摘要：根據(jù)小浪底進(jìn)水塔滲漏積水的特點(diǎn)和排水系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計(jì)了以PLC和觸摸屏為核心的滲漏排水自動(dòng)控制系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的構(gòu)成、PLC與觸摸屏組合的硬件配置以及軟件設(shè)計(jì)。帶控制功能的觸摸屏作為上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控及運(yùn)行記錄，給系統(tǒng)的安全分析、事故排查、水位數(shù)據(jù)分析提供了可靠的信息；PLC作為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制核心，同時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)傳感器的數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)安全可靠、操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)方便。
關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；PLC；觸摸屏；滲漏排水系統(tǒng)

0 引言
    小浪底進(jìn)水塔的兩個(gè)滲漏集水池位于大壩的底部，潛水泵、離心泵等排水設(shè)備和原來(lái)的電氣控制柜則位于集水池上方的滲漏排水泵房?jī)?nèi)。工作人員只能根據(jù)巡查情況，就地手動(dòng)控制進(jìn)行排水，由于小浪底進(jìn)水塔滲漏水在水量和時(shí)間上有很大的隨機(jī)性和不確定性(會(huì)依據(jù)天氣和季節(jié)變化的不同而不同)，這就給操作人員和大壩的管理帶來(lái)了很大的困難，曾經(jīng)就出現(xiàn)過由于短時(shí)間內(nèi)積水過多，大壩底部廊道內(nèi)的部分檢測(cè)設(shè)備被淹(包括滲漏排水設(shè)備本身)的情況，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失；且由于電氣控制柜位于大壩底部，環(huán)境潮濕，滲漏水滴經(jīng)常落到控制柜上，造成控制柜電氣元件受潮，出現(xiàn)短路或拒動(dòng)，給滲漏排水系統(tǒng)的控制帶來(lái)了很大的麻煩。因此有必要將電氣控制柜上移至進(jìn)水塔塔面，改善運(yùn)行環(huán)境，并將2個(gè)集水池的排水設(shè)備用一套控制設(shè)備來(lái)進(jìn)行集中監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)主要采用自動(dòng)控制方式，根據(jù)滲漏水量的大小及時(shí)啟動(dòng)排水量較小的潛水泵和排水量較大的離心泵進(jìn)行排水，以保證泵房安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 工藝流程和監(jiān)控要求
1．1 工藝流程
    進(jìn)水塔滲漏水量較小時(shí)，經(jīng)過一定時(shí)間的積累，達(dá)到主用潛水泵啟動(dòng)水位2．40 m，用主用潛水泵D3進(jìn)行排水；當(dāng)水量增大時(shí)，達(dá)到備用潛水泵啟動(dòng)水位2．60 m，增加備用潛水泵D4進(jìn)行排水；在此過程中，若水位回落到停泵水位1．5 m時(shí)，則停止?jié)撍?。若水量進(jìn)一步增大時(shí)，以致達(dá)到主用離心泵啟動(dòng)水位2．80 m和備用離心泵啟動(dòng)水位3．00 m時(shí)，則分別啟動(dòng)主用離心泵D1和備用離心泵D2進(jìn)行排水。此時(shí)潛水泵作為離心泵的充水泵，同時(shí)啟動(dòng)潛水泵D3、D4，打開充水電磁閥Z1(或Z2)，延時(shí)3 min左右并且達(dá)到一定壓力要求后啟動(dòng)離心泵并打開排水電動(dòng)閥門F1(或F2)進(jìn)行排水，然后關(guān)閉潛水泵D3、D4和電磁閥Z1(或Z2)。在排水過程中，如果水位回落到停泵水位1．50 m，則關(guān)閉離心泵。在關(guān)閉離心泵時(shí)，要先關(guān)閉相應(yīng)的電動(dòng)閥F1或F2，然后再關(guān)閉離心泵。其滲漏排水設(shè)備布置如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)要求
    整個(gè)系統(tǒng)由2個(gè)電力中心進(jìn)行供電，控制設(shè)備對(duì)供電進(jìn)行選擇，以確保系統(tǒng)在任何一個(gè)電力中心電源正常的情況下都能夠正常工作。
