基于PLC和以太環(huán)網(wǎng)的礦井泵房自動控制系統(tǒng)設(shè)計

劉海波++卓邦遠(yuǎn)

摘 要：介紹了一種基于PLC和以太環(huán)網(wǎng)的礦井泵房自動控制系統(tǒng)的組成、工作原理和運(yùn)行方式。該系統(tǒng)采用PLC和工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù)，通過各種先進(jìn)可靠的傳感器、保護(hù)裝置、電動閘閥、電動球閥等設(shè)備，完成對礦井泵房的自動化控制，實(shí)現(xiàn)無人值守和地面遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了泵站系統(tǒng)的工作效率和安全性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng) PLC 自動控制系統(tǒng) 礦井泵房

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（a）-0090-02

礦井排水系統(tǒng)承擔(dān)著排出井下涌水的重要任務(wù)，是礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，排水系統(tǒng)各種設(shè)備能否安全、可靠、有效的運(yùn)行，關(guān)系到整個礦井的生產(chǎn)與安全。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2009年12月1日實(shí)施的《煤礦防治水規(guī)定》第118條規(guī)定：受水威脅嚴(yán)重的礦井，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)井下泵房無人值守和地面遠(yuǎn)程監(jiān)控，本系統(tǒng)正是根據(jù)此規(guī)定進(jìn)行設(shè)計的。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主排水泵3臺，二條排水管路，監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)、組態(tài)編程軟件、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、PLC控制器、傳感器、阻燃通信電纜、阻燃通信光纜、分線盒等設(shè)備組成。傳感器部分包括水位傳感器、超聲流量傳感器、正、負(fù)壓力傳感器、溫度傳感器等。井下控制系統(tǒng)采用SIMATIC S7-300 PLC，并采用系統(tǒng)組成以太網(wǎng)的機(jī)制，從而避免了生產(chǎn)的停機(jī)危險，它通過兩個并行的中央控制器實(shí)現(xiàn)，它們的CPU通過光纖連接，并通過冗余的PROROFBUS-DP線路對遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行控制。

控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為：地面上位機(jī)部分和井下泵房監(jiān)控站部分。

上位機(jī)部分由工控機(jī)和工業(yè)組態(tài)軟件WinCC V6.0構(gòu)成，用以實(shí)現(xiàn)水泵控制系統(tǒng)的地面監(jiān)控與數(shù)據(jù)上傳功能。上位機(jī)部分安裝于地面集控室，向上通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及組態(tài)軟件自帶的OPC Server 軟件接口向綜合自動化平臺提供實(shí)時數(shù)據(jù)，向下通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及OPC Clinet或光端機(jī)（光纖）與井下監(jiān)控站進(jìn)行實(shí)時通訊。

井下泵房監(jiān)控站部分采用1臺PLC控制器、3臺子控制器及各種傳感器等設(shè)備組成；PLC控制器監(jiān)控站安裝在泵房控制室內(nèi)，主要完成控制現(xiàn)場各傳感器信息采集與處理，并經(jīng)光信號接口或RJ45接口接入現(xiàn)場工業(yè)交換機(jī)將信息傳至地面上位機(jī)，同時接收上位機(jī)的控制信息，實(shí)現(xiàn)地面遙控井下水泵系統(tǒng)。

每臺子控制器可實(shí)現(xiàn)單臺水泵的手動控制，并在自動方式下接收PLC控制器總站下發(fā)的控制命令實(shí)現(xiàn)多臺水泵的自動控制。現(xiàn)場的各種反饋信號（高爆開關(guān)、電動閘閥等的返回點(diǎn)）接入各子控制器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)

2.1 控制功能及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)根據(jù)水倉水位信號自動開啟、停止水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，并對運(yùn)行中的各種狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，同時通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)上傳至地面上位機(jī)。設(shè)計中考慮以水倉水位為主，結(jié)合自動輪換和“避峰填谷”的原則，確定開、停各水泵時間。

根據(jù)監(jiān)視水位信號，可設(shè)定低水位、高水位、上限水位和危險水位。一般情況低水位時停泵，高水位時水泵運(yùn)行，但在用電高峰期時暫緩運(yùn)行，上限水位時備用水泵同時運(yùn)行，危險水位時，起動所有水泵投入運(yùn)行。

系統(tǒng)對于泵站具有自動、半自動、手動控制三種工作方式，根據(jù)具體情況設(shè)置不同的控制狀態(tài)。另外，每臺水泵可設(shè)置“運(yùn)行”、“備用”、“檢修”三種工作模式，以便在故障狀態(tài)下對系統(tǒng)和水泵進(jìn)行檢修，而不影響其他水泵的聯(lián)鎖控制。

