一種基于PLC的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)設計

韓明惠

摘要：本文介紹了一種使用西門子PLC設計的礦井主排水監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用可靠高的PLC控制系統(tǒng)、輔以高精度的傳感器和優(yōu)化的監(jiān)控軟件程序，實現(xiàn)了實時監(jiān)控主排水泵房性能參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)和電機的電氣參數(shù)并能實現(xiàn)遠程通訊。從而提高了主排水泵房設備的自動化管理水平，有力地保證了主排水泵房設備的經(jīng)濟、可靠運行，為設備的管理和維修提供了可靠的科學依據(jù)。達到無人值守、減人增效的生產(chǎn)要求。

關鍵詞：西門子PLC;軟件程序;遠程通訊;自動化管理

引言

通風、采掘、運輸和排水是煤礦四大主要系統(tǒng)，主排水系統(tǒng)又分為采區(qū)泵房和中央泵房，礦井設計時一般是采區(qū)泵房的水排向中央泵房，由中央泵房直接將污水排向地面，從而保證整個巷道的安全，由于井下工作現(xiàn)場條件惡劣，水質(zhì)較差，設備故障發(fā)生率較高，一旦發(fā)生故障，將會對整個礦區(qū)生產(chǎn)和安全造成重大影響，故而有必要建立一套功能完善的排水自動化監(jiān)控系統(tǒng)，目前礦井主排水系統(tǒng)都存在人工依靠經(jīng)驗排水，或者部分關鍵參數(shù)（如流量、壓力）監(jiān)測精度較低、監(jiān)測內(nèi)容不全面、未實現(xiàn)遠程監(jiān)控等缺點。

采用先進、可靠的傳感器和計算機技術(shù)來實現(xiàn)主排水的設備性能及狀態(tài)實時監(jiān)測，以此在生產(chǎn)過程中掌握泵房設備運行參數(shù)和狀態(tài)是主排水監(jiān)控系統(tǒng)[1]發(fā)展方向。改變傳統(tǒng)的設備管理方式，提高主排水泵房設備的自動化水平，以此保證主排水泵房設備的安全可靠運行，本文介紹了一種基于PLC的主排水監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用西門子300系列的PLC[2]作為控制核心，并且通過礦井網(wǎng)絡與井上控制室計算機聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)主排水泵房的遠程監(jiān)視和控制，從而達到無人值守的生產(chǎn)要求。

1.被控泵房的硬件設備及監(jiān)控要求

（1）設計方案中的排水泵房的主要被控設備：3臺電壓為10KV的電機及配套離心式主排水泵，3臺高壓開關及軟啟動器，還有相關的供電照明等輔助設備，主排水泵房管道上各有1臺主排水閘閥及2臺分水閘閥，3臺水泵共用2趟排水管道，高壓電機預埋定子和前后軸承測溫的PT100電阻傳感器[3];離心水泵前后軸也都分別預埋了測溫PT100電阻傳感器，

（1）該系統(tǒng)需要監(jiān)控泵房的參數(shù)和性能為：

（2）實時監(jiān)測離心泵配用電機的電氣參數(shù);

（3）實時監(jiān)測設備的運行參數(shù)：電機和離心泵前后軸承溫度、振動參數(shù)以及超限報警;

（4）顯示當前運行機號、電機開停狀態(tài);

（5）實時監(jiān)測離心泵參數(shù)：負壓、正壓、流量、閘閥及球閥的開停狀態(tài);

（6）就地及遠控控制每臺設備的起停

上位機保存各種設備的運行參數(shù)、報警信息、設備的開停時間、時長等信息

2.系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以上位機系統(tǒng)、礦井網(wǎng)絡傳輸設備、隔爆兼本安型PLC控制箱、本安操作臺、本安負壓、正壓傳感器、隔爆閘閥和球閥、本安流量傳感器等組成，主要由信號測取裝置和傳感（變送）器、上位機及通訊裝置及其他設備組成。硬件框圖如下：

圖1：主排水監(jiān)控系統(tǒng)硬件示意圖

（1）上位機集控系統(tǒng)：放置在地面集控室，由2臺工業(yè)控制計算機及組態(tài)軟件、打印機及相關外圍設備組成，負責接收井下主控PLC傳輸?shù)男盘枺@示在屏幕上，操作人員可以根據(jù)監(jiān)控的狀態(tài)啟動井下設備，達到遠程集中控制的目的。

