一 课题研究背景与研究意义

1.1 市政排水泵站传统调控模式的发展现状

国内存量市政排水泵站中，建成年代较早的站点仍普遍采用常规人工调控与简单继电器控制两类传统运行模式。人工调控模式依赖运维人员现场值守，通过人工观测集水井液位变化，手动完成水泵启停操作，整个调节过程完全依靠运维人员的经验判断。简单继电器控制模式仅能通过固定点位的液位开关触发动作，实现单一阈值下的水泵通断控制，逻辑固定且无法调整。

人工调控模式下，液位上涨至预警值后需等待人员到场操作，响应滞后性极强，极端降雨天气下极易因处置不及时引发城市内涝。简单继电器控制模式触点长期动作易老化粘连，故障风险远高于智能控制模式，且两类传统模式均需要运维人员每日驻场巡检，人力投入大，长期运维成本显著偏高。

1.2 PLC智能调控技术在排水泵站的应用趋势

可编程逻辑控制器（PLC）技术诞生以来，率先在工业自动化生产领域完成落地迭代，逐步取代传统继电器控制体系，成为离散制造业、流程工业的核心控制单元。近年来，随着智慧城市建设推进，PLC技术逐步向市政供水排水、轨道交通供电管控等市政设施领域延伸，在市政设施多点感知、多设备协同管控场景中积累了大量成熟应用经验。

PLC技术具备强抗干扰能力，可适配泵站潮湿、多电磁干扰的地下作业环境，运行稳定性满足泵站7×24小时连续运行需求，且程序修改调试便捷，可根据泵站实际运行需求快速调整控制逻辑，无需更换硬件。同时PLC支持多模块扩展，可灵活接入液位传感器、电流检测模块等感知设备，适配排水泵站水泵、格栅多设备协同控制的需求，目前已成为市政排水泵站智能化调控的核心技术选型，推动行业从传统人工管控向无人值守、远程管控的智能化方向转型。

1.3 本课题设计的研究意义

本研究针对当前市政排水泵站传统调控模式响应滞后、故障风险高、运维人力成本高的痛点，以西门子S7-200 smart ST30 PLC为核心搭建一体化智能调控系统，可实现集水井液位实时感知与自动联动控制，彻底消除人工调控的响应延迟。依托PLC高可靠性与程序自锁互锁逻辑，可避免传统继电器触点老化粘连引发的运行故障，降低设备突发停机风险，显著提升泵站全时段运行稳定性。

系统支持本地自动运行与远程异地管控，无需运维人员每日驻场值守，仅需定期巡检即可完成运维，直接降低泵站长期运行的人力投入成本。预设多液位分级启停逻辑可根据降雨强度自动匹配水泵运行数量，极端强降雨下可快速启动高等级排水预案，大幅增强城市内涝应急响应能力。本方案硬件选型成熟、逻辑清晰可复用，可为中小规模市政排水泵站智能化改造提供落地参考，具备明确工程应用价值。

二 课题设计目标与核心功能要求

2.1 整体设计总目标

本课题确定以西门子S7-200 smart ST30 PLC为核心控制单元，针对市政排水泵站的运行管控需求，搭建集现场液位与电气参数实时感知、本地手动自动切换控制、城域网远程异地监控于一体的电力拖动智能调控系统，严格遵循工业控制设计标准保障运行可靠性，优化交互路径保障运维操作便捷性，预留扩展接口适配后续功能升级需求，最终形成适配中小规模排水泵站的可落地智能化调控方案。

2.2 液位联动水泵启停控制功能设计要求

本课题针对市政排水泵站集水井液位动态变化特征，明确分级联动的多水泵启停控制逻辑，依托连续液位传感器采集的实时数据实现精准触发：当集水井液位高于4.5米时，触发1号水泵启动；当液位回落至低于4.0米时，关闭1号水泵。液位持续上涨至高于5.5米时，启动2号水泵；液位回落至低于4.0米时，关闭2号水泵。当极端降雨导致液位攀升至高于6.5米时，触发3号水泵启动；液位回落至低于6.0米时，关闭3号水泵。分级逻辑匹配不同降雨强度，保障液位调节及时准确。

