基于PLC井下主排水泵綜合自動化控制的研究

摘 要：智能高效的地排放礦井涌水，對保障煤礦安全生產意義重大。本系統采用PLC和組態軟件對井下排水系統進行智能控制，中心控制器采用S7-300系列PLC，利用傳感器對各參數進行采集，通過軟件編程等完成了避峰就谷、自動輪換等節能優化排水過程，本系統還具有故障監測和保護功能，主要包括過壓、過流、漏電保護、水泵漏水保護、流量、壓力保護。上位機使用組態王進行操作，可實現遠程監控，實時顯示信息，井下排水調試運行證明該系統提高了生產效率，節省能耗，降低了生產成本。

關鍵詞：PLC；組態；智能高效；遠程控制

引言

現在許多煤礦采用傳統的繼電器控制方法代替煤礦工作人員的監測的方法是非常復雜的[1-3]，并且需要一個相對繁重的人力消耗。為了滿足礦井排水系統的需求，采用PLC和組態軟件結合設計自動化排水系統，通過工業以太網進行遠程控制，不僅提高了水泵的運行和使用效率，更重要的是節省能耗，降低生產成本。同時，本系統具有故障監測和保護功能[4]。

1 排水系統的控制

1.1 排水系統的總體控制要求

（1）水泵自動運行原則；（2）“避峰填谷”原則；（3）系統保護原則：a.漏水保護；b.超溫保護；c.過電流保護；d.兩種工作方式切換；e.系統遠程監控原則。

1.2 排水系統的控制策略

水泵房中水泵的運行主要是根據液位傳感器提供的液位，結合自動控制程序，在保證安全條件下的水倉水位和水倉所能容納的最大涌水量做出相應的判斷，決定投入運行的水泵數量和運行時間。由于煤礦井下的水位條件非常復雜，無法建立精確的數學模型對涌水量進行準確的定量描述，所以，選擇九點控制策略，通過對水位信號的實時采集，根據相鄰兩次采集的水位變化量和采集的時間間隔得到水位的變化率，并以此作為系統的控制依據水位的變化量和變化率，進而提高了排水系統應對不規則的涌水能力。

九點控制策略的基本原理如圖1所示，該控制策略的核心即為九點控制器。控制系統預先設定被控制量的基準值，此基準設定值與傳感器檢測的數值比較得到誤差 ，此誤差作為九點控制器的輸入量。

圖1 九點控制器原理框圖

在圖1中，r即為系統預先設定的基準值；c為傳感器檢測的數值即為系統的輸出量；e為控制參量的變化量，由系統設定的基準值 r與系統的被控量c之間的差值，即e=r-c。uc為九點控制器的輸出量，是根據控制參量的變化量e和控制參量的變化率■的實際狀態所決定的。

2 系統的硬件設計

2.1 排水系統的硬件結構

為滿足上述基本要求，系統的控制部分硬件是以S7-300可編程控制器為核心控制芯片。在此PLC基礎上，又擴展了模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、通信模塊和上位機監控中心。圖2為系統硬件整體框圖。

圖2 控制系統硬件整體框圖

2.2 傳感器的選擇

2.2.1 井下水倉液位檢測傳感器。本系統采用投入式液位傳感器，該傳感器是一種測量液位的壓力傳感器，基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號。

2.2.2 溫度傳感器。系統選擇工業用的紅外測溫儀實時監測點擊的軸溫。原理是將物體發射的紅外線具有的輻射能轉變成電信號，紅外線輻射能的大小與物體本身的溫度相對應，根據轉變成電信號大小，可以確定物體的溫度。

2.3 排水管路系統的閥門選型

本系統所選用的電動閘閥是ZB180-24/400型礦用隔爆型電動閘閥，并配有KXBC系列隔爆型控制箱，該控制箱是ZB系列電動閥門的專用控制裝置，具有短路保護、過載保護、欠壓保護等功能，并設置了行程控制、遠方/就地控制的切換功能，反饋到PLC的到位等信號皆為無源點輸出，有較強的抗干擾能力。電動球閥選用了QMB5型隔爆電動球閥，密封性好、動作速度快、動作可靠、故障率低。控制電壓為DC24V，可由PLC輸出繼電器直接驅動，采用霍爾傳感器檢測到位信號，比傳統的機械觸電更為準確，提高了控制精度。

2.4 水管流量監測

本系統選用LCZ-803型超聲波時差流量計，該流量計采用了先進的多脈沖技術、信號數字化處理技術及糾錯技術，能夠有效地抵抗來自變頻設備的干擾、電磁場的干擾和系統流態的干擾。

