、2007以及2010年，廣州市均發(fā)生了強(qiáng)烈降雨，市內(nèi)大面積被水淹沒，嚴(yán)重影響了交通。最嚴(yán)重的要屬靠近長江的城市了，基本上只要發(fā)生暴雨，就一定會出現(xiàn)內(nèi)澇了。近些年來，內(nèi)澇也導(dǎo)致了不少市民的傷亡。隨著內(nèi)澇的不斷發(fā)生，各地政府都注意到排水系統(tǒng)的重要性，內(nèi)澇發(fā)生后，南昌市、廣州市、武漢市都投入大量的資金用來建設(shè)城市的排水設(shè)施，但是效果不是很明顯，內(nèi)澇還是時(shí)有發(fā)生。然而青島的老城區(qū)還是用的原來的排水系統(tǒng)，這套系統(tǒng)是德國人在100多年前設(shè)計(jì)并建好的，該系統(tǒng)一直完美的用到現(xiàn)在，從來沒發(fā)生過洪澇，發(fā)達(dá)國家的許多城市排水的能力也是比我國強(qiáng)上很多，看來我國的城市排水技術(shù)還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，也是很有必要借鑒下別的國家的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。

隨著城市發(fā)展越來越快，越來越大，城市地下的排水設(shè)施錯綜復(fù)雜，面對這些復(fù)雜的系統(tǒng)，以往的傳統(tǒng)的管理方法已經(jīng)很難去實(shí)時(shí)監(jiān)控到排水的情況的。目前來看，很有必要利用現(xiàn)代化的技術(shù)，建立一個自動化的城市排水監(jiān)控系統(tǒng)。自動化的城市排水泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控排水情況，能夠快速的發(fā)現(xiàn)故障，統(tǒng)計(jì)城市的降雨量，發(fā)現(xiàn)隱患并報(bào)警。本設(shè)計(jì)是通關(guān)PLC、泵、變頻器、傳感器等構(gòu)成一個自動控制系統(tǒng)，對城市匯集的水進(jìn)行恒水位控制，模擬雨水、工業(yè)污水和生活污水的流向，以及模擬管道堵塞，集水池的切換，來確保排水系統(tǒng)的穩(wěn)定，提高排水效率。設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng)不僅僅有上面說的好處，還可以省下大量的人力物力。

1 城市排水監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

當(dāng)今，各個城市的發(fā)展情況不同，所用的城市排水系統(tǒng)也截然不同，傳統(tǒng)的繼電器

控制和先進(jìn)的PLC控制都有運(yùn)用到。PLC被大量的用在順序控制的系統(tǒng)上。順序控制就是按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，在信號的控制下，在生產(chǎn)過程中每個執(zhí)行機(jī)構(gòu)有序的工作。它的優(yōu)點(diǎn)有很多，編程方法靈活變通、速度快、安全可靠、方便檢修、性價(jià)比高等等。在本系統(tǒng)中，主要是通過操作按鈕及各類傳感器信號傳給PLC控制器，PLC再發(fā)出指令控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作，來實(shí)現(xiàn)自動化控制。這些在水位的監(jiān)控、管道上電磁閥的開啟或關(guān)閉以及各個泵的啟動上都有應(yīng)用到。根據(jù)本設(shè)計(jì)的城市排水泵站監(jiān)控的工藝特點(diǎn)和要求，主要采用了采用基于現(xiàn)場總線技術(shù)的PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)是基于西門子PLC的城市排水計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，其中PLC、WINCC以及實(shí)際設(shè)備是主要組成部分。如圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖

在本設(shè)計(jì)中，PLC是核心器件，它起著主導(dǎo)作用，PLC主要控制現(xiàn)場設(shè)備的正常運(yùn)作，并且及時(shí)的把信息發(fā)送到工作站操作操作設(shè)備上和WINCC監(jiān)控站監(jiān)控畫面中去，在設(shè)計(jì)中，比如水位的檢測、指示燈的顯示、開關(guān)按鈕起停信號、水泵起?？刂?，繼電器的閉合與斷開、電磁閥的通斷和變頻器運(yùn)行頻率等等。

WINCC監(jiān)控系統(tǒng)主要是起到將PLC輸送過來的信號數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控畫面內(nèi)，以便工作人員得到現(xiàn)場的第一時(shí)間內(nèi)所有數(shù)據(jù)信號，比如指示燈的亮滅、閥門的開關(guān)，液位的數(shù)值顯示以及水泵的運(yùn)行狀態(tài)等等，WINCC在監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的正常運(yùn)作的同時(shí)，他還能向現(xiàn)場發(fā)送一些數(shù)據(jù)信號，比如控制按鈕開關(guān)和閥門的打開或閉合等等。在WINCC監(jiān)控軟件內(nèi)，可以清楚的看到現(xiàn)場設(shè)備的工作情況，而且也可以發(fā)送數(shù)據(jù)到PLC緊急停止控制設(shè)備，起到保護(hù)作用。

