0 引言
河南省某大壩進水塔的兩個滲漏集水池位于大壩的底部，潛水泵、離心泵等排水設備和原來的電氣控制柜則位于集水池上方的滲漏排水泵房內。工作人員只能根據巡查情況，就地手動控制進行排水，由于進水塔滲漏水在水量和時間上有很大的隨機性和不確定性（會依據天氣和季節變化的不同而不同），這就給操作人員和大壩的管理帶來了很大的困難，曾經就出現過由于短時間內積水過多，大壩底部廊道內的部分檢測設備被淹（包括滲漏排水設備本身）的情況，造成了很大的經濟損失；且由于電氣控制柜位于大壩底部，環境潮濕，滲漏水滴經常落到控制柜上，造成控制柜電氣元件受潮，出現短路或拒動，給滲漏排水系統的控制帶來了很大的麻煩。因此有必要將電氣控制柜上移至進水塔塔面，改善運行環境，并將兩個集水池的排水設備用一套控制設備來進行集中監控。控制系統主要采用自動控制方式，根據滲漏水量的大小及時啟動排水量較小的潛水泵和排水量較大的離心泵進行排水， 以保證泵房的安全穩定運行。
1 工藝流程與監控要求
1.1 工藝流程
進水塔滲漏水量較小時，經過一定時間的積累，達到主用潛水泵啟動水位 2.40m，用主用潛水泵 D3 進行排水；當水量增大時，達到備用潛水泵啟動水位 2.60m，增加備用潛水泵D4進行排水；在此過程中，若水位回落到停泵水位 1.5m時，則停止潛水泵；若水量進一步增大，以致達到主用離心泵啟動水位 2.80m和備用離心泵啟動水位 3.00m時，則分別啟動主用離心泵 D1 和備用離心泵 D2 進行排水。此時潛水泵作為離心泵的充水泵，同時啟動潛水泵 D3、D4，打開充水電磁閥 Z1（或 Z2），延時 3 分鐘左右并且達到一定壓力要求后啟動離心泵并打開排水電動閥門 F1（或 F2）進行排水，然后關閉潛水泵 D3、D4 和電磁閥 Z1（或 Z2）。在排水過程中，若水位回落到停泵水位 1.50m，則關閉離心泵。在關閉離心泵時， 要先關閉相應的電動閥 F1 或 F2， 然后再關閉離心泵。 其滲漏排水設備布置如圖 1所示。
1.2 系統要求
整個系統由兩個電力中心進行供電，控制設備對供電進行選擇，以確保系統在任何一個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/手動/觸摸屏手動三位切換旋鈕， 以及各個設備的手動控制旋鈕，通過控制面板和觸摸屏可以對各個設備進行手動控制。
在集水池中安裝兩套水位計，以確保在任何一套水位計正常的情況下，滲漏排水系統都能夠正常工作。一套水位計采用節點式的，檢測四個啟泵水位和一個停泵水位；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時水位，而且還可以通過PLC內部的算法模擬出與節點式的水位計等同的水位信號，然后與節點式水位計的信號進行并聯，以確保整個控制系統控制信息的可靠性。
當水位達到備用離心泵啟動水位（即警戒水位）時，報警電鈴自動鳴響，報警指示燈閃爍，工作人員發現警戒情況后，可以按下相應按鈕，關閉電鈴；但報警指示燈仍閃爍報警，直至水位回落到警戒水位以下。
本系統的監控部分包括：兩路電源的供電情況；2#明流塔和 3#發電塔的水位高程及集水井水位信息；所有電氣設備原件如兩塔潛水泵、離心泵、電動閥、電磁閥等動作情況；正常時水流量及啟泵后排水量的監控等。
2 系統硬件構成
本系統上位機采用 Nematron 公司的PV6100i 系列觸摸屏，下位機采用 GE 公司 PLC。觸摸屏可讀取 PLC 中所有的輸入、輸出寄存器，內部寄存器等的值，動態顯示水位高低，設備運行情況等，并能采集、顯示水位信息和歷史動作，方便工作人員的監控。PLC 控制輸入、輸出信號的邏輯關系，控制接觸器驅動現場的閥門、水泵等執行機構。二者通訊時PLC 出口為RS-485,觸摸屏入口為RS-232。