2.5 真空度檢測

本系統選用KGY4型負壓（壓力）傳感器，屬于礦用本質安全型設備，可對管道中的氣體的差力壓進行連續監測，并實時的顯示被測點的差壓值。

2.6 水泵出口壓力檢測

本系統選用KGY7型壓力傳感器，屬于礦用本質安全型設備，可對管道中的氣體、液體的壓力進行連續監測，并實時的顯示被測點的表壓值。

3 控制系統軟件設計

該井下排水系統中的軟件設計中要包括：主程序設計、水泵自動運行子程序設計、“避峰填谷”子程序設計、系統保護子程序設計、兩種工作方式切換子程序設計和系統初始化子程序設計。系統軟件設計框圖如圖3所示：

在系統開始運行后，首先需要是檢查PLC是否有故障，設備是否有故障，如果有故障，系統馬上停止，等待工作人員檢測排除故障。在主程序中，選擇系統的運行方式，是手動運行還是自動運行，以及選擇那個水泵那個管道記性具體的選擇。如圖4所示：

圖4 操作方式選擇流程圖

4 通信及上位機監控系統的實現

現在使用的是西門子的315-2PN/DP CPU，CPU本身集成了工業以太網接口，可以直接使用網線將現場的PLC和工控機連接在一起。在工控機中安裝SIMATIC NET作為OPC服務器，組態軟件中OPC LINK作為標準的OPC接口，這樣上位機組態軟件就可以和下位機PLC進行數據交換了。

圖5 遠程監控總體示意圖

本系統采用組態軟件為“組態王”，該軟件開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點明顯。根據實際的運行流程，本系統需要按照排水系統的具體要求畫出如下操作畫面：水泵房需監測的量主要有水位，水泵吸水管真空度，水泵出水口壓力，水泵電機軸溫度，電機定子溫度，出水管流量等。其中總監視畫面、手動畫面、歷史曲線畫面如圖6-圖8所示：

圖6 水泵房流程畫面

圖7 手動畫面

圖8 歷史曲線畫面

5 結束語

文中針對煤礦井下排水設備自動化程度不高的現狀，研究設計了PLC 控制與上位機相結合的煤礦井下自動排水系統。系統選用S7-300 系列PLC和“組態王”軟件編制的自動監測程序，用其監視設備的運行情況及各個運行參數，實現了泵房無人值守、設備安全可靠運行，減少了人力投入，提高了工作效率。

參考文獻

[1]李澤松.井下水泵房自動排水系統研究[M].太原：太原理工大學，2005.

[2]李美霞.煤礦排水泵自動控制系統設計[J].中小企業管理與科技，2009（36）：253.

[3]李井民.礦井主排水系統設計方法探討[J].科技信息，2010（6）：58-60.

[4]欒振輝，廖玲利.煤礦機械PLC控制技術[M].北京：化學工業出版社，2008.

作者簡介：王軍，本科生，電氣工程及其自動化。

摘 要：智能高效的地排放礦井涌水，對保障煤礦安全生產意義重大。本系統采用PLC和組態軟件對井下排水系統進行智能控制，中心控制器采用S7-300系列PLC，利用傳感器對各參數進行采集，通過軟件編程等完成了避峰就谷、自動輪換等節能優化排水過程，本系統還具有故障監測和保護功能，主要包括過壓、過流、漏電保護、水泵漏水保護、流量、壓力保護。上位機使用組態王進行操作，可實現遠程監控，實時顯示信息，井下排水調試運行證明該系統提高了生產效率，節省能耗，降低了生產成本。

關鍵詞：PLC；組態；智能高效；遠程控制

引言

現在許多煤礦采用傳統的繼電器控制方法代替煤礦工作人員的監測的方法是非常復雜的[1-3]，并且需要一個相對繁重的人力消耗。為了滿足礦井排水系統的需求，采用PLC和組態軟件結合設計自動化排水系統，通過工業以太網進行遠程控制，不僅提高了水泵的運行和使用效率，更重要的是節省能耗，降低生產成本。同時，本系統具有故障監測和保護功能[4]。