在自動控制方式時，按照檢測水位的高低及根據(jù)高峰或低谷用電時間，自動選擇是否開泵，根據(jù)每臺泵的累積運(yùn)行時間，判斷優(yōu)先開哪臺泵，水泵開啟后，根據(jù)水位變化率及判斷是否達(dá)到告警水位，從而選擇需要開幾臺泵。半自動控制工作方式時，操作人員利用井下觸摸屏或地面監(jiān)控中心的監(jiān)控主機(jī)，通過開/關(guān)2個按鈕就可以控制水泵完成啟停的所有工作。手動控制方式時，操作人員可通過手動控制井下操作臺面板按鈕，控制各臺水泵電機(jī)的起、停及各電動閘閥開關(guān)動作。

當(dāng)出現(xiàn)水位超限、開關(guān)故障、壓力下降、流量下降等故障時系統(tǒng)將自動停止運(yùn)行，并發(fā)出聲光報警信號。

2.2 顯示及數(shù)據(jù)記錄功能

系統(tǒng)能夠?qū)崟r動態(tài)模擬顯示系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)，如水倉水位、水泵流量、水泵壓力、電流及電動機(jī)、電動閘閥等的各種工作狀態(tài)；可實(shí)時顯示系統(tǒng)的故障信息，并發(fā)出報警；實(shí)時顯示水位、流量、壓力等模擬量的實(shí)時曲線，并將系統(tǒng)的各種參數(shù)狀態(tài)、故障及開停時間統(tǒng)計等信息記錄到數(shù)據(jù)庫中。

2.3 檢測與保護(hù)功能

系統(tǒng)保護(hù)包括電動機(jī)故障保護(hù)、電動閘閥故障保護(hù)、水泵啟動保護(hù)等。水泵自動控制系統(tǒng)主要通過各種傳感器，對水倉水位、排水管路流量、真空壓力、水泵壓力等信號進(jìn)行實(shí)時檢測，同時通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)送至地面工控機(jī)，通過對數(shù)據(jù)的判斷，完成水泵系統(tǒng)的檢測和控制功能。

2.4 采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)設(shè)計

系統(tǒng)采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)設(shè)計，即方便系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用，又可以接入數(shù)字化礦山系統(tǒng)，并且工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)勢獨(dú)特，易于網(wǎng)絡(luò)管理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 PLC程序設(shè)計

本系統(tǒng)選用德國西門子公司的SIMATIC S7-300系列PLC系統(tǒng)。PLC所用的編程語言是西門子開發(fā)的STEP7，這是一種可運(yùn)行于通用微機(jī)中，在WINDOWS環(huán)境下進(jìn)行編程的語言。通過STEP7編程軟件，不僅可以非常方便地使用梯形圖和語句表等形式進(jìn)行離線編程，而且在調(diào)試運(yùn)行時，還可以在線監(jiān)視程序中各個輸入輸出或狀態(tài)點(diǎn)的通斷狀況，甚至可以在線修改程序中變量的值。

系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2所示，從圖中可以看出，系統(tǒng)開始啟動后，首先初始化設(shè)定值，然后判斷系統(tǒng)處于自動運(yùn)行、手動運(yùn)行、半自動運(yùn)行三種運(yùn)行方式中的哪一種，然后根據(jù)判斷得到的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的操作。如PLC處于自動運(yùn)行方式時，則PLC根據(jù)程序流程順序執(zhí)行，自動完成水泵的啟動、輪換、用電峰谷段判斷、故障報警、停止等工作。如處于半自動運(yùn)行方式下，則由人工選擇哪臺水泵投入運(yùn)行，PLC根據(jù)水泵的泵號自動完成該臺水泵的自動啟動、運(yùn)行和停止。而手動方式下，PLC不參與任何操作控制，全部由人工通過控制按鈕來控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行。endprint

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計

上位機(jī)軟件采用WinCC V6.0組態(tài)和實(shí)時監(jiān)控軟件。WinCC V6.0采用標(biāo)準(zhǔn)Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)歸檔，同時具有Web瀏覽功能，可使經(jīng)理、廠長在辦公室內(nèi)看到生產(chǎn)流程的動態(tài)畫面，從而更好的調(diào)度指揮生產(chǎn)。作為SIMATIC全集成自動化的重要組成部分，WinCC確保與SIMATIC S7等系列PLC連接的方便和通訊的高效，它提供生成復(fù)雜的可視化任務(wù)的組件和函數(shù)，生成畫面、腳本、報警、趨勢和報表的編輯器由最基本的WinCC系統(tǒng)組件建立。

