前言

城市最初发展规划的时候，没有重视排水设施，导致我国许多城市几乎年年都会发生内涝。这些年来，我国许多城市都发生过内涝，我国大部分城市发展过程中都要面临内涝这个严峻的问题。2004年7月，北京市持续下了四个小时的大雨，导致市内40多条道路漫出积水。2005、2007以及2010年，广州市均发生了强烈降雨，市内大面积被水淹没，严重影响了交通。最严重的要属靠近长江的城市了，基本上只要发生暴雨，就一定会出现内涝了。近些年来，内涝也导致了不少市民的伤亡。随着内涝的不断发生，各地政府都注意到排水系统的重要性，内涝发生后，南昌市、广州市、武汉市都投入大量的资金用来建设城市的排水设施，但是效果不是很明显，内涝还是时有发生。然而青岛的老城区还是用的原来的排水系统，这套系统是德国人在100多年前设计并建好的，该系统一直完美的用到现在，从来没发生过洪涝，发达国家的许多城市排水的能力也是比我国强上很多，看来我国的城市排水技术还是远远不够的，也是很有必要借鉴下别的国家的经验和技术。

随着城市发展越来越快，越来越大，城市地下的排水设施错综复杂，面对这些复杂的系统，以往的传统的管理方法已经很难去实时监控到排水的情况的。目前来看，很有必要利用现代化的技术，建立一个自动化的城市排水监控系统。自动化的城市排水泵站计算机监控系统能够实时的监控排水情况，能够快速的发现故障，统计城市的降雨量，发现隐患并报警。本设计是通关PLC、泵、变频器、传感器等构成一个自动控制系统，对城市汇集的水进行恒水位控制，模拟雨水、工业污水和生活污水的流向，以及模拟管道堵塞，集水池的切换，来确保排水系统的稳定，提高排水效率。设计这样的系统不仅仅有上面说的好处，还可以省下大量的人力物力。

1 城市排水监控系统构成

当今，各个城市的发展情况不同，所用的城市排水系统也截然不同，传统的继电器

控制和先进的PLC控制都有运用到。PLC被大量的用在顺序控制的系统上。顺序控制就是按照系统的设计流程，在信号的控制下，在生产过程中每个执行机构有序的工作。它的优点有很多，编程方法灵活变通、速度快、安全可靠、方便检修、性价比高等等。在本系统中，主要是通过操作按钮及各类传感器信号传给PLC控制器，PLC再发出指令控制各执行机构的动作，来实现自动化控制。这些在水位的监控、管道上电磁阀的开启或关闭以及各个泵的启动上都有应用到。根据本设计的城市排水泵站监控的工艺特点和要求，主要采用了采用基于现场总线技术的PLC网络控制系统。本设计是基于西门子PLC的城市排水计算机监控系统，其中PLC、WINCC以及实际设备是主要组成部分。如图1所示为系统结构总图。

图1 系统结构总图

在本设计中，PLC是核心器件，它起着主导作用，PLC主要控制现场设备的正常运作，并且及时的把信息发送到工作站操作操作设备上和WINCC监控站监控画面中去，在设计中，比如水位的检测、指示灯的显示、开关按钮起停信号、水泵起停控制，继电器的闭合与断开、电磁阀的通断和变频器运行频率等等。

WINCC监控系统主要是起到将PLC输送过来的信号数据显示在监控画面内，以便工作人员得到现场的第一时间内所有数据信号，比如指示灯的亮灭、阀门的开关，液位的数值显示以及水泵的运行状态等等，WINCC在监控现场设备的正常运作的同时，他还能向现场发送一些数据信号，比如控制按钮开关和阀门的打开或闭合等等。在WINCC监控软件内，可以清楚的看到现场设备的工作情况，而且也可以发送数据到PLC紧急停止控制设备，起到保护作用。

2 城市排水泵站控制系统设计

本次设计基于西门子PLC和WINCC仿真，用模拟传感器和模拟开关等外部设备将城市排水监控过程中的信号处理后送到处理器将其处理，由PLC对数据进行运算处理，然后控制现场设备的运行来完成城市排水泵站监控控制系统的自动化高效运作、准确的操作。

本设计的控制系统是全自动控制的，启动WINCC仿真运行后，只要启动开始按钮，PLC将通过博图软件所编写的相应程序对城市下水道排水过程进行控制，通过输出继电器的动作来控制水泵的起停和管道阀门关和开的监控，指示灯的亮灭来实现完成对系统状态的显示，并且通过模拟量模块的模拟采集模拟信号，对所有水灌水位的监控和下水管道畅通情况。

（1）当按下启动按钮后，运行指示等亮起，在WINCC仿真监控系统内设立了雨水集水、工业排放废水集水和生活废水集水，并且在三种水排入集水池前设立了三个对应的管道堵塞控制阀门，一旦模拟管道堵塞，控制阀门立即关闭，并且报警提示工作人员，对应管道内出现堵塞现象，提示处理。

（2）在2个集水池的进水灌设立2个紧急进水阀，此阀门的作用是当集水池A或B的水位过高，即将满出，紧急关闭，而另一个集水池B或A阀门打开进水，缓解下水道的水位。

（3）每个集水池都配备2个排水泵，一个运行，一个备用，以防水泵出现故障，却不能及时排水，并且在监控画面内监控到水泵的运行频率，排水泵的运行频率是根据集水池的水位来控制的。集水池中，到了一定水位，集水池排水泵才运行，并且定时停机。在排水泵出现故障时，监控画面内的报警指示灯会亮起，提示工作人员排水泵出现故障。

