基于PLC和以太環(huán)網的礦井泵房自動控制系統(tǒng)設計

劉海波++卓邦遠

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

關鍵詞：工業(yè)以太網 PLC 自動控制系統(tǒng) 礦井泵房

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

礦井排水系統(tǒng)承擔著排出井下涌水的重要任務，是礦井安全生產的關鍵環(huán)節(jié)，排水系統(tǒng)各種設備能否安全、可靠、有效的運行，關系到整個礦井的生產與安全。國家安全生產監(jiān)督管理總局2009年12月1日實施的《煤礦防治水規(guī)定》第118條規(guī)定：受水威脅嚴重的礦井，應當實現(xiàn)井下泵房無人值守和地面遠程監(jiān)控，本系統(tǒng)正是根據此規(guī)定進行設計的。

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、組態(tài)編程軟件、工業(yè)以太環(huán)網交換機、PLC控制器、傳感器、阻燃通信電纜、阻燃通信光纜、分線盒等設備組成。傳感器部分包括水位傳感器、超聲流量傳感器、正、負壓力傳感器、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)組成以太網的機制，從而避免了生產的停機危險，它通過兩個并行的中央控制器實現(xiàn)，它們的CPU通過光纖連接，并通過冗余的PROROFBUS-DP線路對遠程I/O進行控制。

控制系統(tǒng)總體結構分為：地面上位機部分和井下泵房監(jiān)控站部分。

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

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備組成；PLC控制器監(jiān)控站安裝在泵房控制室內，主要完成控制現(xiàn)場各傳感器信息采集與處理，并經光信號接口或RJ45接口接入現(xiàn)場工業(yè)交換機將信息傳至地面上位機，同時接收上位機的控制信息，實現(xiàn)地面遙控井下水泵系統(tǒng)。

每臺子控制器可實現(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、電動閘閥等的返回點）接入各子控制器。系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能及實現(xiàn)

2.1 控制功能及實現(xiàn)

系統(tǒng)根據水倉水位信號自動開啟、停止水泵的運轉，并對運行中的各種狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)控，同時通過以太網把數(shù)據上傳至地面上位機。設計中考慮以水倉水位為主，結合自動輪換和“避峰填谷”的原則，確定開、停各水泵時間。

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

系統(tǒng)對于泵站具有自動、半自動、手動控制三種工作方式，根據具體情況設置不同的控制狀態(tài)。另外，每臺水泵可設置“運行”、“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高峰或低谷用電時間，自動選擇是否開泵，根據每臺泵的累積運行時間，判斷優(yōu)先開哪臺泵，水泵開啟后，根據水位變化率及判斷是否達到告警水位，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，通過開/關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，控制各臺水泵電機的起、停及各電動閘閥開關動作。

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

2.2 顯示及數(shù)據記錄功能

系統(tǒng)能夠實時動態(tài)模擬顯示系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)，如水倉水位、水泵流量、水泵壓力、電流及電動機、電動閘閥等的各種工作狀態(tài)；可實時顯示系統(tǒng)的故障信息，并發(fā)出報警；實時顯示水位、流量、壓力等模擬量的實時曲線，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)據庫中。

2.3 檢測與保護功能

系統(tǒng)保護包括電動機故障保護、電動閘閥故障保護、水泵啟動保護等。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、水泵壓力等信號進行實時檢測，同時通過以太網把數(shù)據送至地面工控機，通過對數(shù)據的判斷，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)網設計

系統(tǒng)采用工業(yè)以太環(huán)網設計，即方便系統(tǒng)擴展應用，又可以接入數(shù)字化礦山系統(tǒng)，并且工業(yè)以太網優(yōu)勢獨特，易于網絡管理。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 PLC程序設計

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，這是一種可運行于通用微機中，在WINDOWS環(huán)境下進行編程的語言。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行離線編程，而且在調試運行時，還可以在線監(jiān)視程序中各個輸入輸出或狀態(tài)點的通斷狀況，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，首先初始化設定值，然后判斷系統(tǒng)處于自動運行、手動運行、半自動運行三種運行方式中的哪一種，然后根據判斷得到的結果進行相應的操作。如PLC處于自動運行方式時，則PLC根據程序流程順序執(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。如處于半自動運行方式下，則由人工選擇哪臺水泵投入運行，PLC根據水泵的泵號自動完成該臺水泵的自動啟動、運行和停止。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)的運行。endprint

3.2 上位機程序設計

上位機軟件采用WinCC V6.0組態(tài)和實時監(jiān)控軟件。WinCC V6.0采用標準Microsoft SQL Server 2000數(shù)據庫進行生產數(shù)據歸檔，同時具有Web瀏覽功能，可使經理、廠長在辦公室內看到生產流程的動態(tài)畫面，從而更好的調度指揮生產。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，它提供生成復雜的可視化任務的組件和函數(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)據表格界面、故障報警界面、參數(shù)設置界面等組成。主界面直觀顯示整個排水系統(tǒng)，實時顯示水泵的運行狀態(tài)、入水口真空度、出水口壓力、電機工作電流、電壓、電機溫度、軸承溫度、水倉水位和管路流量等參數(shù)。單臺泵監(jiān)控界面單獨顯示每臺水泵的工作狀態(tài)、報警信息、運行參數(shù)，對水泵的啟動和停止進行控制，并具有故障復位按鈕。趨勢界面是以曲線的形式顯示水泵軸溫、電機溫度等重要參數(shù)。歷史數(shù)據表格是以表格的形式顯示保存歷史數(shù)據。故障報警是對系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的故障進行報警，并可以保存報警類型及時間，以便查詢故障記錄。參數(shù)設置界面主要對系統(tǒng)各參數(shù)進行設置管理。