    在控制柜的控制面板上安裝有自動(dòng)／手動(dòng)／觸摸屏手動(dòng)三位切換旋鈕，以及各個(gè)設(shè)備的手動(dòng)控制旋鈕，通過控制面板和觸摸屏可以對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制。
    在集水池中安裝兩套水位計(jì)，以確保在任何一套水位計(jì)正常的情況下，滲漏排水系統(tǒng)都能夠正常工作。
一套水位計(jì)采用節(jié)點(diǎn)式的，檢測(cè)4個(gè)啟泵水位和一個(gè)停泵水位；另一套采用模擬式的，不但可以在觸摸屏上顯
示集水池的實(shí)時(shí)水位，而且還可以通過PLC內(nèi)部的算法模擬出與節(jié)點(diǎn)式的水位計(jì)等同的水位信號(hào)，然后與節(jié)點(diǎn)式水位計(jì)的信號(hào)進(jìn)行并聯(lián)，以確保整個(gè)控制系統(tǒng)控制信息的可靠性。
    當(dāng)水位達(dá)到備用離心泵啟動(dòng)水位(即警戒水位)時(shí)，報(bào)警電鈴自動(dòng)鳴響，報(bào)警指示燈閃爍，工作人員發(fā)現(xiàn)警戒情況后，可以按下相應(yīng)按鈕，關(guān)閉電鈴；但報(bào)警指示燈仍閃爍報(bào)警，直至水位回落到警戒水位以下。
    本系統(tǒng)的監(jiān)控部分包括：兩路電源的供電情況；2#明流塔和3#發(fā)電塔的水位高程及集水井水位信息；所有電氣設(shè)備原件如兩塔潛水泵、離心泵、電動(dòng)閥、電磁閥等動(dòng)作情況；正常時(shí)水流量及啟泵后排水量的監(jiān)控等。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
    本系統(tǒng)上位機(jī)采用Nematron公司的PV6100i系列觸摸屏，下位機(jī)采用GE公司PLC。觸摸屏可讀取PLC中所有的輸入、輸出寄存器，內(nèi)部寄存器等的值，動(dòng)態(tài)顯示水位高低，設(shè)備運(yùn)行情況等，并能采集、顯示水位信息和歷史動(dòng)作，方便工作人員的監(jiān)控。PLC控制輸入、輸出信號(hào)的邏輯關(guān)系，控制接觸器驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的閥門、水泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。二者通信時(shí)PLC出口為RS 485，觸摸屏入口為RS 232。
2．1上位機(jī)硬件構(gòu)成
    PV6100i系列觸摸屏擁有良好的人機(jī)界面，能在最大程度上提高一般控制系統(tǒng)或PLC工作站應(yīng)用的綜合能力。開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)單，可以與主流PLC進(jìn)行無(wú)縫連接；支持多種USB設(shè)備。
    該系統(tǒng)采用的觸摸屏特征參數(shù)為：4線純電阻式觸摸屏；寬屏幕800×480；TFT液晶人機(jī)界面；24 V直流供電；128 MB閃存；68 MB DDR2隨機(jī)存儲(chǔ)器；自帶32位的RISC400 MHz處理器；支持多種接口：1個(gè)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個(gè)USB主從機(jī)接口；支持SD卡等。
2．2 下位機(jī)的硬件構(gòu)成
    本控制系統(tǒng)主要有一個(gè)PLC控制柜和一個(gè)動(dòng)力柜組成。新控制系統(tǒng)把2個(gè)泵房中的電動(dòng)閥、電磁閥、潛水泵、離心泵等用信號(hào)電纜和動(dòng)力電纜分別接入PLC柜和動(dòng)力柜內(nèi)。
    系統(tǒng)PLC采用GE Fanuc公司生產(chǎn)的系列90-30PLC。該系列PLC具有強(qiáng)大的功能，能滿足各種工業(yè)解決方案的要求，已有的記錄表明它在200 000多項(xiàng)應(yīng)用中被采用。
    通過對(duì)系統(tǒng)的輸入設(shè)備和控制對(duì)象的分析，本系統(tǒng)選用IC693CPU350型CPU，共用2個(gè)開量輸出模塊，4個(gè)開關(guān)量輸入模塊，1個(gè)模擬輸入模塊，安裝在1個(gè)10槽基架上。其中實(shí)際使用輸入62點(diǎn)、輸出28點(diǎn)、模擬輸入2點(diǎn)。具體選擇PLC硬件模塊如下：
    (1)CPU模塊型號(hào)：IC693CPU350，該CPU基于高性能的386EX處理器，能夠?qū)崿F(xiàn)快速計(jì)算和大吞吐量；
    (2)背板：選用1塊10槽的IC693CHS391背板，用于支持各模塊的安裝；
    (3)電源模塊：選用IC693PWR321，為PLC系統(tǒng)提供充足的電源；