上位機(jī)監(jiān)控畫面主要由主界面、單臺泵監(jiān)控界面、趨勢界面、歷史數(shù)據(jù)表格界面、故障報警界面、參數(shù)設(shè)置界面等組成。主界面直觀顯示整個排水系統(tǒng)，實(shí)時顯示水泵的運(yùn)行狀態(tài)、入水口真空度、出水口壓力、電機(jī)工作電流、電壓、電機(jī)溫度、軸承溫度、水倉水位和管路流量等參數(shù)。單臺泵監(jiān)控界面單獨(dú)顯示每臺水泵的工作狀態(tài)、報警信息、運(yùn)行參數(shù)，對水泵的啟動和停止進(jìn)行控制，并具有故障復(fù)位按鈕。趨勢界面是以曲線的形式顯示水泵軸溫、電機(jī)溫度等重要參數(shù)。歷史數(shù)據(jù)表格是以表格的形式顯示保存歷史數(shù)據(jù)。故障報警是對系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行報警，并可以保存報警類型及時間，以便查詢故障記錄。參數(shù)設(shè)置界面主要對系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置管理。

3.3 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的建構(gòu)

根據(jù)煤礦需求，煤礦綜合信息自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括井下網(wǎng)絡(luò)和井上網(wǎng)絡(luò)兩部分，均為環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)，通過核心交換機(jī)相連接。環(huán)型以太網(wǎng)為1000MB工業(yè)以太網(wǎng)，作為全礦主干網(wǎng)，為全礦各個子系統(tǒng)提供方便靈活的工業(yè)以太網(wǎng)接口，地面、井下子系統(tǒng)均可以方便接入，形成一個煤礦綜合信息自動化控制系統(tǒng)的綜合傳輸平臺，可有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、可靠性、安全性，使網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和開放性。

以西門子SCALANCE X-400型交換機(jī)為骨干網(wǎng)交換機(jī)，MACH4002型交換機(jī)為網(wǎng)關(guān)交換機(jī)，其示意圖如圖3所示。

4 結(jié)語

該文基于PLC和以太環(huán)網(wǎng)的礦井泵房自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水泵性能及狀態(tài)的在線實(shí)時監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制，以水倉水位為主，結(jié)合分時計費(fèi)和“移峰填谷”原則，確定開停水泵時間，自動實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作，大大延長了水泵壽命，達(dá)到了節(jié)能、降耗的目的，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入到礦井綜合自動化系統(tǒng)中，方便進(jìn)行綜合管理，為井下安全生產(chǎn)提供了有力保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉增輝，賴英旭，趙偉.西門子S7-300PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

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[4] 劉海波，卓邦遠(yuǎn).PLC在煤礦帶式輸送機(jī)電控裝置中的設(shè)計與應(yīng)用[J].安徽科技，2008（8）：47-48.endprint

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計

上位機(jī)軟件采用WinCC V6.0組態(tài)和實(shí)時監(jiān)控軟件。WinCC V6.0采用標(biāo)準(zhǔn)Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)歸檔，同時具有Web瀏覽功能，可使經(jīng)理、廠長在辦公室內(nèi)看到生產(chǎn)流程的動態(tài)畫面，從而更好的調(diào)度指揮生產(chǎn)。作為SIMATIC全集成自動化的重要組成部分，WinCC確保與SIMATIC S7等系列PLC連接的方便和通訊的高效，它提供生成復(fù)雜的可視化任務(wù)的組件和函數(shù)，生成畫面、腳本、報警、趨勢和報表的編輯器由最基本的WinCC系統(tǒng)組件建立。

上位機(jī)監(jiān)控畫面主要由主界面、單臺泵監(jiān)控界面、趨勢界面、歷史數(shù)據(jù)表格界面、故障報警界面、參數(shù)設(shè)置界面等組成。主界面直觀顯示整個排水系統(tǒng)，實(shí)時顯示水泵的運(yùn)行狀態(tài)、入水口真空度、出水口壓力、電機(jī)工作電流、電壓、電機(jī)溫度、軸承溫度、水倉水位和管路流量等參數(shù)。單臺泵監(jiān)控界面單獨(dú)顯示每臺水泵的工作狀態(tài)、報警信息、運(yùn)行參數(shù)，對水泵的啟動和停止進(jìn)行控制，并具有故障復(fù)位按鈕。趨勢界面是以曲線的形式顯示水泵軸溫、電機(jī)溫度等重要參數(shù)。歷史數(shù)據(jù)表格是以表格的形式顯示保存歷史數(shù)據(jù)。故障報警是對系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行報警，并可以保存報警類型及時間，以便查詢故障記錄。參數(shù)設(shè)置界面主要對系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置管理。

3.3 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的建構(gòu)

根據(jù)煤礦需求，煤礦綜合信息自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括井下網(wǎng)絡(luò)和井上網(wǎng)絡(luò)兩部分，均為環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)，通過核心交換機(jī)相連接。環(huán)型以太網(wǎng)為1000MB工業(yè)以太網(wǎng)，作為全礦主干網(wǎng)，為全礦各個子系統(tǒng)提供方便靈活的工業(yè)以太網(wǎng)接口，地面、井下子系統(tǒng)均可以方便接入，形成一個煤礦綜合信息自動化控制系統(tǒng)的綜合傳輸平臺，可有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、可靠性、安全性，使網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和開放性。

