水上乐园设备房自动控制的设计研究

水上乐园设备房自动控制的设计研究

何文彬

广州潮流水上乐园设备有限公司，广东广州 511442

摘要：水上乐园都需要设置配套的设备房，每个设备房都有各种型号的风机水泵，风机水泵都需要配套的电气控制系统，但目前还很多设备房的电气控制系统都采用各自独立的操作方式，存在自动化程度低、操作繁琐、工作强度大、配套设备操作人员数量多等缺陷。本文通过在旧系统上加上相关上位机、交换机、PLC等重要元件来集中控制整个园区设备房的相关设备，从而实现各设备房无人看守和自动控制，提高工作效率，减少设备操作人员的工作强度和人数，降低人力资源成本。

关键词：自动化程度低  集中控制无人看守  自动控制

1、旧系统的组成及原理

水上乐园根据游乐设施的种类、特性、占地面积、园区场地的实际情况和游玩线路的不同基本都需要设置配套的设备房，设备房的功能、用途、数量、位置和大小跟游乐设施的需求和园区场地的实际情况密切相关。设备房里面根据游乐设施的需求通常设有风机、水泵、投药泵、毛发收集器和过滤器等专用配套设备；风机水泵的功率一般都不大于132kW/台，工作电压一般都为AC380V；投药泵的功率一般都不大于60W/台，工作电压一般都为AC220V。根据风机水泵的功率及特性常用的起动方式有直接起动、星—三角降压起动、软起动器起动和变频器起动，通常小于等于11kW采用直接起动，15kW～75kW采用星—三角降压起动、90kW～132kW采用软起动器或变频器起动；根据游乐设施的运行需求有工频运行和变频运行二种方式；结合游乐设备的运行要求控制方式采用机房就地控制方式。风机水泵的主回路由断路器、漏电断路器、交流接触器、热继电器及配电电缆线等组成，主回路一般通过的电流较大但结构形式大同小异。断路器作为电控箱的总开关，对整个系统起着短路保护、控制和隔离作用，一般按配电保护型来选型，其额定电流及分断能力按电控箱总的设备容量、需要系数、计算容量、计算电流和配电系统的要求综合考虑。漏电断路器作为风机水泵的单元控制开关、对风机水泵的电动机起着短路保护、过载保护、控制和隔离作用，由漏电附件和断路器组成，根据特种设备的使用要求漏电附件一般选用瞬动型、额定漏电动作电流应不大于30mA；断路器采用电动机保护型，其额定电流及分断能力按电动机的额定电流、起动方式和配电系统的要求综合考虑。交流接触器适用于远距离频繁接通和分断交直流电路的电器，是电力拖动和自动控制系统中应用最广的元器件，其可靠性非常重要，按游乐设施的特性交流接触器一般为不频繁动作，并根据使用类别、工作电压、容量、电动机额定电流、工作制及操作频率、电寿命等进行综合评估。热继电器主要用作过载保护，常用于交流电动机的过载保护，其额定电流按电动机的额定电流和运行特性来选择，通常应留有足够的上下调节的余地，以便满足实际使用要求。电缆线按电动机的额定电流选，同时还应按敷设方式、项目地的实际环境条件等因素乘以相应的校正系数使电缆线能受到热继电器或漏电断路器的有效保护；设备房内的电缆线的敷设方式基本采用金属线槽和电线管相结合的敷设方式。控制回路由漏电断路器、熔断器、按钮、指示灯、各类元器件线圈（触点）及控制电线等组成，控制回路的主要作用是通过主回路对风机水泵配套的电动机实施一系列预定的控制、其的结构和组成元件随控制要求的异同而变化，控制回路中通过的电流一般较小、通常在5A以下，因此漏电断路器和熔断器的额定电流一般控制在6A以下，同时注意2个元件的级联关系以便达到最佳的保护效果，另外漏电断路器的漏电附件为瞬动型、额定漏电动作电流应不大于30mA；控制回路的电压采用AC220V。每台风机水泵的控制回路分别设有起动按钮、急停停止按钮、工作指示灯和故障指示灯等控制元件，按钮指示灯均选用直径为22mm系列的按钮及指示灯。每当相关游乐设备需要起动运行时由设备操作人员在对应的电控箱的面板上按起动按钮，按下起动按钮后交流接触器正常吸合、游乐设备配套的风机或水泵随之运转、同时对应的工作指示灯会同步显示；同理需要停止时由设备操作人员在对应的电控箱的面板上按急停停止按钮，按下急停停止按钮后交流接触器正常断开、游乐设备配套的风机或水泵立即停止运转、同时对应的工作指示灯会同步关闭；游乐设备停止工作。本系统存在设备操作人员操作人数多、操作量大、操作繁琐、无法监控运行参数等缺陷。水上乐园某设备房的控制原理如下图：