1 排水系統的控制

1.1 排水系統的總體控制要求

（1）水泵自動運行原則；（2）“避峰填谷”原則；（3）系統保護原則：a.漏水保護；b.超溫保護；c.過電流保護；d.兩種工作方式切換；e.系統遠程監控原則。

1.2 排水系統的控制策略

水泵房中水泵的運行主要是根據液位傳感器提供的液位，結合自動控制程序，在保證安全條件下的水倉水位和水倉所能容納的最大涌水量做出相應的判斷，決定投入運行的水泵數量和運行時間。由于煤礦井下的水位條件非常復雜，無法建立精確的數學模型對涌水量進行準確的定量描述，所以，選擇九點控制策略，通過對水位信號的實時采集，根據相鄰兩次采集的水位變化量和采集的時間間隔得到水位的變化率，并以此作為系統的控制依據水位的變化量和變化率，進而提高了排水系統應對不規則的涌水能力。

九點控制策略的基本原理如圖1所示，該控制策略的核心即為九點控制器。控制系統預先設定被控制量的基準值，此基準設定值與傳感器檢測的數值比較得到誤差 ，此誤差作為九點控制器的輸入量。

圖1 九點控制器原理框圖

在圖1中，r即為系統預先設定的基準值；c為傳感器檢測的數值即為系統的輸出量；e為控制參量的變化量，由系統設定的基準值 r與系統的被控量c之間的差值，即e=r-c。uc為九點控制器的輸出量，是根據控制參量的變化量e和控制參量的變化率■的實際狀態所決定的。

2 系統的硬件設計

2.1 排水系統的硬件結構

為滿足上述基本要求，系統的控制部分硬件是以S7-300可編程控制器為核心控制芯片。在此PLC基礎上，又擴展了模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、通信模塊和上位機監控中心。圖2為系統硬件整體框圖。

圖2 控制系統硬件整體框圖

2.2 傳感器的選擇

2.2.1 井下水倉液位檢測傳感器。本系統采用投入式液位傳感器，該傳感器是一種測量液位的壓力傳感器，基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號。

2.2.2 溫度傳感器。系統選擇工業用的紅外測溫儀實時監測點擊的軸溫。原理是將物體發射的紅外線具有的輻射能轉變成電信號，紅外線輻射能的大小與物體本身的溫度相對應，根據轉變成電信號大小，可以確定物體的溫度。

2.3 排水管路系統的閥門選型

本系統所選用的電動閘閥是ZB180-24/400型礦用隔爆型電動閘閥，并配有KXBC系列隔爆型控制箱，該控制箱是ZB系列電動閥門的專用控制裝置，具有短路保護、過載保護、欠壓保護等功能，并設置了行程控制、遠方/就地控制的切換功能，反饋到PLC的到位等信號皆為無源點輸出，有較強的抗干擾能力。電動球閥選用了QMB5型隔爆電動球閥，密封性好、動作速度快、動作可靠、故障率低。控制電壓為DC24V，可由PLC輸出繼電器直接驅動，采用霍爾傳感器檢測到位信號，比傳統的機械觸電更為準確，提高了控制精度。

2.4 水管流量監測

本系統選用LCZ-803型超聲波時差流量計，該流量計采用了先進的多脈沖技術、信號數字化處理技術及糾錯技術，能夠有效地抵抗來自變頻設備的干擾、電磁場的干擾和系統流態的干擾。

2.5 真空度檢測

本系統選用KGY4型負壓（壓力）傳感器，屬于礦用本質安全型設備，可對管道中的氣體的差力壓進行連續監測，并實時的顯示被測點的差壓值。

2.6 水泵出口壓力檢測

本系統選用KGY7型壓力傳感器，屬于礦用本質安全型設備，可對管道中的氣體、液體的壓力進行連續監測，并實時的顯示被測點的表壓值。

3 控制系統軟件設計

該井下排水系統中的軟件設計中要包括：主程序設計、水泵自動運行子程序設計、“避峰填谷”子程序設計、系統保護子程序設計、兩種工作方式切換子程序設計和系統初始化子程序設計。系統軟件設計框圖如圖3所示：

在系統開始運行后，首先需要是檢查PLC是否有故障，設備是否有故障，如果有故障，系統馬上停止，等待工作人員檢測排除故障。在主程序中，選擇系統的運行方式，是手動運行還是自動運行，以及選擇那個水泵那個管道記性具體的選擇。如圖4所示：

圖4 操作方式選擇流程圖

4 通信及上位機監控系統的實現

現在使用的是西門子的315-2PN/DP CPU，CPU本身集成了工業以太網接口，可以直接使用網線將現場的PLC和工控機連接在一起。在工控機中安裝SIMATIC NET作為OPC服務器，組態軟件中OPC LINK作為標準的OPC接口，這樣上位機組態軟件就可以和下位機PLC進行數據交換了。

