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前言

城市最初發展規劃的時候，沒有重視排水設施，導致我國許多城市幾乎年年都會發生內澇。這些年來，我國許多城市都發生過內澇，我國大部分城市發展過程中都要面臨內澇這個嚴峻的問題。2004年7月，北京市持續下了四個小時的大雨，導致市內40多條道路漫出積水。2005、2007以及2010年，廣州市均發生了強烈降雨，市內大面積被水淹沒，嚴重影響了交通。最嚴重的要屬靠近長江的城市了，基本上只要發生暴雨，就一定會出現內澇了。近些年來，內澇也導致了不少市民的傷亡。隨著內澇的不斷發生，各地政府都注意到排水系統的重要性，內澇發生后，南昌市、廣州市、武漢市都投入大量的資金用來建設城市的排水設施，但是效果不是很明顯，內澇還是時有發生。然而青島的老城區還是用的原來的排水系統，這套系統是德國人在100多年前設計并建好的，該系統一直完美的用到現在，從來沒發生過洪澇，發達國家的許多城市排水的能力也是比我國強上很多，看來我國的城市排水技術還是遠遠不夠的，也是很有必要借鑒下別的國家的經驗和技術。

隨著城市發展越來越快，越來越大，城市地下的排水設施錯綜復雜，面對這些復雜的系統，以往的傳統的管理方法已經很難去實時監控到排水的情況的。目前來看，很有必要利用現代化的技術，建立一個自動化的城市排水監控系統。自動化的城市排水泵站計算機監控系統能夠實時的監控排水情況，能夠快速的發現故障，統計城市的降雨量，發現隱患并報警。本設計是通關PLC、泵、變頻器、傳感器等構成一個自動控制系統，對城市匯集的水進行恒水位控制，模擬雨水、工業污水和生活污水的流向，以及模擬管道堵塞，集水池的切換，來確保排水系統的穩定，提高排水效率。設計這樣的系統不僅僅有上面說的好處，還可以省下大量的人力物力。

1 城市排水監控系統構成

當今，各個城市的發展情況不同，所用的城市排水系統也截然不同，傳統的繼電器

控制和先進的PLC控制都有運用到。PLC被大量的用在順序控制的系統上。順序控制就是按照系統的設計流程，在信號的控制下，在生產過程中每個執行機構有序的工作。它的優點有很多，編程方法靈活變通、速度快、安全可靠、方便檢修、性價比高等等。在本系統中，主要是通過操作按鈕及各類傳感器信號傳給PLC控制器，PLC再發出指令控制各執行機構的動作，來實現自動化控制。這些在水位的監控、管道上電磁閥的開啟或關閉以及各個泵的啟動上都有應用到。根據本設計的城市排水泵站監控的工藝特點和要求，主要采用了采用基于現場總線技術的PLC網絡控制系統。本設計是基于西門子PLC的城市排水計算機監控系統，其中PLC、WINCC以及實際設備是主要組成部分。如圖1所示為系統結構總圖。

圖1 系統結構總圖

在本設計中，PLC是核心器件，它起著主導作用，PLC主要控制現場設備的正常運作，并且及時的把信息發送到工作站操作操作設備上和WINCC監控站監控畫面中去，在設計中，比如水位的檢測、指示燈的顯示、開關按鈕起停信號、水泵起停控制，繼電器的閉合與斷開、電磁閥的通斷和變頻器運行頻率等等。

WINCC監控系統主要是起到將PLC輸送過來的信號數據顯示在監控畫面內，以便工作人員得到現場的第一時間內所有數據信號，比如指示燈的亮滅、閥門的開關，液位的數值顯示以及水泵的運行狀態等等，WINCC在監控現場設備的正常運作的同時，他還能向現場發送一些數據信號，比如控制按鈕開關和閥門的打開或閉合等等。在WINCC監控軟件內，可以清楚的看到現場設備的工作情況，而且也可以發送數據到PLC緊急停止控制設備，起到保護作用。

2 城市排水泵站控制系統設計

本次設計基于西門子PLC和WINCC仿真，用模擬傳感器和模擬開關等外部設備將城市排水監控過程中的信號處理后送到處理器將其處理，由PLC對數據進行運算處理，然后控制現場設備的運行來完成城市排水泵站監控控制系統的自動化高效運作、準確的操作。

本設計的控制系統是全自動控制的，啟動WINCC仿真運行后，只要啟動開始按鈕，PLC將通過博圖軟件所編寫的相應程序對城市下水道排水過程進行控制，通過輸出繼電器的動作來控制水泵的起停和管道閥門關和開的監控，指示燈的亮滅來實現完成對系統狀態的顯示，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控和下水管道暢通情況。