    (4)離散量輸入模塊：選用4塊IC693MDL645，用于接收現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)離散量信號(hào)；
    (5)離散量輸出模塊：選用2塊。IC693MDL741，用于控制現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)設(shè)備；
    (6)模擬量輸入模塊：選用IC693ALG221，用于采集2個(gè)集水池的水位高度信號(hào)和2個(gè)泵房的排水流量。

3 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成
3．1上位機(jī)軟件
    上位機(jī)采用觸摸屏內(nèi)置屏幕設(shè)計(jì)程序ViewBuilder 8000進(jìn)行界面編程。它具有豐富的圖形庫(kù)和強(qiáng)大的圖形組態(tài)工具，支持報(bào)警管理、安全管理、趨勢(shì)管理、菜單管理等功能，使得開發(fā)和應(yīng)用管理更加方便。觸摸屏編程時(shí)，通過USB接口與PC機(jī)相連。
    本系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)包括主界面的設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)參數(shù)顯示設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)曲線設(shè)計(jì)、歷史記錄設(shè)計(jì)等；系統(tǒng)的畫面設(shè)計(jì)所應(yīng)用的主要元件包括字符串設(shè)定、觸摸鍵設(shè)定、畫面切換、數(shù)值顯示、歷史曲線及歷史趨勢(shì)圖等。
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)了2個(gè)滲漏排水泵房中各個(gè)設(shè)備的手動(dòng)控制界面，根據(jù)滲漏排水泵房?jī)?nèi)排水設(shè)備的實(shí)際位置設(shè)計(jì)了仿真畫面，動(dòng)態(tài)顯示出現(xiàn)場(chǎng)的潛水泵、離心泵、電動(dòng)閥、電磁閥等設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示水位的高度、流量的大小。還設(shè)計(jì)了2個(gè)泵房的聯(lián)合監(jiān)控界面，便于用戶的操作(如圖2所示，其中水位高程為集水井水位再加一個(gè)基準(zhǔn)高程)。各個(gè)界面下設(shè)有切換按鈕，可以方便地切換到其他界面。并且利用觸摸屏的數(shù)據(jù)記錄功能，記錄水位、流量信息及潛水泵、離心泵、電動(dòng)閥、電磁閥等設(shè)備開關(guān)時(shí)間信息等，并形成實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)畫面；可定期導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后形成Excel文檔，便于在PC機(jī)上進(jìn)行后期分析處理。

3．1．1 參數(shù)設(shè)定：
    由于ViewBuilder 8000軟件適用于幾個(gè)系列的機(jī)型，在編程開始時(shí)，要選擇與本項(xiàng)目所對(duì)應(yīng)的機(jī)型。本項(xiàng)目使用的是PV-6100i系列觸摸屏，故選擇PV-8070iH／PV-6100i／PV-8100i(800x480)，并選擇相應(yīng)的PLC類型(GE Fanuc SNP-X)。
    設(shè)置通信參數(shù)：觸摸屏的通信參數(shù)必須與PLC一致，否者二者不能進(jìn)行通信。接口類型為RS232，采用COM1口通信，波特率為19200b／s，數(shù)據(jù)位8位，奇偶校驗(yàn)為奇校驗(yàn)，停止位1位。
3．1．2 相關(guān)信息的采樣與顯示：
    水位信息的采樣與顯示：本系統(tǒng)的水位信息采樣分為2部分：周期采樣和觸發(fā)采樣。
    (1)周期采樣。PLC將水位傳感器采集到的2#明流塔水位高程、集水井水位以及3#發(fā)電塔水位高程、集水井水位等水位信息分別存入其內(nèi)部寄存器R1，R3，R5，R7當(dāng)中。每隔120 min，觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，通過讀取PLC的內(nèi)部寄存器，可獲得水位信息，還可以保存讀取到的數(shù)據(jù)，以歷史數(shù)據(jù)的方式顯示以往的水位信息，方便工作人員分析水位速度和趨勢(shì)。
