基于S7-300 PLC的取水泵站自动控制系统设计

摘要: 本文介绍了国内某大型石化企业给排水工程中海水取水泵站的自动控制系统。通过对取水泵站中关键设备的研究, 设计了合理的控制方案。控制系统基于S7-300可编程控制器和组态王组态监控软件, 该控制系统既保证了设备运行的正常可靠, 又对设备运行性能进行了合理优化。

关键词: 取水泵站; 控制方案; S7-300 PLC

Abstract: this paper introduces a domestic large petrochemical enterprise in water supply and drainage project of sea water pump station of the automatic control system. Through water pumping station to the key equipment in the research, design the reasonable control scheme. Control system based on S7-300 PLC and configuration king configuration monitoring software, this system not only ensure the equipment running normal and reliable, and the equipment operation performance optimization.

Keywords: water pump station; Control project; S7-300 PLC

中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：

聚酯纤维是我国合成纤维中生产及消费量最大、应用领域最宽的品种，而生产聚酯纤维需要大量的冷却水。本工程中海水经取水泵站的海水提升泵加压后，通过输送管道送入空压机冷却设备，进行热交换后排放。在大型生产企业的给排水工程中,合理地设计取水泵站的控制系统, 选择高质量且稳定的控制设备是很重要的。本文介绍了国内某大型石化企业给排水工程中取水泵站的自动控制系统。

1取水泵站自动控制系统的设计要求

按照项目的建设规模，结合厂区工艺的需要，供水流量要求为55000m3/h，所需压力为0.39MPa。LB型立式长轴泵，可以满足本工程的流量和扬程，效率较高，可达86%以上，配套电机功率较低，为1600kW，可以地面安装，节省结构投资，安装维护管理方便。根据供水量需求及生产机组的距离等设计条件, 本着经济节能的原则, 取水泵站设置5台功率为1600kW的10kV高压LB型立式长轴泵作为取水主泵，每台流量11000m3/h，扬程0.39MPa。该化工厂选址于海边, 因此设计时选用的是岸边式取水泵站, 整个取水泵站分为取水头部、引水箱涵、取水泵房、供电控制室等几部份，另配有相关辅助设备, 如格栅清污机、旋转滤网、电解制氯机组等。

2现场控制要求与工艺控制方案

2. 1现场控制要求

根据生产实际需要, 取水泵控制系统采用集中管理、分散控制的集散型控制系统。取水泵站现场设备设三级控制：就地、泵站控制室监控系统、化工厂控制中心监控系统。上、下控制级之间，下级控制的优先权高于上级。各级均设有“就地/遥控”两种方式，各设备均可通过“就地/遥控”选择开关切换实现手动操作远程控制的切换。

2. 2工艺控制方案

取水泵站共有5套设备, 其中每套设备包括1块格栅、1台旋转滤网、1台高压泵、1个电动出口阀，5套设备共用一台移动式格栅清污机。5台泵对应5个吸水池, 吸水后送入厂区冷却水供水主管。在每台主泵出口处装有智能压力变送仪表, 便于监控每台水泵的出口水压。

2.2.1 监控信号的采集

为了实现泵站设备的自动运行和状态监控，泵站控制室PLC站需采集和监控的内容包括：

1) 泵站格栅除污机前液位，旋转滤网前后液位；

2) 单泵出口压力；

3) 格栅除污机和旋转滤网运行工况；

4) 机组开停一步化控制；

5) 泵机故障监测和保护（包括电机绕组/轴承温度、水泵轴承温度等的监测）；

6) 电动阀门故障监测和保护；

7) 通过现场总线接收 10/0.4KV变电所高压开关柜上综合保护单元采集的信号，包括 10KV 进线断路器、联络断路器、馈线断路器工况；10KV 进线电流、电压、电度、功率因数。

8) 通过现场总线接收低压开关柜上智能断路器采集的信号，包括进线断路器、联络断路器工况、进线电流、电压、电度、功率因数和低压水泵电机电流、有功功率、电度。

9) 泵站出水总管流量、压力（根据泵站总管出口流量控制 NaCLO 加注量）；

10) 泵站内反冲洗泵运行工况；

2.2.2 取水主泵的启停

本工程采用5台功率为1600kW的10kV高压LB型立式长轴泵，功率较大；为减小高压泵启动时对10kV 母排的冲击，取水泵电机采用固态软起动方式实现平滑起动。启动使用高压断路器位信号, 可以选择程控启动和单机手操启动。在设备运行中, 通过对其自身相关参数, 如定子温度、驱动端轴承温度、非驱动端轴承温度和电动机电流等进行监控, 也对电动机工作环境如水位高度等进行监控。利用传感器输入这些模拟量, 并与设定好的计算值进行比较, 来判断电动机是否处于正常运行环境, 保证设备运行稳定和状态可控。