（2）礦井網(wǎng)絡傳輸設備：借助礦井原有的環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，該環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)是井下PLC控制箱和集控室上位機系統(tǒng)的信號傳輸通道，環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)在一路光纜不同的狀態(tài)下，由另一路光纜將PLC信號傳輸上位機，可靠性較高。

（3）礦用隔爆兼本安型PLC控制箱及本安操作臺：控制箱和操作臺為本套系統(tǒng)的核心設備，選用西門子300系列的315-2PN/DP型CPU作為控制核心，該CPU內(nèi)置2個以太網(wǎng)接口，一路接到本安操作臺的顯示屏，一路接入環(huán)網(wǎng)交換機將信號傳輸?shù)骄系纳衔粰C系統(tǒng)。

PLC控制箱內(nèi)部除CPU外，還配有輸入和輸出模塊、485通訊模塊，開關量輸入模塊用于接收各種開關量信號的返回，比如電機開關的運行信號、球閥和閘閥的開關到位的返回信號;開關量輸出模塊用于發(fā)出各種控制信號，控制各類被控設備運行，比如電機的啟動停止、球閥和閘閥的開關等動作;模擬量輸入模塊用于各種模擬量傳感器信號的測量讀取，比如正壓、負壓傳感器數(shù)值、流量傳感器數(shù)值，485通信模塊[4]用于和高低壓開關的綜合保護裝置進行數(shù)據(jù)通訊，讀取設備運行過程中的各種電量參數(shù);

本安操作臺內(nèi)置各種操作按鈕和顯示屏，是就地和自動控制下的手和眼睛，操作按鈕用于根據(jù)需要進行相關的操作，比如自動、手動和遠程控制模式的轉(zhuǎn)換，急停按鈕的急停操作，手動控制方式時各種設備的單獨開停操作等;顯示屏和隔爆兼本安型PLC控制箱進行數(shù)據(jù)通訊，顯示各種設備的狀態(tài)，比如電機的開停裝置、正壓和負壓傳感器的數(shù)值顯示，報警記錄的顯示和保存等;

（4）各種被控設備：被控設備包括電機的高壓開關、閘閥和球閥、真空泵等，PLC接收啟停指令，通過內(nèi)部程序進行相應的操作，啟停各種設備進行正常的排水，達到控制水倉的水位在合理的范圍內(nèi)從而使礦井內(nèi)部處于安全的狀態(tài);

（5）各種測量傳感器：測量傳感器一般安裝在水泵的泵體中、電機軸承和定子上、管道上，是將水泵啟停或者運行中的壓力、流量、溫度等信號轉(zhuǎn)換為電信號傳輸?shù)絇LC模塊，共CPU中的程序分析和處理。

高壓開關的電參數(shù)通過高壓開關的綜合保護裝置的485接口接入到PLC的485模塊中，數(shù)據(jù)通過485接口傳輸?shù)紺PU中，供程序讀取各種電流、電壓、功率等電參數(shù)信號;

電機及水泵的泵體中都預埋入PT100電阻信號，這些電阻信號接入到PLC的模擬量輸入模塊中轉(zhuǎn)化為對應的溫度值。

3.系統(tǒng)的軟件設計

在該系統(tǒng)中，PLC軟件的邏輯設計[5]最重要的工作，直接關系到監(jiān)控系統(tǒng)能否按照預定工藝能否正常運行。

（1）PLC的監(jiān)控程序采用梯形圖編程方式，包括監(jiān)控程序和用戶監(jiān)控程序兩部分。系統(tǒng)監(jiān)控程序由PLC編程軟件內(nèi)部提供，已經(jīng)集成在編程軟件中，包含管理程序（生成用戶元件、運行管理、內(nèi)部自檢）、標準程序模塊、用戶指令解釋程序等。用戶監(jiān)控程序是用戶編制的針對具體工藝與監(jiān)控任務的可執(zhí)行程序。下圖所示為系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)圖：

