S7-1200 PLC 在智能化礦山泵站中的應用

王貴根，莫州寒，付艷龍

（江西銅業集團有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

城門山銅礦露天采場處于賽城湖湖畔，水文條件復雜，采區地下涌水并形成工業廢水，需要及時排出以保障采礦作業的順利進行。目前，采場各泵站的運行管理方式均為人工控制的方式。為改變現有狀況，城門山銅礦正在推進智能化礦山建設，通過信息化和自動化［4］的融合，對采場各泵站進行智能化改造。

以+30排土場泵站為例進行自動控制系統［2］改造說明。如圖1所示，排土場泵站排水系統由2套排水設備、1條排水管路及相應輔助設備組成。水泵由2臺300WFB-AD4離心式自吸泵組成，泵吸水管安裝DN200底閥，出水管安裝DN200閘閥，管路由2根DN200玻璃鋼管用三通連接匯成1路DN300鋼骨架復合管，輸送至選廠污水調節庫，全程約1100m。為了防止管道泄漏，工業廢水流入周邊湖泊造成環境污染，在排水管道上安裝一旁通管，當主管道破損泄漏時打開旁通管道閘閥，把工業廢水導入排土場蓄水池。水泵啟動采用軟啟動器。

2 系統改造方案設計

+30排土場泵站的自動控制系統改造，需要建立大量現場調控的控制順序、邏輯以及各種故障自動處理機制。如何解決以上問題，保障泵站無人值守時的正常運行，是本次改造方案設計的重點。通過對軟件實現功能與邏輯的精準定位，同時選擇市面上成熟、可靠的硬件產品是比較好的解決方式。

為實現泵站無人值守的要求，系統需具備如下功能：

（1）建立全無人值守、定期專業巡檢的構架，依據水倉水位、“移峰填谷”、“均勻磨損”等原則，遠程控制啟停水泵，減少泵房操作人員，規范水泵操作流程，降低生產運營成本，提高經濟效益。

（2）具備液位變化分析功能，能實時分析水倉涌水情況，當涌水異常時，系統需發出預警信號并自動啟動水泵排水，降低風險。

（3）具備實時監測泵組的運行狀況，保護泵組正常運行的同時對泵組進行“故障診斷”，提供診斷結果，同時及時提醒使用人員進行相關的設備檢修與維護，提高設備的使用壽命與運行效率。

為實現以上功能，該控制系統采用西門子S7-1200 PLC［1］為控制核心，采用TPC 1061Ti觸摸屏做人機交互界面，對排土場排水泵、排水閥、潛水泵、排氣閥等設備進行控制與監控，同時通過增加相應的檢測儀表對水倉水位進行控制，并對泵組溫度、振動、壓力、流量、電流、pH值等數據進行監控。

3 控制系統硬件設計

本控制系統通過對現場的設備進行電氣化改造，并增加必要的傳感儀表進行參數的監測，通過現場過程控制柜內的PLC系統檢測排水泵、排水閥、潛水泵、排氣閥的狀態信號，實時采集溫度、振動、壓力、流量、電流、pH值等信號，通過數據傳輸網絡將現場數據傳輸至控制系統，并顯示在觸摸屏上。

3.1 檢測儀表的選擇

由于+30排土場泵站設備處于露天狀態，外部環境比較惡劣，檢測儀表必須滿足輸出信號線性好、精度高、防高溫及雨雪等要求，本系統所采用的檢測儀表的具體型號與測量范圍如表1所示。

3.2 控制設備的選擇

現場過程控制是實現泵組自動控制［3］的核心。由于泵組的啟泵過程涉及到關閉閘閥、灌引水、開啟啟動柜、開啟閘閥等一系列過程，在這些過程中還要及時的監視流量開關、壓力、流量、電流、潛水泵狀態、電機狀態、閘閥狀態一系列參數，用于判斷泵組是否運行正常。現場過程控制站通過合理的電氣設計，以及程序的編制，實現泵組的單體控制、聯動控制與全自動控制。

表1 檢測儀表選擇

由于PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、功能完善、適應性強等特點，且本次設計的排水泵站控制系統控制需要實現無人值守的功能，對可靠性、穩定性要求較高，因此選用使用靈活、功能強大、可滿足各種需求的西門子S7-1200 -CPU1214-AC/DC/RLY型PLC，可以滿足控制的要求。