2.3 现场人机交互与设备手动自动切换要求

为适配泵站现场运维调试、故障处置的操作需求，本课题确定采用昆仑通态嵌入式触摸屏作为本系统的本地核心交互端口，依托昆仑通态组态软件完成界面适配开发，实现多设备的运行状态可视化与本地操作管控。通过触摸屏可完成三台水泵的手自动运行状态切换，在手动模式下支持运维人员单台水泵的启停操作，同时实时显示集水井实时液位、各水泵运行电流电压等核心运行参数。针对泵站格栅除污设备，触摸屏同步支持手自动运行状态切换，自动运行状态下，控制系统将按照预设逻辑驱动格栅正转运行1小时、停歇2分钟，自动完成循环除污作业。

2.4 设备运行逻辑与远程监控控制要求

本课题严格要求三台水泵分别配置独立自锁运行逻辑，水泵获得启动指令后通过PLC程序自锁保持运行状态，避免接触器触点抖动或外界信号干扰引发的启停误动作，保障单台水泵运行状态稳定。同时设置程序互锁机制，同一回路不会出现多台水泵同时启动的指令输出，避免电力负载过载与回路冲突，实现单台故障不影响其余水泵正常运行，各设备完全独立互不干扰。基于WinCC7.5组态软件搭建城域网远程监控平台，支持实时读取泵站液位、水泵电流电压等运行参数，可远程完成设备启停与状态切换，满足运维人员异地管控需求。

三 系统总体方案与硬件选型设计

3.1 智能调控系统总体架构规划

本课题设计的市政排水泵站智能调控系统采用分层架构设计，划分为现场控制层、人机交互层、远程监控层三个独立功能层级，各层级功能边界清晰，通过标准化通讯协议实现数据交互，形成闭环完整的管控体系。

现场控制层为系统核心执行单元，依托PLC及配套感知、拖动硬件完成液位采集、逻辑运算与设备驱动，将实时运行数据上传至上一层级，同时接收上层下发的控制指令。人机交互层承接本地操作需求，同步显示现场上传的运行参数，接收操作人员的本地控制指令并转发至现场控制层执行。远程监控层通过城域网获取全系统运行数据，接收远程操作指令下发至现场控制层，实现异地管控，三层协同完成泵站全流程智能调控。

3.2 核心控制单元选型与功能规划

本课题面向中小规模市政排水泵站调控需求，核心控制单元需同时满足低成本、高可靠性与功能适配性要求。西门子S7-200 smart ST30 PLC定位于中小型自动化场景，本体配置18路数字量输入、12路数字量输出，总计30路本体IO接口，可直接覆盖本课题3台水泵、1台格栅的手自动切换信号、启停指令输入及接触器驱动输出等基础IO需求，无需额外扩展即可满足端口要求。该型号支持0.1ms/千步运算速度，可稳定完成液位信号处理、多设备逻辑判断，运算能力适配调控响应需求。它支持标准以太网对接上位组态，最多可扩展3个信号模块，预留升级空间，适配性优于同价位竞品。核心功能定位于信号采集、逻辑运算、指令输出与数据交互，端口按“输入对应现场信号、输出对应驱动信号”分配，资源利用合理，预留充足扩展空间。

3.3 现场感知与人机交互硬件选型规划

本课题现场感知硬件选型以适配泵站潮湿地下环境、输出稳定可靠为核心原则。液位传感器采用投入式静压液位变送器，功能定位为采集集水井实时连续液位数据，输出4-20mA标准模拟量信号，对接S7-200 smart本体模拟量输入端口，通过量程转换即可得到实际液位值。电流电压检测模块采用一体式导轨安装检测模块，功能定位为采集水泵拖动回路的运行电流、母线电压数据，输出标准数字量信号，通过PLC数字量输入端口完成对接，实现运行参数实时采集。

昆仑通态TPC7022Ni嵌入式触摸屏定位7英寸高清显示，本体集成以太网接口，支持标准Modbus TCP通讯协议，可直接对接S7-200 smart ST30 PLC以太网端口，适配本课题本地状态显示、手动操作的交互需求，交互内容包含实时参数显示、设备状态切换、手动操作指令下发、故障信息弹窗。

3.4 电力拖动与远程监控模块选型规划

本课题水泵拖动回路硬件选型以适配市政泵站重载连续运行需求为核心原则，接触器作为水泵电机通断的核心执行部件，功能定位为接收PLC输出的启停指令，完成主回路的通断切换，选型需匹配水泵额定功率的1.2-1.5倍额定电流，选用交流接触器并预留足够触点裕量，降低长期动作的老化损耗。热继电器功能定位为电机过载故障保护，选型遵循额定电流与水泵额定电流匹配的原则，过载触发后输出故障信号至PLC，切断拖动回路并触发报警，保障电机运行安全。