2、新系统的组成及原理

为了减少设备操作人员的工作量、人为的操作错误、节约人力资源成本和提高自动化程度，新的控制系统在旧系统的基础上进行重大改良设计，设置整个园区的中控室、增加上位机、交换机和PLC等重要元件来实现整个园区的集中控制。中控室的选址通常根据园区各设备房的位置、数量、用电负荷大小、风机水泵的数量等因素来确定，通常设置在用电负荷大或风机水泵数量多的设备房旁边。中控室设上位机、PLC、交换机、GPRS无线通讯模块等重要控制元件；同时中控室为了与各设备房进行有效通讯和传输数据、各设备房新增PLC和配套控制电路；通过以上的改良就可以实现集中控制。中控室的上位机组态软件采用西门子WinCC7.5、WinCC7.5是一款数据采集与监控系统，具有采集运行参数、动态显示、操作相关设备的启停、设备累计工作时长记录、事件触发与确认、故障报警和维修提示等功能，同时组态灵活、开放、操作界面简单、适用性强、配套有多种通讯协议，适用于各行业的生产过程、操作工序和可视化控制，功能强大的WinCC7.5是整个中控系统的操作中心和核心器件。PLC按主从站来设置、其中中控室的PLC为主站、各个设备房的PLC一律为从站；主站PLC需要与上位机（各从站PLC）通讯和交换数据，是整个中控系统的数据计算、运转和处理中心，性能要求高，选用施耐德高性能并带以太网功能的高端系列PLC，但主站PLC不直接参与各设备房电控箱控制回路的输入输出控制，对PLC的输入（输出）点数没有具体要求，只要满足程序编程、数据采集、数据交换、数据处理、通讯相应速度、通讯可靠性等需求即可，通常主站PLC的输入和输出的总配置点数小于等于40点；从站PLC需要与主站PLC通讯和交换数据，并执行相关具体指令，性能要求相对低一点，选用施耐德带以太网功能的中端系列PLC，从站PLC都需要与电控箱的控制回路直接相连，对从站PLC的输入（输出）点数有具体要求，因此从站PLC的输入（输出）点数应根据对应设备房的控制要求及适当的余量来确定，通常各从站PLC的输入和输出的总配置点数小于等于128点。交换机也叫交换式集线器、是中控系统网络连接的核心设备，具备自动寻址能力及交换作用，考虑到本案例使用在工业高温潮湿场所，因此选用魏德米勒非管理型工业以太网的交换机，非管理型交换机具有“即插即用”和不需要配置、高效的存储转发等优点，交换机的端口数量根据对应中控系统的要求、通讯距离和适当的余量来综合确定，交换机的端口形式根据对应主从站PLC的通讯距离来确定、通常与从站距离小于等于90米的端口形式采用RJ45接口，与从站距离大于90米端口形式采用光纤接口并加二级交换机来转换信号。整个中控系统采用工业以太网通讯，通讯协议采用Modbus TCP/IP协议、Modbus TCP/IP协议是基于以太网的一种通讯协议、通过TCP/IP协议进行数据传输；Modbus TCP/IP协议具有良好的兼容性、可移值性、易与集成、传输距离远、传输速度快、支持热插拔和支持多主机连接等特点。主站到从站的通讯线路根据中控室到各设备房距离来确定，通常小于等于90米采用六类网线穿管埋地敷设，大于90米采用光纤穿管埋地敷设。某水上乐园园区集中控制的原理如下图：