2.1 上位機硬件
PV6100i 系列觸摸屏擁有良好的人機界面，能在最大程度上提高一般控制系統或 PLC工作站應用的綜合能力。開發環境簡單，可以與主流PLC 進行無縫連接；支持多種 USB 設備。
該系統采用的觸摸屏特征參數為：4線純電阻式觸摸屏；寬屏幕800×480；TFT 液晶人機界面； 24V直流供電； 128MB閃存； 68MB DDR2隨機存儲器； 自帶32位的RISC 400MHz處理器； 支持多種接口： 1個串口 COM1(RS -232/ RS-485 2W/4W),串口 COM2 (RS-232)，串口COM3(RS-232/RS-485 2W)；1 個USB主從機接口；支持 SD卡等。
2.2 下位機硬件
本控制系統主要有一個PLC 控制柜和一個動力柜組成。新控制系統把兩個泵房中的電動閥、電磁閥、潛水泵、離心泵等用信號電纜和動力電纜分別接入PLC 柜和動力柜內.
系統PLC 采用GE Fanuc公司生產的系列 90-30 PLC。該系列PLC具有強大的功能，能滿足各種工業解決方案的要求，已有的記錄表明它在 200000多項應用中被采用。
通過對系統的輸入設備和控制對象的分析，本系統選用 IC693CPU350 型 CPU，共用 2個開量輸出模塊，4個開關量輸入模塊，1個模擬輸入模塊，安裝在1 個 10 槽基架上。其中實際使用輸入 62點、輸出 28點、模擬輸入2點。具體選擇PLC 硬件模塊如下：
（1）CPU 模塊型號：IC693CPU350，該 CPU 基于高性能的 386EX 處理器，能夠實現快速計算和大吞吐量；
（2）背板：選用一塊 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，用于接收現場各個離散量信號；
（5）離散量輸出模塊：選用 2塊 IC693MDL741，用于控制現場的各個設備；
（6）模擬量輸入模塊：選用 IC693ALG221，用于采集兩個集水池的水位高度信號和兩個泵房的排水流量；
3 系統軟件構成
3.1 上位機軟件
上位機采用觸摸屏內置屏幕設計程序 ViewBuilder 8000進行界面編程。 它具有豐富的圖形庫和強大的圖形組態工具，支持報警管理 、安全管理 、趨勢管理、菜單管理等功能，使得開發和應用管理更加方便。觸摸屏編程時，通過USB 接口與PC 機相連。
本系統人機界面的設計包括主界面的設計、實時參數顯示設計、實時曲線設計、歷史記錄設計等；系統的畫面設計所應用的主要元件包括字符串設定、觸摸鍵設定、畫面切換、數值顯示、歷史曲線及歷史趨勢圖等。
系統設計了兩個滲漏排水泵房中各個設備的手動控制界面， 根據滲漏排水泵房內排水設備的實際位置設計了仿真畫面，動態顯示出現場的潛水泵、離心泵、電動閥、電磁閥等設備的開關狀態，并實時顯示水位的高度、流量的大小。還設計了兩個泵房的聯合監控界面，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基準高程）。各個界面下設有切換按鈕，可以方便的切換到其它界面。并且利用觸摸屏的數據記錄功能，記錄水位、流量信息及潛水泵、離心泵、電動閥、電磁閥等設備開關時間信息等，并形成實時和歷史趨勢畫面；可定期導出歷史數據，經過處理后形成 Excel 文檔，便于在 PC 機上進行后期分析處理。
3.1.1參數設定
由于ViewBuilder 8000軟件適用于幾個系列的機型，在編程開始時，要選擇與本項目所對應的機型。本項目使用的是 PV6100i 系列觸摸屏，故選擇PV-8070iH/PV-6100i/PV-8100i(800x480)，并選擇相應的PLC 類型(GE Fanuc SNP-X)。
