基于PLC 与 HMI 的一体化泵站智能监控系统研究

0 引言

随着“ 智能水利” 建设的不断推进，水利水电工程的监控系统发展正处于从传统人工监测向无人化、智能化转变的关键阶段，然而“ 无人值守、少人值守” 这种新型泵站监控运行模式，对控制系统的可靠性提出了更为严格的需求[1，2]。集成式的智能监控解决方案成为当下急需，本文将关注点放在基层泵站，构建一套研发成本可控制、架构简单、部署方便的 PLC 和 HMI 一体化系统。该系统实用性较强，针对中小型泵站，有较高性价比，而且该研究还可以为后续接入大数据分析、云平台、AI 预测等技术提供一定参考价值。

1 PLC 与 HMI 技术的基本概念与关键技术

1.1 PLC 技术的基本结构与工作原理

PLC 是一种以微处理器作为核心的数字运算电子系统装置，它是专门针对工业现场的应用场景而设计的，该装置的核心特点是运用了可编程序存储器，这种存储器可用来存储内部执行逻辑运算、顺序控制、定时或者计数以及算术运算等操作的指 ≤sseqgtr ，并且借助数字式或者模拟式的输入输出接口，达成对各类机械装置或者生产过程的精确控制[3，4]。

图 1 PLC 结构原理

PLC 是微机技术跟传统继电接触控制技术相融合而产生的，它有效克服了继电接触控制系统存在的固有缺陷，像机械触点致使的复杂接线、可靠性差、功耗较高以及通用性和灵活性欠缺等问题，同时它充分吸收了微处理器的技术长处，还考虑到现场电气操作及维修人员的技能水准与操作习惯 。特别关键的是，PLC 的程序编制不用依靠专业计算机编程语言知识，而是以继电器梯形图作为基础，采用简洁直观的指令形式，让用户程序编写具有形象化、容易理解、上手快的特性，使调试与故障排查过程也更加便利[6]。

1.2 HMI 技术的基本结构与工作原理

HMI 身为连接操作人员和自动化系统的关键纽带，其设计质量对人机交互效率以及系统运行可靠性有着直接影响，它借助图形化界面、数据可视化以及交互控件等方式，把复杂的设备运行参数、工艺流程状态转变为易于理解的视觉信息，接收操作人员的指令并传送给控制系统，形成“ 感知-决策-执行” 的闭环交互[7，8]。

HMI 产品的构成主要有硬件和软件这两大部分，硬件部分包含处理器、显示单元、输入单元、通讯接口以及数据存储单元等核心组件，在这些组件中，处理器作为 HMI 的核心单元，它的性能可直接决定整个 HMI approx 品的运行效率，软件部分一般分为两类，一类是在 HMI 硬件内部运行的系统软件，其作用是支撑硬件设备的基础运行以及功能调度，另一类是运行在 PC 机 Windows 操作系统环境下的画面组态软件，可让用户进行界面设计与工程配置。

在工业场景里面，HMI 的功能设计要和生产需求紧密关联：其一，它得拥有高效的数据采集以及呈现能力，可实时更新设备状态、工艺参数等关键信息，并且借助趋势图、仪表盘等可视化元素直观呈现变化规律，其二，要提供便捷的操作入口，让操作人员可凭借按钮、下拉菜单、触控等方式下达控制指 trianglelefteq ，达成对生产线的启动停止、参数调整等操作。而且为了保障生产安全，HMI 一般还集成了警报管理功能，可依据预设阈值自动触发声光提示或者弹窗告警，同时记录警报发生时间、原因等信息，为故障排查提供参考。

3 基于 PLC 与 HMI 的水利电气监测与控制系统设计

3.1 PLC 与 HMI 在水利电气工程中的应用现状

在水利电气监测与控制系统里，PLC 和 HMI 分别有着不一样的作用。PLC 身为核心控制单元，有着良好的抗干扰能力以及高稳定性，能适应泵房、配电房等水利工程现场复杂的温湿度与粉尘环境，它依靠快速采集水位、压力、流量以及电机状态等传感器信号，依照预先编写的控制逻辑进行实时计算与执行，达成水泵启停控制、阀门开关、备用电源切换等任务。并且 PLC 的编程很灵活，支持梯形图、功能块等多种语言，适宜实现复杂的联动控制逻辑，凭借模块化设计契合不同规模工程的要求。不过，PLC 本身缺少直观的交互界面，操作与监控主要依靠编程软件或其他外部设备，这对于非专业人员而言存在一定难度，且不适合直接承担大量数据的可视化与存储分析任务。