3、新系统配套电控组成及详细描述

新系统的主回路与旧系统相比，仍然由断路器、漏电断路器、交流接触器、热继电器及配电电缆线等组成；新系统主回路各元件的主要功能方面跟旧系统相比没有变化，但为了采集断路器及漏电断路器的工作状态信号分别增加了分合闸信号的辅助触点，并将此信号采集到从站PLC，然后通过数据交换上传到中控室的主站PLC和上位机，这样每当断路器(漏电断路器)正常分合闸或因故障跳闸时，上位机就可以时时监控到各断路器(漏电断路器)的工作状态。控制回路的每个控制单元回路增加了控制模式的选择开关、上位机控制启停的常开触点和热继电器过载常开信号的转换触点，其余部分按旧系统保持不变，控制回路的电压仍然采用AC220V。每个控制单元增加控制模式的选择开关后控制方式由原来的机房就地控制变为机房就地控制和上位机控制，机房就地控制方式主要在调试、故障检修、特殊控制回路和应急时使用，上位机控制方式是平时主要的控制方式、平时使用过程中相关设备的启停由上位机来操作；每当相关游乐设备需要起动运行时由设备操作人员在对应的上位机操作界面上点击起动按钮图标，点击起动按钮后图标交流接触器正常吸合、游乐设备配套的风机或水泵随之运转、同时对应的上位机工作指示灯图标和设备房电控箱的工作指示灯会同步显示；同理需要停止时由设备操作人员在对应的上位机操作界面上点击急停停止按钮图标，按下急停停止按钮图标后交流接触器正常断开、游乐设备配套的风机或水泵立即停止运转、同时对应的上位机工作指示灯图标和设备房电控箱的工作指示灯会同步关闭；游乐设备停止工作。同时为了全方位监控控制回路的工作状态将控制回路漏电断路器分合闸的触点、相位继电器的触点、控制模式选择开关的触点、交流接触器运行吸合的触点、热继电器过载指示的触点信号全部采集到对应从站PLC，通过对应从站PLC的数据转换及处理后将相应的采集信号统一上传到中控室的主站PLC和上位机。通过以上调整，中控室可以随时启停各游乐设备并时时监控到各游乐设备的使用状态和故障报警等信号，每当主回路的某个元件或控制回路有故障时，上位机可以第一时间显示和报警，设备操作人员可以快速到有问题的设备房排查故障；同时增加中控系统后设备房也无需再派专人看守。当然对于个别特殊控制回路、上位机也可以只采集相关运行信号不控制设备的启停，以便达到全面监控和采集信号的目的。新系统控制回路如下图（新系统的主回路跟旧系统的主回路相比没有区别、这里省略新系统的主回路图）：

4、新系统调试及运行

    新系统安装完成后，进行了系统的调试，并根据试运行情况和实际需求对上位机和主从站PLC的部分参数做了调整和优化，上位机和主从站PLC的参数调整优化后，各种工作状态均有进行有效运行和检测，运行结果符合设计意图和工艺流程的要求，达到预期的效果，中控系统能满足游乐设备的使用要求。通过增加上位机、交换机和PLC等自控元件整个电气控制系统可以实现集中控制和信号采集，并且中控系统运行稳定。

5、结束语

水上乐园园区电气中控系统通过调试使用后，各项性能稳定可靠，控制效率和控制精度都大幅提高，大大减少设备操作人员的工作量，降低人力资源成本，可以实现无人看守，跟旧系统相比更加节能更加高效。以某项目为例项目占地面积4万平方米，有各类水滑梯、风压造浪、水寨、漂流河和戏水小品等游乐设施，旧系统的设备操作人员需要8人，新系统的设备操作人员只需要4人，同时设备操作人员的满意度大幅提升。自动化控制系统是现代社会发展的需要，更是水上乐园升级改造的需要，本系统值得推广和应用。

6、参考文献：

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［4］、GB51348-2019，民用建筑电气设计标准 ［S］

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