（4）在总水池排水过程中，设置了3个排水泵，而3个排水泵对应的排水泵。其中一号总池排水泵和二号总池排水泵是相互切换运行的，而总池紧急排水泵是根据总池水位来启动和停止的。

（5）在总集水池的水位低于一定水位时，三个排水泵都不运行，当水位高于低水位界线时，一号总池排水泵自动启动，并且运行一定时间内，自动停止降温冷却，切换到二号总池排水泵自动启动，并且也运行一定时间内，自动停止降温冷却，又切换到一号总池排水泵自动启动，只要总集水池的水位不低于低水位接线，一号总池集水泵和二号总池集水泵循环切换运行。

（6）当总集水池水位高于高水位界线时，系统报警灯报警提示工作人员，总集水池水位过高，并且系统自动发送信号启动总池紧急排水泵，直到水位降到安全水位线时，紧急排水泵自动停止，保证系统安全运行。

根据以上控制要求，设计出一套完整的城市排水泵站监控系统示意图，如图2所示。

图2 城市排水系统示意图

3 控制系统硬件配置

可编程序逻辑控制器（PLC）是专门为了足球世界杯直播平台官网而设计的，它是一种数字运算操作的系统。它通过可编程的存储器在它的内部存储执行顺序控制、逻辑运算、定时计数和算数运算等操作指令，并且利用数字量和模拟量的输入与输出来控制多种生产过程。

本系统需要3个模拟量输入，9个数字量输入以及10个数字量输出，在配置时需要一定的余量的。综合各个方面的因素。本设计采用了西门子s7-1200PLC，CPU1214C，一个4路的模拟量模块，已经完全可以满足城市排水监控系统设计的需求了。

在本设计中，设置了2个集水池，循环轮流集水，和一个总集水池。所以在设计中通常在同一路排水系统中，为了保证水池里的水能接上排水，不会出现不排水的情况，在AB集水池中各设置了2个立新排水泵，在总集水池后设置了3台离心排水泵，功率大小不一样。在采用变频调速时，每台水泵配用一台变频器。

3.1控制系统PLC的I/0地址分配表

根据这个城市排水泵站计算机监控系统的设计，一共需要9个数字量输入，10个数字量输出和3个模拟量输入。分别如表1，表2和表3所示。

表1 数字输入分配表

表2 数字输出分配表　　

表3 模拟量输入分配表　　

根据城市排水泵站计算机控制系统的控制要求，PLC型号为西门子S7-1200CPU1214C。本系统所需要西门子PLC数字量输入I/O点数为9个，数字量输出I/O点数为10个。根据系统要求画出PLC的I/O端子接线图，如图3所示。

图3 PLC接线图

根据控制要求模拟量输入3个，画出模拟量模块接线图，如下图4所示。

图4 模拟量模块接线图

3.2控制系统电气接线图

根据城市排水泵站计算机监控系统的控制要求，控制系统主电路设计图主要由排水泵电机构成。在水泵组中分成2部分，一部分水泵是由变频器启动控制，一部分水泵是由PLC驱动中间继电器控制交流接触器来控制电机直接启动，所以它们的电源直接接在三相交流电源上，部分控制系统电路中有熔断、热继电器两大保护装置及互锁、自锁功能。

在A和B集水池水泵中，排水泵的运行是根据集水池中水位的高低来判断当前排水泵的运行频率，所以在主电路中，AB排水泵的电是由西门子变频器提供的，具体控制系统主电路图如图5所示。

图5 池排水泵主电路图

4 软件设计

利用博图软件给城市排水监控系统编写程序。根据城市排水泵站监控系统的控制要求，在程序中，编写了水位判断、模拟量信号采集处理及保护措施等等。

4.1水位判断

当系统运行过程中，且模拟水流运行中，当检测A池水位低于一定值时，A池进水阀打开，当水位高于一定值，A池进水阀关闭，同时打开B池进水阀，然后检测B池水位是否低于一定值，当低于一定值，B池进水阀打开，当水位高于一定值后，且A池水位低于高限水位，就再次打开A池进水阀，依次循环下去，

4.2模拟处理模拟量信号

当系统运行过程中，当A池进水阀打开或B池进水阀打开时，PLC检测到有雨水或工业废水或生活废水时，A或B集水池开始根据实际进水，进水力度根据雨水模拟按钮、工业废水按钮和生活废水按钮而定。

4.3定时停机保护

在总水池排水中，当检测到水位高于一定值时，一号总水池排水泵启动，并且定时，当定时时间到，立即停止一号总水池排水泵，启动二号总水池排水泵，定时相同时间，当时间到，停止二号总水池排水泵，启动一号总水池排水泵，以次循环。

4.4紧急排水

在总水池排水中，当检测到水位高于上限值时，一号总水池排水泵和二号总池排水泵轮流运行，并且总池紧急排水泵启动。

5 总结

本文主要介绍了基于西门子PLC和WINCC的城市排水泵站监控系统的设计。系统设计包含硬件和软件两个方面。硬件设计方面，各硬件设备根据系统的控制要求进行了选型并对西门子s7-1200PLC外部电路接线进行了设计；软件设计方面组态了城市排水模拟过程，编写了模拟梯形图，并且进行仿真调试，可在实际工程中进行运用，极大的节省了调试时间和设计成本。