圖5 遠程監控總體示意圖

本系統采用組態軟件為“組態王”，該軟件開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點明顯。根據實際的運行流程，本系統需要按照排水系統的具體要求畫出如下操作畫面：水泵房需監測的量主要有水位，水泵吸水管真空度，水泵出水口壓力，水泵電機軸溫度，電機定子溫度，出水管流量等。其中總監視畫面、手動畫面、歷史曲線畫面如圖6-圖8所示：

圖6 水泵房流程畫面

圖7 手動畫面

圖8 歷史曲線畫面

5 結束語

文中針對煤礦井下排水設備自動化程度不高的現狀，研究設計了PLC 控制與上位機相結合的煤礦井下自動排水系統。系統選用S7-300 系列PLC和“組態王”軟件編制的自動監測程序，用其監視設備的運行情況及各個運行參數，實現了泵房無人值守、設備安全可靠運行，減少了人力投入，提高了工作效率。

參考文獻

[1]李澤松.井下水泵房自動排水系統研究[M].太原：太原理工大學，2005.

[2]李美霞.煤礦排水泵自動控制系統設計[J].中小企業管理與科技，2009（36）：253.

[3]李井民.礦井主排水系統設計方法探討[J].科技信息，2010（6）：58-60.

[4]欒振輝，廖玲利.煤礦機械PLC控制技術[M].北京：化學工業出版社，2008.

作者簡介：王軍，本科生，電氣工程及其自動化。

摘 要：智能高效的地排放礦井涌水，對保障煤礦安全生產意義重大。本系統采用PLC和組態軟件對井下排水系統進行智能控制，中心控制器采用S7-300系列PLC，利用傳感器對各參數進行采集，通過軟件編程等完成了避峰就谷、自動輪換等節能優化排水過程，本系統還具有故障監測和保護功能，主要包括過壓、過流、漏電保護、水泵漏水保護、流量、壓力保護。上位機使用組態王進行操作，可實現遠程監控，實時顯示信息，井下排水調試運行證明該系統提高了生產效率，節省能耗，降低了生產成本。

關鍵詞：PLC；組態；智能高效；遠程控制

引言

現在許多煤礦采用傳統的繼電器控制方法代替煤礦工作人員的監測的方法是非常復雜的[1-3]，并且需要一個相對繁重的人力消耗。為了滿足礦井排水系統的需求，采用PLC和組態軟件結合設計自動化排水系統，通過工業以太網進行遠程控制，不僅提高了水泵的運行和使用效率，更重要的是節省能耗，降低生產成本。同時，本系統具有故障監測和保護功能[4]。

1 排水系統的控制

1.1 排水系統的總體控制要求

（1）水泵自動運行原則；（2）“避峰填谷”原則；（3）系統保護原則：a.漏水保護；b.超溫保護；c.過電流保護；d.兩種工作方式切換；e.系統遠程監控原則。

1.2 排水系統的控制策略

水泵房中水泵的運行主要是根據液位傳感器提供的液位，結合自動控制程序，在保證安全條件下的水倉水位和水倉所能容納的最大涌水量做出相應的判斷，決定投入運行的水泵數量和運行時間。由于煤礦井下的水位條件非常復雜，無法建立精確的數學模型對涌水量進行準確的定量描述，所以，選擇九點控制策略，通過對水位信號的實時采集，根據相鄰兩次采集的水位變化量和采集的時間間隔得到水位的變化率，并以此作為系統的控制依據水位的變化量和變化率，進而提高了排水系統應對不規則的涌水能力。

九點控制策略的基本原理如圖1所示，該控制策略的核心即為九點控制器。控制系統預先設定被控制量的基準值，此基準設定值與傳感器檢測的數值比較得到誤差 ，此誤差作為九點控制器的輸入量。

圖1 九點控制器原理框圖

在圖1中，r即為系統預先設定的基準值；c為傳感器檢測的數值即為系統的輸出量；e為控制參量的變化量，由系統設定的基準值 r與系統的被控量c之間的差值，即e=r-c。uc為九點控制器的輸出量，是根據控制參量的變化量e和控制參量的變化率■的實際狀態所決定的。

2 系統的硬件設計

2.1 排水系統的硬件結構

為滿足上述基本要求，系統的控制部分硬件是以S7-300可編程控制器為核心控制芯片。在此PLC基礎上，又擴展了模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、通信模塊和上位機監控中心。圖2為系統硬件整體框圖。

