礦井下無人值守泵站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文響應(yīng)國(guó)家“感知礦山”的號(hào)召，以基于工業(yè)以太網(wǎng)為傳送手段，介紹了S7-300 PLC及其模塊、壓力傳感器、流量傳感器及控制閥構(gòu)成的礦井下無人值守泵站監(jiān)控系統(tǒng)，描述了該系統(tǒng)的工作原理，給出系統(tǒng)的硬件組成框圖，介紹了利用組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)界面。

關(guān)鍵詞：以太網(wǎng)S7-300 PLC及模塊組態(tài)軟件

0引言

隨著自動(dòng)化程度的提高，中國(guó)各行各業(yè)的工作模式也發(fā)生了很大變化。伴隨著中國(guó)礦大提出的“感知地下”的口號(hào)，越來越多的技術(shù)人員開始關(guān)注煤礦的安全生產(chǎn)情況，并提出了現(xiàn)代化的改進(jìn)方案，煤礦井下無人值守泵房也是在此大環(huán)境下提出的。本設(shè)計(jì)通過利用S7-300及其附屬模塊作為控制核心，利用壓力傳感器、流量傳感器作為感知器件，利用高壓泵及控制閥作為操作手段，利用工業(yè)以太網(wǎng)作為傳送手段，實(shí)現(xiàn)了井下泵房的無人值守，同時(shí)使礦井安全系數(shù)大大提高。

1控制原理

近幾年來，礦上領(lǐng)導(dǎo)非常重視工業(yè)信息化的改造，在礦井底下鋪設(shè)了比較粗的光纜，目的是把礦井底下的有關(guān)數(shù)據(jù)、有關(guān)控制信息盡可能地通過此光纜傳送到地面上來，以達(dá)到增加安全系數(shù)，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本的目的。該系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)使用的就是該以太網(wǎng)。控制原理如圖1。

2自動(dòng)排水的工作原理

當(dāng)?shù)V井底下的水比較多時(shí)，控制系統(tǒng)需要自動(dòng)啟動(dòng)高壓水泵向上排水。由于礦井下的高壓泵在開始工作時(shí)，不能使用泵本身進(jìn)行抽空，必須使用其它方法產(chǎn)生真空，因此，在設(shè)計(jì)此系統(tǒng)時(shí)必須考慮這一塊。通過摸索，利用自動(dòng)涉流的方法解決這個(gè)問題。

高壓水泵啟動(dòng)程序：水位達(dá)到一定程度后，先啟動(dòng)涉流程序，打開涉流閥，等到水進(jìn)入高壓水泵并充滿時(shí)啟動(dòng)高壓水泵，此時(shí)排水管道的壓力開始上升。但此時(shí)排水管道的主閥門還不能打開，如果此時(shí)打開，可能不僅水不能向上排，還有可能向下排，倒灌進(jìn)高壓水泵，畢竟原來管道的水壓力比較高。等管道的水壓力達(dá)到一定值時(shí)，排水管道閥門打開，開始向上排水。

高壓水泵關(guān)閉程序：水泵運(yùn)行一段時(shí)間后，水位下降了，就可以啟動(dòng)關(guān)閉程序。首先關(guān)閉管道的主閥門，然后關(guān)閉水泵。

3控制系統(tǒng)的硬件配置

系統(tǒng)的硬件配置是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要進(jìn)行的，由于在礦井地下，所以結(jié)構(gòu)盡可能小，系統(tǒng)要保證穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上考慮性價(jià)比。該系統(tǒng)的硬件配置為：電源模塊一個(gè)（PS307），S7-300CPU模塊一個(gè)（CPU314），以太網(wǎng)模塊一個(gè)（CP343-1），DI模塊兩個(gè)（SM321），DO模塊一個(gè)（SM322），AI模塊三個(gè)（SM331）。具體要求要滿足可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊，32個(gè)數(shù)字輸入量，16個(gè)數(shù)字輸出量，22個(gè)模擬輸入量，硬件配置如圖2所示：

圖2硬件配置圖4人機(jī)界面設(shè)計(jì)

當(dāng)前流行的組態(tài)軟件較多，如INTOUCH、iFIX、組態(tài)王、LABview等，選用性價(jià)比較高的WINCC。WINCC功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)控制簡(jiǎn)單，便于書寫程序，圖形庫(kù)豐富在設(shè)計(jì)人機(jī)界面中。該系統(tǒng)中主要設(shè)計(jì)了，“主監(jiān)控”畫面、“高壓水泵啟動(dòng)”畫面、“流量壓力”畫面等。

5PC機(jī)與PLC的通訊方式

在用以太網(wǎng)使上位機(jī)與PLC通訊時(shí)，設(shè)置簡(jiǎn)單方便，只需把上位PC機(jī)和下位PLC只需設(shè)置在一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)即可，假定上位PC1地址設(shè)為128128164，上位PC2地址設(shè)為128128165 ，PLC的地址設(shè)為1281281105，它們之間就可以相互通訊。擴(kuò)展也很方便，只需要把新加入的設(shè)備設(shè)置在此網(wǎng)段內(nèi)并給它分配一個(gè)IP地址即可。

6PLC編程

PLC程序主要包括三個(gè)部分，一是PLC的IP地址的設(shè)定，二是PLC系統(tǒng)的組態(tài)，最后一部分是控制程序的編寫。

至于礦井上面的上位機(jī)一般使與PLC的IP地址在同一個(gè)網(wǎng)段內(nèi)就可以了，并且和WINCC軟件中設(shè)置的PLC的IP地址相同。

控制部分中為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，該系統(tǒng)設(shè)置了半自動(dòng)及全自動(dòng)方式，半自動(dòng)的優(yōu)先級(jí)高于全自動(dòng)。無論在哪種方式中，都需要主要泵檢修的情況，一旦泵處于檢修的狀態(tài)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到并自動(dòng)切換到另外一個(gè)泵，進(jìn)行控制運(yùn)行。在全自動(dòng)方式中，為了避免總是啟動(dòng)同一個(gè)泵的問題，程序中集成了一些算法，基本保證泵房中泵運(yùn)行的總體時(shí)間差不多。

7結(jié)論

系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制靈活方便，功能強(qiáng)大，滿足了生產(chǎn)的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]西門子編程手冊(cè)