WinCC7.5远程监控模块依托工业计算机作为硬件支撑，要求设备配置千兆以太网接口、不低于500G的数据存储硬盘，满足运行数据长期存储需求。通讯架构采用“PLC-本地交换机-城域网VPN网关-远程监控端”的层级架构，PLC通过以太网将运行数据推送至本地交换机，经VPN加密隧道完成城域网数据传输，实现远程监控端与现场系统的安全稳定数据交互。

四 系统控制逻辑与软件功能设计

4.1 PLC核心控制程序整体框架设计

本课题PLC核心控制程序采用模块化架构设计，各功能模块独立封装、协同运行，便于调试维护与功能迭代。

液位信号处理模块，输入为液位变送器输出的原始模拟量信号，输出为滤波处理后的实际液位值，执行均值滤波消除液位波动干扰，输出稳定数值供后续逻辑调用。

水泵控制模块，输入为滤波后液位、手自动状态信号与互锁状态信号，输出为各水泵接触器驱动信号，按预设阈值与自锁互锁规则输出动作指令。

格栅控制模块，输入为手自动状态、定时器计数信号，输出为格栅接触器驱动信号，按循环运行规则输出指令。

通讯交互模块，输入为PLC内部运行状态与参数，输出为标准化交互数据，实现与触摸屏、远程监控端的数据交互。

故障报警模块，输入为过载、触点故障等检测信号，输出为报警提示信号与停机指令，触发报警与保护动作。

4.2 液位联动水泵启停控制逻辑设计

本课题基于预设多液位分级启停规则，构建完整的闭环控制逻辑。针对液位自然波动易引发水泵频繁启停的问题，在原始信号输入后，调用液位信号处理模块的滑动均值滤波算法，连续采集10次原始液位数据取算数平均值，消除降雨扰动、水流波动带来的数值干扰，输出稳定的滤波后液位值。

将滤波后液位依次与各级启停阈值比较，满足触发条件后，输出对应水泵的启停指令，若当前水泵已处于目标运行状态则保持输出不变，从信号采集到指令输出全流程避免误触发，保障控制逻辑稳定可靠。

4.3 水泵自锁互锁逻辑设计

本课题针对三台排水水泵的独立运行需求，分别为每台水泵配置独立的程序自锁逻辑。当PLC输出对应水泵的启动指令后，通过自锁触点将启动信号锁存，即便外界操作信号抖动消失，仍可保持接触器驱动指令稳定输出，保障水泵持续运行。

针对同一供电回路的负载冲突风险，本课题设计层级互锁逻辑，任意一台水泵启动后自动锁定对应回路冗余指令，避免多台水泵同时触发过载，单台水泵触发故障停机时，仅切断自身控制回路，不影响其余水泵的正常运行，保障泵站排水能力不受单台故障影响。

4.4 格栅自动循环运行逻辑设计

本课题针对泵站格栅除污作业需求，基于S7-200 smart ST30 PLC的定时功能搭建自动循环控制逻辑。程序设置两个1ms精度的通电延时定时器，分别对应正转1小时计时、停歇2分钟计时。格栅进入自动运行状态后，触发正转定时器开始计数，计数达到3600000时，触发状态切换，断开正转输出并启动停歇定时器；停歇定时器计数达到120000时，再次触发状态切换，重启正转循环，程序内置故障复位触点，满足故障后的状态重置需求，同时预留手动干预端口，可随时切换至手动模式调整运行状态。

4.5 昆仑通态触摸屏人机界面设计

本课题结合泵站现场运维需求，基于昆仑通态组态软件开发适配性人机交互界面，整体框架划分为五大功能模块，各模块功能边界清晰，满足不同操作场景需求。运行状态总览界面整合显示集水井实时液位、三台水泵与格栅的运行状态、母线电压及各水泵运行电流核心参数，直观呈现全系统运行概况。水泵控制界面支持三台水泵单独切换手自动模式，提供手动启停操作按钮，同步显示单台水泵实时运行参数。格栅控制界面支持格栅手自动状态切换，手动模式可直接触发格栅启停，自动模式显示当前运行阶段与剩余计时。参数设置界面支持修改液位启停阈值、格栅运行计时参数，设置操作需权限验证避免误改。故障查询界面存储历史故障信息，可按时间检索查询，发生故障时自动弹窗提示故障类型与发生时间。