設置通訊參數：觸摸屏的通訊參數必須與 PLC 一致，否者二者不能進行通訊。接口類型為 RS-232，采用 COM1 口通訊，波特率為 19200，數據位 8 位，奇偶校驗為奇校驗，停止位 1位。
3.1.2相關信息的采樣與顯示
1、水位信息的采樣與顯示：
本系統的水位信息采樣分為兩部分：1、周期采樣；2、觸發采樣。
（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#發電塔水位高程、集水井水位等水位信息分別存入其內部寄存器 R1,R3,R5,R7當中。每隔 120 分鐘，觸摸屏進行數據采樣，通過讀取PLC的內部寄存器，可獲得水位信息，還可以保存讀取到的數據，以歷史數據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。
（2）觸發采集：
一旦 2#明流塔或 3#發電塔的水泵啟動工作，便觸發相應塔的水位信息采樣，每隔 1 分鐘，觸摸屏就讀取分別保存在 PLC 的內部寄存器 R1,R3,R5,R7 中的水位信息，進行 1 次采樣。這樣可以獲得泵啟動后水位變化的實時信息，便于工作人員掌握水泵的排水量和排水能力。并保存讀取到的數據，方便工作人員的查詢。
2、動作采樣及顯示：
觸摸屏可以讀取 PLC 的內部所有輸入寄存器，輸出寄存器，內部寄存器的值，并存儲在自己的寄存器當中，當 PLC 的輸入輸出狀態發生變化時，其寄存器的值就會發生改變，觸摸屏便采集并保存下來，工作人員可以方便的查詢設備何時動作、何時恢復原狀態，充分掌握該系統的運行情況。
3、歷史數據、歷史動作的顯示：
觸摸屏在對信息采樣的同時，便將這些信息保存在自己內部寄存器中，工作人員可以查詢 180 天以內的所有水位信息和動作信息。也可直接用 U 盤下載采集到的保存在觸摸屏內的水位信息的歷史數據及歷史動作，利用相應軟件，將下載數據轉換成excel文件，便于工作人員進行研究分析，也便于將資料歸檔整理。如圖 3、圖 4所示。
3.2 下位機軟件
本系統下位機軟件采用 Windows操作系統下的VersaPro2.0進行編程調試工作，該編程軟件擁有良好的人機操作界面，編程簡單易行，便于用戶的調試、維修、改造等工作。軟件由主程序和六個子程序構成，主程序用于系統初始化、數據處理、通訊、報警輸出和調用子程序等； 六個子程序分別用于對兩個泵房的設備進行自動控制、 手動控制和觸摸屏手動控制。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 聯合調試
在系統聯合調試過程中，通過觸摸屏顯示的信息，發現有些開關量的狀態的很不穩定，出現觸摸屏多次重復記錄信息或記錄有誤的情況。比如，系統設定，當水位達到2.4米時，2#主潛水泵啟動，2#水位觸發采樣進行。然而在分析觸摸屏記錄的 2#動作信息和 2#觸發采樣水位信息時發現，在一個很短的時間內，2#主潛水泵輸入狀態在“開”、“關”之間反復轉換，相應記錄的觸發采樣水位信息也很混亂。通過查詢大量資料，分析現場環境，得出了可能是因為水位不穩，水以波狀形式沖擊水位傳感器的緣故，在PLC 控制程序中加入了防抖動程序之后，解決了該問題。
5 結論
系統經過改造后， 可以在進水塔塔面的控制室內對兩個滲漏排水泵房內的設備進行集中監控，改善了系統的運行環境。該系統采用的以GE 90-30 PLC 為中心構建自動/手動控制系統，操作簡單，維護方便，運行穩定可靠，大大減輕了操作人員勞動強度。觸摸屏的友好界面和歷史數據記錄功能，不僅給操作帶來了方便，而且記錄了泵房的運行狀況，給自身系統的安全分析、事故排查、乃至水工建筑物的安全分析提供了可靠的數據來源。該系統投運一年多來工作穩定正常，用戶反應良好。