3.3 工業(yè)以太環(huán)網的建構

根據煤礦需求，煤礦綜合信息自動化監(jiān)控網絡系統(tǒng)包括井下網絡和井上網絡兩部分，均為環(huán)型工業(yè)以太網，通過核心交換機相連接。環(huán)型以太網為1000MB工業(yè)以太網，作為全礦主干網，為全礦各個子系統(tǒng)提供方便靈活的工業(yè)以太網接口，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)據傳輸?shù)膶崟r性、可靠性、安全性，使網絡具有較強的適應性和開放性。

以西門子SCALANCE X-400型交換機為骨干網交換機，MACH4002型交換機為網關交換機，其示意圖如圖3所示。

4 結語

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

參考文獻

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

[2] 李志紅，王峰，閆曉雷.基于PLC的礦井中央泵房自動控制系統(tǒng)設計[J].煤礦機械，2010（3）：150-152.

[3] 孟國勝，白國寶，袁海賓.工業(yè)以太環(huán)網+三層物理網絡結構的煤礦自動化網絡平臺[J].煤礦機電，2014（1）：136-138.

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

3.2 上位機程序設計

上位機軟件采用WinCC V6.0組態(tài)和實時監(jiān)控軟件。WinCC V6.0采用標準Microsoft SQL Server 2000數(shù)據庫進行生產數(shù)據歸檔，同時具有Web瀏覽功能，可使經理、廠長在辦公室內看到生產流程的動態(tài)畫面，從而更好的調度指揮生產。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，它提供生成復雜的可視化任務的組件和函數(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)據表格界面、故障報警界面、參數(shù)設置界面等組成。主界面直觀顯示整個排水系統(tǒng)，實時顯示水泵的運行狀態(tài)、入水口真空度、出水口壓力、電機工作電流、電壓、電機溫度、軸承溫度、水倉水位和管路流量等參數(shù)。單臺泵監(jiān)控界面單獨顯示每臺水泵的工作狀態(tài)、報警信息、運行參數(shù)，對水泵的啟動和停止進行控制，并具有故障復位按鈕。趨勢界面是以曲線的形式顯示水泵軸溫、電機溫度等重要參數(shù)。歷史數(shù)據表格是以表格的形式顯示保存歷史數(shù)據。故障報警是對系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的故障進行報警，并可以保存報警類型及時間，以便查詢故障記錄。參數(shù)設置界面主要對系統(tǒng)各參數(shù)進行設置管理。

3.3 工業(yè)以太環(huán)網的建構

根據煤礦需求，煤礦綜合信息自動化監(jiān)控網絡系統(tǒng)包括井下網絡和井上網絡兩部分，均為環(huán)型工業(yè)以太網，通過核心交換機相連接。環(huán)型以太網為1000MB工業(yè)以太網，作為全礦主干網，為全礦各個子系統(tǒng)提供方便靈活的工業(yè)以太網接口，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)據傳輸?shù)膶崟r性、可靠性、安全性，使網絡具有較強的適應性和開放性。

以西門子SCALANCE X-400型交換機為骨干網交換機，MACH4002型交換機為網關交換機，其示意圖如圖3所示。

4 結語

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

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3.2 上位機程序設計

上位機軟件采用WinCC V6.0組態(tài)和實時監(jiān)控軟件。WinCC V6.0采用標準Microsoft SQL Server 2000數(shù)據庫進行生產數(shù)據歸檔，同時具有Web瀏覽功能，可使經理、廠長在辦公室內看到生產流程的動態(tài)畫面，從而更好的調度指揮生產。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，它提供生成復雜的可視化任務的組件和函數(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)據表格界面、故障報警界面、參數(shù)設置界面等組成。主界面直觀顯示整個排水系統(tǒng)，實時顯示水泵的運行狀態(tài)、入水口真空度、出水口壓力、電機工作電流、電壓、電機溫度、軸承溫度、水倉水位和管路流量等參數(shù)。單臺泵監(jiān)控界面單獨顯示每臺水泵的工作狀態(tài)、報警信息、運行參數(shù)，對水泵的啟動和停止進行控制，并具有故障復位按鈕。趨勢界面是以曲線的形式顯示水泵軸溫、電機溫度等重要參數(shù)。歷史數(shù)據表格是以表格的形式顯示保存歷史數(shù)據。故障報警是對系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的故障進行報警，并可以保存報警類型及時間，以便查詢故障記錄。參數(shù)設置界面主要對系統(tǒng)各參數(shù)進行設置管理。

3.3 工業(yè)以太環(huán)網的建構

根據煤礦需求，煤礦綜合信息自動化監(jiān)控網絡系統(tǒng)包括井下網絡和井上網絡兩部分，均為環(huán)型工業(yè)以太網，通過核心交換機相連接。環(huán)型以太網為1000MB工業(yè)以太網，作為全礦主干網，為全礦各個子系統(tǒng)提供方便靈活的工業(yè)以太網接口，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)據傳輸?shù)膶崟r性、可靠性、安全性，使網絡具有較強的適應性和開放性。

以西門子SCALANCE X-400型交換機為骨干網交換機，MACH4002型交換機為網關交換機，其示意圖如圖3所示。

4 結語

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

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