（1）當按下啟動按鈕后，運行指示等亮起，在WINCC仿真監控系統內設立了雨水集水、工業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立了三個對應的管道堵塞控制閥門，一旦模擬管道堵塞，控制閥門立即關閉，并且報警提示工作人員，對應管道內出現堵塞現象，提示處理。

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

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

（4）在總水池排水過程中，設置了3個排水泵，而3個排水泵對應的排水泵。其中一號總池排水泵和二號總池排水泵是相互切換運行的，而總池緊急排水泵是根據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，三個排水泵都不運行，當水位高于低水位界線時，一號總池排水泵自動啟動，并且運行一定時間內，自動停止降溫冷卻，切換到二號總池排水泵自動啟動，并且也運行一定時間內，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切換運行。

（6）當總集水池水位高于高水位界線時，系統報警燈報警提示工作人員，總集水池水位過高，并且系統自動發送信號啟動總池緊急排水泵，直到水位降到安全水位線時，緊急排水泵自動停止，保證系統安全運行。

根據以上控制要求，設計出一套完整的城市排水泵站監控系統示意圖，如圖2所示。

圖2 城市排水系統示意圖

3 控制系統硬件配置

可編程序邏輯控制器（PLC）是專門為了工業自動化而設計的，它是一種數字運算操作的系統。它通過可編程的存儲器在它的內部存儲執行順序控制、邏輯運算、定時計數和算數運算等操作指令，并且利用數字量和模擬量的輸入與輸出來控制多種生產過程。

本系統需要3個模擬量輸入，9個數字量輸入以及10個數字量輸出，在配置時需要一定的余量的。綜合各個方面的因素。本設計采用了西門子s7-1200PLC，CPU1214C，一個4路的模擬量模塊，已經完全可以滿足城市排水監控系統設計的需求了。

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

3.1控制系統PLC的I/0地址分配表

根據這個城市排水泵站計算機監控系統的設計，一共需要9個數字量輸入，10個數字量輸出和3個模擬量輸入。分別如表1，表2和表3所示。

表1 數字輸入分配表

表2 數字輸出分配表　　

表3 模擬量輸入分配表　　

根據城市排水泵站計算機控制系統的控制要求，PLC型號為西門子S7-1200CPU1214C。本系統所需要西門子PLC數字量輸入I/O點數為9個，數字量輸出I/O點數為10個。根據系統要求畫出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控制系統電氣接線圖

根據城市排水泵站計算機監控系統的控制要求，控制系統主電路設計圖主要由排水泵電機構成。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驅動中間繼電器控制交流接觸器來控制電機直接啟動，所以它們的電源直接接在三相交流電源上，部分控制系統電路中有熔斷、熱繼電器兩大保護裝置及互鎖、自鎖功能。

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

圖5 池排水泵主電路圖

4 軟件設計

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

4.1水位判斷

當系統運行過程中，且模擬水流運行中，當檢測A池水位低于一定值時，A池進水閥打開，當水位高于一定值，A池進水閥關閉，同時打開B池進水閥，然后檢測B池水位是否低于一定值，當低于一定值，B池進水閥打開，當水位高于一定值后，且A池水位低于高限水位，就再次打開A池進水閥，依次循環下去，

4.2模擬處理模擬量信號

當系統運行過程中，當A池進水閥打開或B池進水閥打開時，PLC檢測到有雨水或工業廢水或生活廢水時，A或B集水池開始根據實際進水，進水力度根據雨水模擬按鈕、工業廢水按鈕和生活廢水按鈕而定。

4.3定時停機保護

在總水池排水中，當檢測到水位高于一定值時，一號總水池排水泵啟動，并且定時，當定時時間到，立即停止一號總水池排水泵，啟動二號總水池排水泵，定時相同時間，當時間到，停止二號總水池排水泵，啟動一號總水池排水泵，以次循環。

4.4緊急排水

在總水池排水中，當檢測到水位高于上限值時，一號總水池排水泵和二號總池排水泵輪流運行，并且總池緊急排水泵啟動。

5 總結

本文主要介紹了基于西門子PLC和WINCC的城市排水泵站監控系統的設計。系統設計包含硬件和軟件兩個方面。硬件設計方面，各硬件設備根據系統的控制要求進行了選型并對西門子s7-1200PLC外部電路接線進行了設計；軟件設計方面組態了城市排水模擬過程，編寫了模擬梯形圖，并且進行仿真調試，可在實際工程中進行運用，極大的節省了調試時間和設計成本。