取水主泵启动和停机的控制要求：

1）启动前的准备

a. 开机组冷却和水系统的阀门，冷却水系统向机组供水5分钟；

b. 排气阀处于工作状态；

c. 主泵起动。

2）启动方法

a．先将阀门开至30°位置，主泵启动，阀门继续开启到全开；

b．泵和出口阀门同时启动，前10秒阀门快开，阀门在30秒内由开启至全开。

首台泵启动采用方法a启动，当共母管的多台泵中有一台泵已投入运行，其余泵亦需投入运行时，采用方法b启动其余水泵。

3）停车方法

停车时阀门与水泵电机联锁，当阀门关闭30°时，泵电机断开电源，阀门关阀时间30秒左右。

根据以上控制要求，取水主泵机旁控制箱的电气控制原理图如图1。其中，出口阀门的状态信号取自阀门智能电动执行机构的状态输出端子。现场通过选择开关SA2来切换就地/远程控制，并通过选择开关SA1来选择每台水泵的启动方法。

图1 取水主泵机旁控制箱控制原理图

3 PLC控制系统

3. 1在线检测仪表

根据工艺流程在线参数检测和控制需要配置必要的流量、压力、液位在线检测仪表：

1) 泵站出水总管设置电磁流量仪1套和压力变送器1套；

2) 单泵出水管分别设置压力变送器1套，共5套；

3) 泵站格栅除污机前设置超声波液位变送器2套；

4) 泵站旋转滤网前后共设置超声波液位变送器10套

3. 2 PLC硬件配置

根据现场要求和通信方式要求, 选用支持RS232和Ethernet 通信方式的S7-300型可编程控制器,PLC模块与上位机采用Ethernet 通信方式, 通过工业以太网交换机进行通信。配置SM321数字量输入模块2块、SM322数字量输出模块1块、SM331模拟量输入模块（用于热电阻）4块，根据配置模块总数选择机架1个。

表1 PLC系统配置表

模块名称 型 号

PS307电源模块 PS307, 120/230VAC输入, 24VDC输出，5A

CPU模块 CPU315-2 DP, 128KB RAM

信号模块SM1 SM321, 32点输入，24VDC

信号模块SM2 SM321, 32点输入，24VDC

信号模块SM3 SM322, 32点输出,120VAC, 1A

信号模块SM4 SM331，8点输入，用于热电阻

信号模块SM5 SM331，8点输入，用于热电阻

信号模块SM6 SM331，8点输入，用于热电阻

信号模块SM7 SM331，8点输入，用于热电阻

信号模块SM8 CP343-1,工业以太网通讯处理器

DIN安装导轨 DIN Rail,530MM

MMC卡 2MB MMC卡

4组态监控

系统的监控界面主要由几部分组成: 各设备的运行情况监控, 系统中管道压力等参数的实时数据,高压电动机的实时监控数据( 电流、温度等), 各个设备的手操控制、报警记录和历史趋势图等，可实现如下功能：

1)显示功能

生成取水泵站的生产工艺流程、变配电系统实时动态图，为泵站生产值班人员提供清晰、友善的人机界面，生动形象地反映生产工艺流程的实时数据、完成报警、历史数据、历史趋势曲线的存储、显示和查询。生成各类生产运行管理的班报、日报、月报和年报表。

2) 工艺参数设定功能

工艺参数设定有两大类：生产工艺控制点设定和报警限设定。在监控计算机上可实现上述工艺参数的设定。对于设定值都必须经过确认，对于错误的设定和超范围的设定计算机要进行屏蔽并送出“错误”信息，提示操作人员予以改正。

3) 控制功能

在基于图形和中文菜单的方式上，在下级释放控制优先权的情况下，操作人员通过键盘或鼠标对工艺设备进行控制。

4) 通讯功能

泵房控制室 PLC 站与泵房内现场远程控制站之间以现场总线形式通讯，泵房控制室监控计算机与NaCLO加药间PLC站（设备配套带来）之间以现场总线形式通讯。

5) 报表输出功能

泵站监控计算机接收现场上传数据，并储存于服务器硬盘中，制作出日、月、季、年报表。各种报表可按照标准格式或用户需要的格式打印。

5 结语

基于Siemens S7-300可编程控制器和组态王设计的取水泵站自动控制系统和监控界面既保证了泵站设备运行的正常可靠, 又对设备运行性能进行了合理优化。在一定程度上提高了大型取水泵站的运行效率，为大型化工企业的节能减排做出了贡献。