2 城市排水泵站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)基于西門子PLC和WINCC仿真，用模擬傳感器和模擬開關(guān)等外部設(shè)備將城市排水監(jiān)控過程中的信號處理后送到處理器將其處理，由PLC對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后控制現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行來完成城市排水泵站監(jiān)控控制系統(tǒng)的自動化高效運(yùn)作、準(zhǔn)確的操作。

本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是全自動控制的，啟動WINCC仿真運(yùn)行后，只要啟動開始按鈕，PLC將通過博圖軟件所編寫的相應(yīng)程序?qū)Τ鞘邢滤琅潘^程進(jìn)行控制，通過輸出繼電器的動作來控制水泵的起停和管道閥門關(guān)和開的監(jiān)控，指示燈的亮滅來實(shí)現(xiàn)完成對系統(tǒng)狀態(tài)的顯示，并且通過模擬量模塊的模擬采集模擬信號，對所有水灌水位的監(jiān)控和下水管道暢通情況。

（1）當(dāng)按下啟動按鈕后，運(yùn)行指示等亮起，在WINCC仿真監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)立了雨水集水、工業(yè)排放廢水集水和生活廢水集水，并且在三種水排入集水池前設(shè)立了三個對應(yīng)的管道堵塞控制閥門，一旦模擬管道堵塞，控制閥門立即關(guān)閉，并且報(bào)警提示工作人員，對應(yīng)管道內(nèi)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，提示處理。

（2）在2個集水池的進(jìn)水灌設(shè)立2個緊急進(jìn)水閥，此閥門的作用是當(dāng)集水池A或B的水位過高，即將滿出，緊急關(guān)閉，而另一個集水池B或A閥門打開進(jìn)水，緩解下水道的水位。

（3）每個集水池都配備2個排水泵，一個運(yùn)行，一個備用，以防水泵出現(xiàn)故障，卻不能及時(shí)排水，并且在監(jiān)控畫面內(nèi)監(jiān)控到水泵的運(yùn)行頻率，排水泵的運(yùn)行頻率是根據(jù)集水池的水位來控制的。集水池中，到了一定水位，集水池排水泵才運(yùn)行，并且定時(shí)停機(jī)。在排水泵出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)控畫面內(nèi)的報(bào)警指示燈會亮起，提示工作人員排水泵出現(xiàn)故障。

（4）在總水池排水過程中，設(shè)置了3個排水泵，而3個排水泵對應(yīng)的排水泵。其中一號總池排水泵和二號總池排水泵是相互切換運(yùn)行的，而總池緊急排水泵是根據(jù)總池水位來啟動和停止的。

（5）在總集水池的水位低于一定水位時(shí)，三個排水泵都不運(yùn)行，當(dāng)水位高于低水位界線時(shí)，一號總池排水泵自動啟動，并且運(yùn)行一定時(shí)間內(nèi)，自動停止降溫冷卻，切換到二號總池排水泵自動啟動，并且也運(yùn)行一定時(shí)間內(nèi)，自動停止降溫冷卻，又切換到一號總池排水泵自動啟動，只要總集水池的水位不低于低水位接線，一號總池集水泵和二號總池集水泵循環(huán)切換運(yùn)行。

（6）當(dāng)總集水池水位高于高水位界線時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警燈報(bào)警提示工作人員，總集水池水位過高，并且系統(tǒng)自動發(fā)送信號啟動總池緊急排水泵，直到水位降到安全水位線時(shí)，緊急排水泵自動停止，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。

根據(jù)以上控制要求，設(shè)計(jì)出一套完整的城市排水泵站監(jiān)控系統(tǒng)示意圖，如圖2所示。

圖2 城市排水系統(tǒng)示意圖

3 控制系統(tǒng)硬件配置

可編程序邏輯控制器（PLC）是專門為了工業(yè)自動化而設(shè)計(jì)的，它是一種數(shù)字運(yùn)算操作的系統(tǒng)。它通過可編程的存儲器在它的內(nèi)部存儲執(zhí)行順序控制、邏輯運(yùn)算、定時(shí)計(jì)數(shù)和算數(shù)運(yùn)算等操作指令，并且利用數(shù)字量和模擬量的輸入與輸出來控制多種生產(chǎn)過程。

本系統(tǒng)需要3個模擬量輸入，9個數(shù)字量輸入以及10個數(shù)字量輸出，在配置時(shí)需要一定的余量的。綜合各個方面的因素。本設(shè)計(jì)采用了西門子s7-1200PLC，CPU1214C，一個4路的模擬量模塊，已經(jīng)完全可以滿足城市排水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求了。