圖2 控制系統硬件整體框圖

2.2 傳感器的選擇

2.2.1 井下水倉液位檢測傳感器。本系統采用投入式液位傳感器，該傳感器是一種測量液位的壓力傳感器，基于所測液體靜壓與該液體的高度成比例的原理，采用隔離型擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成標準電信號。

2.2.2 溫度傳感器。系統選擇工業用的紅外測溫儀實時監測點擊的軸溫。原理是將物體發射的紅外線具有的輻射能轉變成電信號，紅外線輻射能的大小與物體本身的溫度相對應，根據轉變成電信號大小，可以確定物體的溫度。

2.3 排水管路系統的閥門選型

本系統所選用的電動閘閥是ZB180-24/400型礦用隔爆型電動閘閥，并配有KXBC系列隔爆型控制箱，該控制箱是ZB系列電動閥門的專用控制裝置，具有短路保護、過載保護、欠壓保護等功能，并設置了行程控制、遠方/就地控制的切換功能，反饋到PLC的到位等信號皆為無源點輸出，有較強的抗干擾能力。電動球閥選用了QMB5型隔爆電動球閥，密封性好、動作速度快、動作可靠、故障率低。控制電壓為DC24V，可由PLC輸出繼電器直接驅動，采用霍爾傳感器檢測到位信號，比傳統的機械觸電更為準確，提高了控制精度。

2.4 水管流量監測

本系統選用LCZ-803型超聲波時差流量計，該流量計采用了先進的多脈沖技術、信號數字化處理技術及糾錯技術，能夠有效地抵抗來自變頻設備的干擾、電磁場的干擾和系統流態的干擾。

2.5 真空度檢測

本系統選用KGY4型負壓（壓力）傳感器，屬于礦用本質安全型設備，可對管道中的氣體的差力壓進行連續監測，并實時的顯示被測點的差壓值。

2.6 水泵出口壓力檢測

本系統選用KGY7型壓力傳感器，屬于礦用本質安全型設備，可對管道中的氣體、液體的壓力進行連續監測，并實時的顯示被測點的表壓值。

3 控制系統軟件設計

該井下排水系統中的軟件設計中要包括：主程序設計、水泵自動運行子程序設計、“避峰填谷”子程序設計、系統保護子程序設計、兩種工作方式切換子程序設計和系統初始化子程序設計。系統軟件設計框圖如圖3所示：

在系統開始運行后，首先需要是檢查PLC是否有故障，設備是否有故障，如果有故障，系統馬上停止，等待工作人員檢測排除故障。在主程序中，選擇系統的運行方式，是手動運行還是自動運行，以及選擇那個水泵那個管道記性具體的選擇。如圖4所示：

圖4 操作方式選擇流程圖

4 通信及上位機監控系統的實現

現在使用的是西門子的315-2PN/DP CPU，CPU本身集成了工業以太網接口，可以直接使用網線將現場的PLC和工控機連接在一起。在工控機中安裝SIMATIC NET作為OPC服務器，組態軟件中OPC LINK作為標準的OPC接口，這樣上位機組態軟件就可以和下位機PLC進行數據交換了。

圖5 遠程監控總體示意圖

本系統采用組態軟件為“組態王”，該軟件開放性好、易于擴展、經濟、開發周期短等優點明顯。根據實際的運行流程，本系統需要按照排水系統的具體要求畫出如下操作畫面：水泵房需監測的量主要有水位，水泵吸水管真空度，水泵出水口壓力，水泵電機軸溫度，電機定子溫度，出水管流量等。其中總監視畫面、手動畫面、歷史曲線畫面如圖6-圖8所示：

圖6 水泵房流程畫面

圖7 手動畫面

圖8 歷史曲線畫面

5 結束語

文中針對煤礦井下排水設備自動化程度不高的現狀，研究設計了PLC 控制與上位機相結合的煤礦井下自動排水系統。系統選用S7-300 系列PLC和“組態王”軟件編制的自動監測程序，用其監視設備的運行情況及各個運行參數，實現了泵房無人值守、設備安全可靠運行，減少了人力投入，提高了工作效率。

參考文獻

[1]李澤松.井下水泵房自動排水系統研究[M].太原：太原理工大學，2005.

[2]李美霞.煤礦排水泵自動控制系統設計[J].中小企業管理與科技，2009（36）：253.

[3]李井民.礦井主排水系統設計方法探討[J].科技信息，2010（6）：58-60.

[4]欒振輝，廖玲利.煤礦機械PLC控制技術[M].北京：化學工業出版社，2008.

作者簡介：王軍，本科生，電氣工程及其自動化。