以西門子SCALANCE X-400型交換機(jī)為骨干網(wǎng)交換機(jī)，MACH4002型交換機(jī)為網(wǎng)關(guān)交換機(jī)，其示意圖如圖3所示。

4 結(jié)語

該文基于PLC和以太環(huán)網(wǎng)的礦井泵房自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水泵性能及狀態(tài)的在線實(shí)時監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制，以水倉水位為主，結(jié)合分時計費(fèi)和“移峰填谷”原則，確定開停水泵時間，自動實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作，大大延長了水泵壽命，達(dá)到了節(jié)能、降耗的目的，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入到礦井綜合自動化系統(tǒng)中，方便進(jìn)行綜合管理，為井下安全生產(chǎn)提供了有力保障。

參考文獻(xiàn)

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[4] 劉海波，卓邦遠(yuǎn).PLC在煤礦帶式輸送機(jī)電控裝置中的設(shè)計與應(yīng)用[J].安徽科技，2008（8）：47-48.endprint

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計

上位機(jī)軟件采用WinCC V6.0組態(tài)和實(shí)時監(jiān)控軟件。WinCC V6.0采用標(biāo)準(zhǔn)Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)歸檔，同時具有Web瀏覽功能，可使經(jīng)理、廠長在辦公室內(nèi)看到生產(chǎn)流程的動態(tài)畫面，從而更好的調(diào)度指揮生產(chǎn)。作為SIMATIC全集成自動化的重要組成部分，WinCC確保與SIMATIC S7等系列PLC連接的方便和通訊的高效，它提供生成復(fù)雜的可視化任務(wù)的組件和函數(shù)，生成畫面、腳本、報警、趨勢和報表的編輯器由最基本的WinCC系統(tǒng)組件建立。

上位機(jī)監(jiān)控畫面主要由主界面、單臺泵監(jiān)控界面、趨勢界面、歷史數(shù)據(jù)表格界面、故障報警界面、參數(shù)設(shè)置界面等組成。主界面直觀顯示整個排水系統(tǒng)，實(shí)時顯示水泵的運(yùn)行狀態(tài)、入水口真空度、出水口壓力、電機(jī)工作電流、電壓、電機(jī)溫度、軸承溫度、水倉水位和管路流量等參數(shù)。單臺泵監(jiān)控界面單獨(dú)顯示每臺水泵的工作狀態(tài)、報警信息、運(yùn)行參數(shù)，對水泵的啟動和停止進(jìn)行控制，并具有故障復(fù)位按鈕。趨勢界面是以曲線的形式顯示水泵軸溫、電機(jī)溫度等重要參數(shù)。歷史數(shù)據(jù)表格是以表格的形式顯示保存歷史數(shù)據(jù)。故障報警是對系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行報警，并可以保存報警類型及時間，以便查詢故障記錄。參數(shù)設(shè)置界面主要對系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置管理。

3.3 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的建構(gòu)

根據(jù)煤礦需求，煤礦綜合信息自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括井下網(wǎng)絡(luò)和井上網(wǎng)絡(luò)兩部分，均為環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng)，通過核心交換機(jī)相連接。環(huán)型以太網(wǎng)為1000MB工業(yè)以太網(wǎng)，作為全礦主干網(wǎng)，為全礦各個子系統(tǒng)提供方便靈活的工業(yè)以太網(wǎng)接口，地面、井下子系統(tǒng)均可以方便接入，形成一個煤礦綜合信息自動化控制系統(tǒng)的綜合傳輸平臺，可有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、可靠性、安全性，使網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和開放性。

以西門子SCALANCE X-400型交換機(jī)為骨干網(wǎng)交換機(jī)，MACH4002型交換機(jī)為網(wǎng)關(guān)交換機(jī)，其示意圖如圖3所示。

4 結(jié)語

該文基于PLC和以太環(huán)網(wǎng)的礦井泵房自動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水泵性能及狀態(tài)的在線實(shí)時監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制，以水倉水位為主，結(jié)合分時計費(fèi)和“移峰填谷”原則，確定開停水泵時間，自動實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作，大大延長了水泵壽命，達(dá)到了節(jié)能、降耗的目的，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入到礦井綜合自動化系統(tǒng)中，方便進(jìn)行綜合管理，為井下安全生產(chǎn)提供了有力保障。

參考文獻(xiàn)

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[4] 劉海波，卓邦遠(yuǎn).PLC在煤礦帶式輸送機(jī)電控裝置中的設(shè)計與應(yīng)用[J].安徽科技，2008（8）：47-48.endprint