基于S7-300 系列控制器的礦井降溫控制系統應用研究

于小伍

（兗州煤業股份有限公司濟寧二號煤礦，山東 濟寧 272071）

礦井降溫系統采用西門子PLC S7-300 模塊對礦井降溫系統的運行過程實時控制，實現溫度、壓力、液位等參數的自動監測，實現運行過程中的各種故障及突發情況的自動保護、報警動作，通過工控軟件在計算機中模擬并實時顯示運行過程，全面及時地掌握降溫系統的運行情況，并根據運行情況對設備進行自動控制，有效解決了冬季井筒防凍和夏季高溫熱害兩大問題。

1 自動降溫系統的工作原理

該系統于2017 年6 月正式投產使用，自投用以來，該系統運行效果明顯，既可實現夏季制冷，又可實現冬季制熱，有效解決了夏季礦井高溫熱害、冬季井筒防凍兩大問題。該系統由3 臺離心式熱泵機組、2 臺螺桿式熱泵機組組成。離心機組功率為909 kW，夏季制冷量為4000 kW，冬季制熱量為4300 kW。螺桿機組功率為335.8 kW，夏季制冷量1182 kW，冬季制熱量1499 kW。離心機組、螺桿機組制冷劑均采用R134a。該系統供主副井制冷或制熱，夏季原水箱中的水經過水處理裝置進入純水箱打入冷卻塔，冷卻塔中的冷卻水通過冷卻泵補水進入機組冷凝器；來自主副井的低溫水回收通過冷凍泵補水進入機組蒸發器，蒸發器出來的低溫冷媒水通向主副井，以此循環供主副井夏季制冷。

該系統選用3 臺離心機組和2 臺螺桿機組，選用一臺S7-300、兩臺分站smartPLC、溫度、壓力傳感器和變頻器等組成一個閉環控制系統。系統方案圖如圖1。

2 系統的硬件構成及軟件設計

2.1 溫度傳感器

該系統通過溫度傳感器來檢測各監測點的溫度，選用KG3007A 礦用本質安全型溫度傳感器，輸出4～20 mA 信號，共有16 臺溫度傳感器。KG3007A 溫度傳感器的溫度探頭選用精密半導體感溫元件。單片機讀取探頭的溫度信號經運算處理后進行溫度數值顯示，同時根據檢測溫度輸出對應的輸出信號，選用STC-106 集成8 路PT100 進行溫度測量。

圖1 系統方案圖

2.2 壓力傳感器

該系統選用GPD20 礦用本安型壓力傳感器，輸出4～20 mA 信號，共有22 臺壓力傳感器。

2.3 流量傳感器

該系統選用GLCS250/500 礦用流量傳感器，共有2 個流量傳感器。

2.4 PLC

該系統選用德國西門子S7-300 系列PLC。S7-300 是一種小型的可編程序控制器，其許多功能達到大中型PLC 的水平，而且價格較低，得到廣泛的應用。

2.5 PLC 軟件系統

該系統利用STEP7-Micro/WIN V5.5 編程軟件。系統設置2 個分站，分別是副井口溫度采集控制、二級站礦井水復用泵房水泵控制。從1#分站讀取二級站循環水泵的狀態，從2#分站讀取溫度檢測數據，之間通過485 通訊連接。

系統選用S7-300PLC CPU31C-2DP 作為控制核心，由1 對IM365 模塊、1 個以太網模塊、7 個SM321 開關量輸入模塊、1 個SM322 開關量輸出模塊和4 個SM331 模擬量輸入模塊組成，與現場各類傳感器及控制器組成西門子自動化監控系統。

3 系統實現的功能

3.1 控制功能

系統通過PLC 監控系統在無人值守的情況下，按設定的要求，能夠實現機組、水泵、風機的自動啟停和輪換，根據該礦副井口溫度的設定，自動調節機組的運行工況，滿足該礦的通風降溫和防凍需求。

3.2 顯示功能

在能源站值班室上位機上能夠實時顯示機組、水泵、風機等的工作狀態，以及水位、溫度、壓力、流量、電流、頻率等參數，去主副井的供水溫度及回水溫度，便于值班人員能夠直觀地了解系統的運行數據。

3.3 組態畫面

啟動組態王進入主畫面，由信息窗口看到組態王的運行狀況。啟動組態監控之后，會自動顯示組態畫面，如圖2。

圖2 系統實時監控畫面

4 冬季副井口溫度自動監控系統

該礦能源站建設初期，冬季供暖期間一直通過監控平臺上顯示的副井口溫度的變化，由值班人員人工調節閥門的方式控制換熱器進口蒸汽閥門的開啟程度大小，現場閥門位置較高調解不方便，人工調節精確度誤差較大且不具有實時性。為實時調節蒸汽流量，提高調節精確度，通過通訊方式（副井口溫度為485 接線方式，modbus 通訊協議）把副井口溫度采集到下位機系統，并與下位機接收的蒸汽調節閥做聯動控制，保證副井口溫度穩定在溫度設定值的范圍，并且通過下位機邏輯做必要的聯鎖保護，如圖3。

系統介紹：（1）選用西門子電動調節閥，當副井口溫度到達設定高位時，可實現自動關閉蒸汽調節閥，節約蒸汽；當副井口溫度到達設定低位時，可自動開啟蒸汽調節閥。（2）利用計算機取代人為管理操作，通過副井口反饋的溫度實時調節蒸汽調節閥，達到實時調節和提高調節精確度。（3）系統的控制邏輯主要采用PID 控制，P：比例控制，I：積分控制，D：微分控制。（4）比例控制（P）控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系，根據設備有所不同，比例帶一般為2%～10%(溫度控制)。（5）積分控制（I）在出現穩態誤差時自動改變輸出量，使其與手動復位動作的輸出量相同，達到消除穩態誤差的目的。（6）微分控制（D）通過誤差變化率預報誤差信號的未來變化趨勢。

圖3 副井冬季溫度實時監控畫面

5 經濟效益和社會效益

（1）副井口溫度自控改造后每天節約蒸汽1.5 t左右，按照每噸蒸汽260 元計算，每天節省蒸汽費390 元，每年冬季創效390×150=5.85 萬元。

（2）熱害治理系統投運后，夏季對主副井口進行制冷，冬季對主副井口制熱，有效改善了井下職工的工作環境。

（3）副井口溫度自控改造后實現了制熱系統的自動控制、集中管理、遠程監控的功能，推廣利用后具有很高的經濟效益和社會效益。

6 結 語

該設計用西門子S7-300 PLC 和組態王設計了一個礦井自動控制降溫系統。該系統對設備及附屬設施進行了實時監控，實現了運行過程中的各種故障及突發情況的自動保護、報警動作。組態王軟件操作方便，能夠直觀地反應實時運行狀態的變化，其中的實時報表和報警窗口的顯示都在工業控制領域中得到良好的應用。