4.6 WinCC7.5远程监控组态设计

本课题基于WinCC7.5组态软件开发城域网接入型远程监控系统，依托加密VPN隧道实现现场PLC与远程监控端的安全数据交互，配套开发四类功能明确的监控界面。泵站运行总览界面同步现场数据，直观展示集水井实时液位、各设备运行状态、核心电气参数；历史数据查询界面支持按时间区间筛选液位、电流电压等运行数据，可查看任意时段的泵站运行趋势；远程操作界面仅对授权用户开放操作权限，支持设备远程启停、手自动状态切换；报警推送界面实时捕捉故障信号，自动弹窗标注故障类型与触发时间，同时存储报警记录。系统支持运行数据的本地存储与Excel格式导出，满足运维数据分析与存档需求。

五 课题研究计划与预期成果

5.1 分阶段研究进度安排

本课题严格按照16个月研究周期，分五个阶段明确任务节点与交付要求：

2025年2月-2025年4月，梳理国内外市政排水泵站智能化调控领域的现有研究成果与工程案例，对比不同技术路线的适配性，面向中小规模市政排水泵站的实际运行需求，梳理控制精度、运行可靠性、运维便捷性等核心要求，完成需求分析报告，明确系统整体架构与功能边界，确定最终设计方案，形成课题设计开题文件。

2025年5月-2025年8月，对照设计方案的功能需求完成全系统硬件参数匹配，逐一确定核心控制单元、感知设备、电力拖动部件、交互终端的具体型号，结合控制逻辑与功率要求绘制完整的电气主回路原理图、PLC IO接线图、通讯连接图，输出完整的硬件设计图纸与选型清单。

2025年9月-2026年1月，按模块化设计要求完成S7-200 smart ST30 PLC控制程序编写，完成昆仑通态触摸屏组态工程开发，完成WinCC7.5远程监控组态界面与通讯配置，输出全部可运行的软件工程文件。

2026年2月-2026年4月，搭建实物模拟测试平台，逐项测试液位联动、设备自锁互锁、远程通讯等功能，记录测试中出现的逻辑bug与交互问题，针对性优化控制逻辑与界面设计，完成系统功能调试。

2026年5月-2026年6月，整理全流程设计资料，撰写完整课题研究报告，整理所有设计文件与成果，准备课题验收。

5.2 课题预期设计成果

本课题完成后，可输出一套覆盖全设计流程的完整成果，所有成果均经过模拟调试验证，可直接适配中小规模市政排水泵站的智能化改造需求。输出成果包含完整的智能调控系统硬件设计方案，方案涵盖核心控制单元IO端口分配表、电气主回路原理图、PLC IO接线图、通讯连接图、全设备硬件选型清单，清晰明确标注各部件参数与安装对接要求，可直接用于现场施工改造。输出可直接导入运行的S7-200 smart ST30 PLC控制程序，程序采用模块化封装，附带功能注释与变量说明，可根据改造泵站的实际液位阈值、设备运行参数直接修改调整。输出适配7英寸昆仑通态触摸屏的完整组态工程文件，涵盖所有设计功能界面，可直接下载使用。输出包含通讯配置与全部监控界面的WinCC7.5远程监控组态工程，可直接对接城域网VPN架构完成远程部署。最终输出完整的课题研究报告，梳理设计思路、逻辑架构、调试优化过程与功能测试结果。整套成果无需额外二次开发即可落地应用，可为同类型排水泵站智能化改造提供成熟参考。

六 结语

本课题针对市政排水泵站传统调控模式的痛点，围绕中小型市政排水泵站智能化改造需求，完成了基于西门子S7-200 smart ST30 PLC的电力拖动智能调控系统全流程设计，明确分层架构功能边界，完成适配地下作业环境的硬件选型，开发模块化控制程序，组态本地与远程交互界面，形成了可直接落地的完整设计方案。

本设计遵循工业控制可靠性要求，优化信号滤波逻辑与水泵自锁互锁机制，解决了传统模式响应滞后、故障风险高、运维成本高的问题，分级液位联动可自动匹配不同降雨强度的排水需求，提升泵站应对城市内涝的响应能力，本地加远程的双重架构兼顾现场运维与无人值守需求，降低人力投入。

方案硬件成熟、程序可复用，可适配多数中小型泵站改造，受研究条件限制，未针对极端降雨超液位工况优化冗余控制，后续可结合实际数据完善逻辑，拓展极端工况适应能力，为排水设施智能化升级提供技术支撑。