在本設(shè)計(jì)中，設(shè)置了2個集水池，循環(huán)輪流集水，和一個總集水池。所以在設(shè)計(jì)中通常在同一路排水系統(tǒng)中，為了保證水池里的水能接上排水，不會出現(xiàn)不排水的情況，在AB集水池中各設(shè)置了2個立新排水泵，在總集水池后設(shè)置了3臺離心排水泵，功率大小不一樣。在采用變頻調(diào)速時(shí)，每臺水泵配用一臺變頻器。

3.1控制系統(tǒng)PLC的I/0地址分配表

根據(jù)這個城市排水泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一共需要9個數(shù)字量輸入，10個數(shù)字量輸出和3個模擬量輸入。分別如表1，表2和表3所示。

表1 數(shù)字輸入分配表

表2 數(shù)字輸出分配表　　

表3 模擬量輸入分配表　　

根據(jù)城市排水泵站計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制要求，PLC型號為西門子S7-1200CPU1214C。本系統(tǒng)所需要西門子PLC數(shù)字量輸入I/O點(diǎn)數(shù)為9個，數(shù)字量輸出I/O點(diǎn)數(shù)為10個。根據(jù)系統(tǒng)要求畫出PLC的I/O端子接線圖，如圖3所示。

圖3 PLC接線圖

根據(jù)控制要求模擬量輸入3個，畫出模擬量模塊接線圖，如下圖4所示。

圖4 模擬量模塊接線圖

3.2控制系統(tǒng)電氣接線圖

根據(jù)城市排水泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求，控制系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)圖主要由排水泵電機(jī)構(gòu)成。在水泵組中分成2部分，一部分水泵是由變頻器啟動控制，一部分水泵是由PLC驅(qū)動中間繼電器控制交流接觸器來控制電機(jī)直接啟動，所以它們的電源直接接在三相交流電源上，部分控制系統(tǒng)電路中有熔斷、熱繼電器兩大保護(hù)裝置及互鎖、自鎖功能。

在A和B集水池水泵中，排水泵的運(yùn)行是根據(jù)集水池中水位的高低來判斷當(dāng)前排水泵的運(yùn)行頻率，所以在主電路中，AB排水泵的電是由西門子變頻器提供的，具體控制系統(tǒng)主電路圖如圖5所示。

圖5 池排水泵主電路圖

4 軟件設(shè)計(jì)

利用博圖軟件給城市排水監(jiān)控系統(tǒng)編寫程序。根據(jù)城市排水泵站監(jiān)控系統(tǒng)的控制要求，在程序中，編寫了水位判斷、模擬量信號采集處理及保護(hù)措施等等。

4.1水位判斷

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，且模擬水流運(yùn)行中，當(dāng)檢測A池水位低于一定值時(shí)，A池進(jìn)水閥打開，當(dāng)水位高于一定值，A池進(jìn)水閥關(guān)閉，同時(shí)打開B池進(jìn)水閥，然后檢測B池水位是否低于一定值，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ?，B池進(jìn)水閥打開，當(dāng)水位高于一定值后，且A池水位低于高限水位，就再次打開A池進(jìn)水閥，依次循環(huán)下去，

4.2模擬處理模擬量信號

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)A池進(jìn)水閥打開或B池進(jìn)水閥打開時(shí)，PLC檢測到有雨水或工業(yè)廢水或生活廢水時(shí)，A或B集水池開始根據(jù)實(shí)際進(jìn)水，進(jìn)水力度根據(jù)雨水模擬按鈕、工業(yè)廢水按鈕和生活廢水按鈕而定。

4.3定時(shí)停機(jī)保護(hù)

在總水池排水中，當(dāng)檢測到水位高于一定值時(shí)，一號總水池排水泵啟動，并且定時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，立即停止一號總水池排水泵，啟動二號總水池排水泵，定時(shí)相同時(shí)間，當(dāng)時(shí)間到，停止二號總水池排水泵，啟動一號總水池排水泵，以次循環(huán)。

4.4緊急排水

在總水池排水中，當(dāng)檢測到水位高于上限值時(shí)，一號總水池排水泵和二號總池排水泵輪流運(yùn)行，并且總池緊急排水泵啟動。

5 總結(jié)

本文主要介紹了基于西門子PLC和WINCC的城市排水泵站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含硬件和軟件兩個方面。硬件設(shè)計(jì)方面，各硬件設(shè)備根據(jù)系統(tǒng)的控制要求進(jìn)行了選型并對西門子s7-1200PLC外部電路接線進(jìn)行了設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)方面組態(tài)了城市排水模擬過程，編寫了模擬梯形圖，并且進(jìn)行仿真調(diào)試，可在實(shí)際工程中進(jìn)行運(yùn)用，極大的節(jié)省了調(diào)試時(shí)間和設(shè)計(jì)成本。