    (2)觸發(fā)采集。一旦2#明流塔或3#發(fā)電塔的水泵啟動(dòng)工作，便觸發(fā)相應(yīng)塔的水位信息采樣，每隔1 min，觸摸屏就讀取分別保存在PLC的內(nèi)部寄存器R1，R3，R5，R7中的水位信息，進(jìn)行1次采樣。這樣可以獲得泵啟動(dòng)后水位變化的實(shí)時(shí)信息，便于工作人員掌握水泵的排水量和排水能力。并保存讀取到的數(shù)據(jù)，方便工作人員的查詢。
    動(dòng)作采樣及顯示：觸摸屏可以讀取PLC的內(nèi)部所有輸入寄存器，輸出寄存器，內(nèi)部寄存器的值，并存儲(chǔ)在自己的寄存器當(dāng)中，當(dāng)PLC的輸入輸出狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，其寄存器的值就會(huì)發(fā)生改變，觸摸屏便采集并保存下來(lái)，工作人員可以方便的查詢?cè)O(shè)備何時(shí)動(dòng)作、何時(shí)恢復(fù)原狀態(tài)，充分掌握該系統(tǒng)的運(yùn)行情況(如圖3所示)。

    (3)歷史數(shù)據(jù)、歷史動(dòng)作的顯示。觸摸屏在對(duì)信息采樣的同時(shí)，便將這些信息保存在自己內(nèi)部寄存器中，工作人員可以查詢180天以內(nèi)的所有水位信息和動(dòng)作信息。也可直接用U盤下載采集到的保存在觸摸屏內(nèi)的水位信息的歷史數(shù)據(jù)及歷史動(dòng)作，利用相應(yīng)軟件，將下載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Excel文件，便于工作人員進(jìn)行研究分析，也便于將資料歸檔整理。如圖3，圖4所示。
3．2 下位機(jī)軟件
    本系統(tǒng)下位機(jī)軟件采用Windows操作系統(tǒng)下的VersaPro2．0進(jìn)行編程調(diào)試工作，該編程軟件擁有良好的人機(jī)操作界面，編程簡(jiǎn)單易行，便于用戶的調(diào)試、維修、改造等工作。軟件由主程序和六個(gè)子程序構(gòu)成，主程序用于系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)處理、通信、報(bào)警輸出和調(diào)用子程序等；六個(gè)子程序分別用于對(duì)兩個(gè)泵房的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制、手動(dòng)控制和觸摸屏手動(dòng)控制。軟件流程圖如圖5所示，其中水位高度為集水井水位高度。

4 聯(lián)合調(diào)試
    在系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試過程中，通過觸摸屏顯示的信息，發(fā)現(xiàn)有些開關(guān)量的狀態(tài)的很不穩(wěn)定，出現(xiàn)觸摸屏多次重復(fù)記錄信息或記錄有誤的情況。比如，系統(tǒng)設(shè)定，當(dāng)水位達(dá)到2．4米時(shí)，2#主潛水泵啟動(dòng)，2#水位觸發(fā)采樣進(jìn)行。然而在分析觸摸屏記錄的2#動(dòng)作信息和2#觸發(fā)采樣水位信息時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)，2#主潛水泵輸入狀態(tài)在“開”、“關(guān)”之間反復(fù)轉(zhuǎn)換，相應(yīng)記錄的觸發(fā)采樣水位信息也很混亂。在分析了可能是水位不穩(wěn)，水以波狀形式?jīng)_擊水位傳感器的緣故，在PLC控制程序中，加入了防抖動(dòng)程序，解決了該問題。

5 結(jié)語(yǔ)
    系統(tǒng)經(jīng)過改造后，可以在進(jìn)水塔塔面的控制室內(nèi)對(duì)兩個(gè)滲漏排水泵房?jī)?nèi)的設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控，改善了系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。該系統(tǒng)采用的以GE 90-30 PLC為中心構(gòu)建自動(dòng)／手動(dòng)控制系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，大大減輕了操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。觸摸屏的友好界面和歷史數(shù)據(jù)記錄功能，不僅給操作帶來(lái)了方便，而且記錄了泵房的運(yùn)行狀況，給自身系統(tǒng)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數(shù)據(jù)來(lái)源。該系統(tǒng)投運(yùn)一年多來(lái)工作穩(wěn)定正常，用戶反應(yīng)良好。