然而 HMI 主要针对人机交互需求，借助直观的图形化界面，把泵站运行状态、水位变化曲线以及报警信息等，以动态图表或者数据面板的形式呈现出来，如此一来，操作人员即便不掌握复杂的编程技能，也可迅速理解设备状态开展操作，触摸屏操作便利，可凭借虚拟按钮直接实现设备的启停、运行参数的修改或者报警的确认，界面还可集成趋势曲线、历史数据以及日志功能，便于运维人员追溯运行状况。HMI 一般支持多种通信协议，可与不同厂商的 PLC、变频器以及传感器实现无缝对接。不过与 PLC 相比，HMI 在逻辑运算以及实时控制方面能力存在局限，更加依赖外部控制器来执行核心控制任务，其耐候性以及长期稳定性也比不上工业级 PLC，而且在数据安全以及冗余方面依赖外部系统的支持。

3.2 基于 PLC 与 HMI 一体化的改进设计

把 PLC 和 HMI 结合运用到水利电气监测与控制系统当中，可以充分呈现出两者的优势，形成一种“ 强控制”与“ 易操作” 相互补充的形式。PLC 充当系统的“ 大脑” ，执行现场控制任务时稳定可靠，保证泵站在各种工况下可安全且高效地运行，HMI 作为系统的“ 面孔” ，提供直观的可视化交互界面，使得操作和监控过程变得更加简洁友好。二者借助串行通信或者以太网连接，达成数据的实时传输与反馈，可让现场工作人员直观地获取运行信息，又可借助参数设定直接对 PLC 的执行逻辑产生影响，这种架构提升了系统的可用性与灵活性，还支持本地控制与远程监控协同的模式，适应“ 无人值守、少人值守” 泵站的运行要求。

依据泵站新型监控运行模式，本文搭建了以 PLC 作为核心、HMI 作为操作终端的系统模式，该系统在泵房内配置 LCU 柜来集成 PLC 控制器，其职责是收集水位计、流量计、压力传感器等各类信号，同时对水泵、多功能控制阀、备用柴油发电机等执行设备实施自动化控制，控制逻辑包含按水位自动启停泵组、市电故障时自动切换柴油机供电、事故停泵时进行防水锤控制等功能。HMI 触摸屏设置在泵房和管理房的控制室中，可实时展示水泵运行状态、管道压力、电机电流等信息，还提供手动启停按钮、运行参数设定界面以及报警信息列表，如此一来管理人员无需深入 PLC 编程就能对系统进行调控以及故障处理，泵房与坝区管理房之间借助光纤通信达成数据的高速传输，保证了远程操作的及时性与可靠性。整套系统在结构方面高度集成，可适应山区复杂的运行环境，并且预留了与上位机系统和远程监控平台的接口，为未来的智慧水利升级创造了扩展空间。

4 系统应用案例分析

本文将万州区枫木水库工程泵站当作研究对象，进一步去剖析 PLC 与 HMI 一体化泵站智能监控系统的实际运用情况。枫木水库泵站的计算机监控系统把“ 无人值班、少人值守” 当作总体设计的目标，严格依照设备安全可靠、经济实用、功能完善、技术先进这样的配置原则来进行设计，该系统采用分层分布开放式以太网结构以及 TCP/IP 协议，整体上分为集中控制级与现地控制 LCU 级，借助数据库以及软件模块化、结构化的设计来达成高效运行，并且配备标准通信物理接口，以此保证数据传输的兼容性和稳定性。

在硬件配置方面，主坝管理房内部设有控制室，配备了一套完整的计算机监控系统，该系统包含操作员工作站、激光打印机、UPS 电源等各类设备，借助这些设备可达成对水泵机组的远方控制操作，而在泵房之中，设置有一面现地控制 LCU 柜，其核心组成覆盖 PLC、现地显示操作终端、分散的 I/O 装置、温度巡检装置、电量测量装置、电气测量变送仪表，以及开关、按钮、指示灯、硬布线跳闸继电器、报警装置等，这些共同构成了现场级的实时监控与操作单元。配套的工业电视系统按照“ 前端数字化，光纤网络传输，集中管理，分布式存储” 的原则进行设计，其供电采用独立回路不间断电源，以此保证在断电时依然可完成必要的应急举措，为监控系统提供可视化的支持，该工业电视系统有三大功能：其一，可对所有监视区域实行 24 小时不间断的实时监视，针对异常物体移动、光度变化等状况可进行实时监控以及报警，并且完成异常图像数据的存储与记录，其二，对坝区、泵房内的监视区域进行细致的区域划分以及报警类别划分，以此提高安全监视的精确度，系统控制中心可分析所有监视区域的信号，并依据设置自动储存异常情况，其三，着重加强对坝区周边环境、配电房、大坝、泵房、管理房、出入口等关键部位的防护，以便可实时掌握现场动态。