（2）考慮到水泵運行的重要性，該系統(tǒng)的軟件設計采用三種控制模式即就地手動操作模式、就地一鍵啟停、上位機遠程監(jiān)控模式，其中對于電機的啟停操作也運用了兩種方式，一種通過485通訊模塊給高壓開關的綜保裝置發(fā)命令，利用綜保裝置的遙信狀態(tài)當作反校模式;另一種是通過開關量輸出模塊硬接線到高壓開關的控制繼電器線圈，冗余的控制方式保證了電機啟停操作的可靠性。

485通訊模塊模塊與多臺高壓開關的綜保裝置通過RS485接口利用其自定義的協(xié)議進行問答式通訊，由于考慮到電氣量的特殊性，軟件設置設置相隔150mS間隔與每臺綜保裝置循環(huán)進行通信，整個系統(tǒng)中延時及分析判斷的中間狀態(tài)都在PLC內(nèi)部完成，充分利用了PLC的內(nèi)部資源。

（3）在泵房的設備中，低壓柜擔任著給PLC柜供電、控制閘閥、球閥等抵押設備的啟停的作用。為了保證對系統(tǒng)的可靠控制，必須對低壓柜每一個開關做到安全可靠的控制。為保證系統(tǒng)的安全可靠，本程序中設計了一些互鎖程序以防止誤操作的發(fā)生。低壓柜采用的是雙進線母聯(lián)的供電方式，兩條進線互為備用，極大的保證供電的可靠性。在低壓柜上還設有閘閥、球閥電機的就地和遠控選擇開關，當選擇就地時，PLC控制柜無法對低壓柜進行控制，低壓柜的就地遠控在正常生產(chǎn)時要打到遠控位置。

（4）模擬量輸入模塊是監(jiān)控系統(tǒng)中的重要部分，各種監(jiān)測參數(shù)，比如負壓、正壓、流量、溫度等信號都需要通過模擬量輸入模塊進入PLC。模擬量模塊選擇四線制電流輸入的工作模式，電流為4～20mA，電流送入模擬量模塊后，送出的是0到27647的二進制數(shù)。從模擬量輸入模塊得到的二進制數(shù)除以27648就可以得出輸入的實際電流的大小。根據(jù)這個電流，可以通過傳感器的量程算出各種模擬量的真實數(shù)值，為各種設備的安全運行提供重要的參數(shù)。

（5）在程序中還設計了電機、水泵的泵體溫度超高報警、正負壓和管道流量超高限和低于下限報警的模塊以便于水泵操作工及時得到提醒，查看設備的是否在正常運行中;同時對這些報警信息進行存儲，以便將來進行后續(xù)的查詢。

4.現(xiàn)場應用結(jié)論

礦井排水泵房是煤礦安全生產(chǎn)的重要系統(tǒng)，該系統(tǒng)對煤礦安全生產(chǎn)、礦工的生命安全非常重要。本文介紹了一種采用西門子公司的300系列PLC設計的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)。通過上位機實現(xiàn)了排水系統(tǒng)性能及狀態(tài)的實時監(jiān)測;使用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)和高可靠性的工業(yè)PLC，實現(xiàn)了排水系統(tǒng)的在線監(jiān)控。本設計在冀中能源、開灤集團、神華集團等所屬的多個礦井下的排水系統(tǒng)進行了實際的應用，應用實踐表明，采用西門子300系列PLC作為控制核心、上位機遠程監(jiān)控的運行模式，極大的提高了排水系統(tǒng)運行的可靠性和安全性，有力地保證了井下排水設備的經(jīng)濟、可靠運行，同時也為設備的管理和維修提供了可靠的科學依據(jù)。

參考文獻

[1]譚長森，張珂.基于Windows CE的礦用排水監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 煤礦機電，2020（1）.23-25.

[2]王兆義. 可編程控制器教程. 北京：機械工業(yè)出版社，1997。

[3]譚長森. 基于PT100型鉑熱電阻的測溫裝置設計[J]. 工礦自動化，2012（03）.89-91.

[4]韓銀中. 西門子PLC通訊在煙廠的應用.科技風.2015（15）。

[5]廖常初.S7-300/400PLC應用技術(shù)[M]. 機械工業(yè)出版社，2008。