根據所控制的對象與需采集的參數，需配備相應的采集模塊、通訊模塊，同時對原有電氣控制回路，實現相關數據的采集與控制，表2是本次S7-1200系列模塊配置數量。

表2 S7-1200系列模塊配置

4 控制系統軟件設計

4.1 程序控制邏輯

為實現+30排土場泵站的無人值守，系統需在實現各單體設備控制的基礎上，采用順序控制實現單泵組的聯動啟停，再根據水倉水位與pH值的高低實現泵組的全自動控制。

單體設備的控制主要是指對補水潛水泵、排氣電動球閥、主排水泵、排水閘閥的控制。

順序控制是指先啟動補水潛水泵、打開排氣電動球閥對主排水泵進行補水。當補水完成泵腔內充滿水后，關閉排氣電動球閥，啟動主排水泵；當排水泵正常上水，建立起排水壓力后，關閉補水潛水泵，打開排水閘閥；當排水閘閥全開到位，電機電流、排水流量數據正常后，泵組進行運行狀態，在運行過程中接收到停泵信號后，先關閉排水閘閥，再停止主排水泵。

全自動控制［5］是指系統根據兩臺泵組的狀況，根據水位情況以及泵組的運行時長，自動選擇相對時間內運行時間較短的泵，當泵組故障時能自動切除故障泵組，并投入后備泵組進行排水。

4.2 功能塊FB的設計

本控制系統共有模擬量處理、電機控制塊、閘閥控制塊、球閥控制塊、時間累加，流量累加等子功能塊，主要介紹以下幾個功能塊。

（1）模擬量處理。

模擬量處理主要是將PLC采集的數字量轉換成工程量，該程序塊主要是用到模擬量處理公式：

OUT = [(HI_LIM - LO_LIM)*(IN - Isl)/(Ish - Isl)]+ LO_LIM；

其中：OUT: 換算結果、IN: 換算對象、HI_LIM: 換算結果的高限、LO_LIM: 換算結果的低限、Ish: 換算對象的高限、Isl: 換算對象的低限。

在此基礎上，通過增加模擬量高高、高、低、低低報警參數設置可實現超限報警功能，通過增加零點設置可實現零點校準功能。

（2）閘閥控制塊。

圖1 閥閥控制IO引腳

閘閥控制塊主要是在采集閘閥全開、全關、過矩、跳閘、閃動信號以及閘閥開關一次的時長，通過程序的邏輯控制，實現閘閥的打開與關閉，同時將閘閥的狀態信號與控制信號打包傳輸至上位監控系統。

（3）時間累加。

時間累加程序主要是利用Kahan求和公式進行計算，用來避免大數吃小數的情況發生。

圖2 Kahan求和公式

4.3 全自動控制功能塊

全自動控制主要通過時間排序、泵組順控、自動控制等功能塊來實現。

時間排序功能塊主要是指通過采集泵站內泵組在一段時間內的運行時間，通過冒泡計算，將泵組的運行時間從大到小排序，同時根據泵組的遠程、運行、投切、故障狀態，輸出啟泵號與停泵號。

泵組順控是指通過順序控制邏輯，實現泵組的一鍵啟動與泵組的一鍵停止功能，在此過程中只需點擊一個按鈕，即可完成單泵組的啟停功能。

自動控制是指通過采集水位信號，根據所設置的停泵水位、單泵水位、雙泵水位、超限水位等參數，根據不同的控制邏輯，實現泵組的全自動運行。

5 應用效果

城門山智能化礦山各泵站實施自動化改造以后，取得了比較好的應用效果。一是可以從根本上解決生產效率不高、人員不足等問題；二是可以完善原有系統設備的檢測缺陷，通過遠程及時判斷設備運行狀態，實時在線狀態檢測，可以有效地推進設備預防維修，避免設備故障的擴大化，減少系統對生產的影響程度；三是可以改善職工的工作環境，取消部分現場崗位工，降低設備運行成本，同時提升設備自動化、信息化的水平。

圖3 城門山無人值守子系統主畫面

6 結語

本系統設計采用西門子S7-1200系列PLC，采用博途V14 SP1編程軟件編程，采用觸摸屏［6］TPC 1061Ti對現場參數進行監控與調節，使用順序控制邏輯實現對排水泵站的聯動啟停，其于S7-1200的強大功能，實現了礦山泵站設備的集中管控、達到現場無人值守，減少了操作人員，改善了職工的工作環境，提升了設備自動化、信息化的管理水平，給企業帶來了良好的經濟效益和社會效益，對城門山銅礦后續泵站的智能化改造具有借鑒意義。