枫木水库泵站智能监控系统构建时，PLC 与 HMI 集成应用依照工程设计规范，构建起高效协同的控制与交互体系，施耐德 PLC 作为系统核心控制器，负责三项控制任务，其一，精确执行 400kW 水泵机组的软启动操作，其二，凭借调节 JD745X 型多功能水泵控制阀的关闭时间顺序，把水锤压力峰值稳定控制在 261.58m，有效避免水锤冲击风险，其三，实时收集电磁流量计、压力变送器的监测数据以及水库水位信息，为系统调控提供全面依据。与之配合的 12 英寸 HMI 触摸屏构建了直观的人机交互界面，动态刷新扬程、流量等核心运行参数，而且在系统出现异常时，马上触发可视化告警，借助鲜明的图标和提示信息及时告知运维人员。

在水锤防护这一环节当中，PLC 会持续不断地接收来自压力传感器的实时数据，依据“ 压力峰值≤1.3 倍额定压力” 这一要求来动态地调节阀门动作，HMI 会同步地以曲线的形式来渲染压力的变化趋势，以此达成控制过程的可视化追踪，在泵站调度的过程里，泵组调度机制是基于水库水位分级标准的，由 PLC 自动进行判定并切换运行模式，HMI 会同步生成一份包含运行参数以及策略依据的报告，辅助管理人员做出决策。无人值守功能响应了“ 少人值守” 的设计要求，借助与工业电视系统协同合作，实现了设备状态的远程可视化诊断以及异常处置。

系统通信架构以及安全设计也都符合相应规范，PLC 经由分层分布式以太网接入监控网络，依靠光纤链路和管理房 SCADA 系统达成高速数据交互，在安全方面严格遵循接地电阻 <1Ω 的标准，并且运用权限分级管理机制保障操作安全，工程实践显示，该系统凭借 1.19 倍的水锤峰值保障了管道安全运行，还对能耗控制给予优化，同时较大提高了泵站的运维效率，充分证实了 PLC 与 HMI 集成方案的工程价值。

5 结语

本文借助 PLC 与 HMI 的一体化集成，搭建起一套针对中小型泵站的智能监控系统。该系统有效化解了传统系统可靠性欠佳、操作繁杂以及扩展性较弱的核心难题，从技术架构层面来看，PLC 作为控制中枢负责承担实时数据采集工作，囊括水位、压力、流量等方面，同时还负责设备联动逻辑，比如水泵启停、阀门时序控制以及备用电源切换等，以此保障在恶劣工业环境下可稳定运行，HMI 则借助图形化界面达成运行参数可视化、远程操作以及报警管理等功能，较大降低了人员操作门槛。该系统采用分层分布式以太网结构，借助光纤通信达成泵房与管理房之间的高效数据交互，并且预留了云平台与 AI 分析接口，为智慧水利的发展提供了技术支撑。

在枫木水库的工程验证过程里，该系统呈现出多方面的优势，首先在控制方面，系统借助动态调节多功能水泵控制阀的关闭时序，把水锤压力峰值精准控制在 261.58m，此数值仅为额定值的 1.19 倍，明显低于国家标准限值。在能效范畴，系统借助深入优化泵组调度策略，达成了年耗电量 162.56 万 kW·h 的节能成效。在运维领域，结合工业电视系统达成异常实时报警与远程诊断，使故障响应效率提升超过 50%_⨀ 。另外，系统严格落实接地电阻安全标准以及权限分级管理机制，以此保障操作的安全性。

本文得出以下主要结论：其一，构建了一款融合 PLC 与 HMI 的泵站智能监控系统，可为基层泵站提供有高性价比的解决方案，其二，设计了分层开放架构，可兼容未来大数据以及 AI 技术的扩展，其三，借助对枫木水库的工程验证，实证并量化了水锤防护、能耗控制等关键指标，以此为该泵站智能监控系统提供支撑。该系统方案提升了泵站自动化水平与运维效率，还为“ 智能水利” 建设提供了可复用的技术方法，有关键的工程推广价值。

参考文献

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作者简介：谭柳华（1969.2-），男，人，现任党委副书记，总经理， 工程师（机械工程师），主