PLC控制在井下水倉無人自動排水中的應用

孫 杰，史殿峰

（遼寧鐵煤集團，遼寧 鐵嶺 112700）

1 控制系統

1）使用條件。該控制系統可使用在額定電壓1 140 V或660 V交流50 Hz的供電線路中，通過自行設計可編程控制器PLC運行程序，對兩臺三相交流水泵的水位監控，實現無人自動起動、停止以及二者自動切換進行控制，并同時對水泵開啟前進行自動補水控制，可根據高、低水位自動控制補水箱的供水與停水，同時對水泵溫度及壓力進行實時監測，當溫度超限或者壓力過高，可編程控制器可以對其進行實時監測進行保護，并發出報警信息，提示就近維護人員前來進行故障處理[1]。通過將一個AC 220 V/DC 12 V本安電源安裝到本控制開關內，利用此本安電源將外部引入的各個水位控制信號以及溫度、壓力等模擬量信號進行A/D轉換后，送到控制器進行計算，比較，在進行控制保護。

2）控制系統采用元件HHY3P液位自動控制器（AC 36 V電源，觸頭容量220 V/5 A）高、中、低水位；水泵電機、泵體溫度保護元件采用PT100，它的阻值跟隨溫度的變化成正比關系，PT100的阻值與溫度變化關系為：當PT100溫度為0℃時它的阻值為100 Ω，在100℃時它的阻值約為138.5 Ω。阻值會隨著溫度上升而成勻速增長的，屬于正溫度系數電阻。PT100的熱電阻大概溫度變化1℃時，電阻值變化0.4 Ω。當泵1（包括水泵電機、泵體）本體或泵2本體（包括水泵電機、泵體）任一出現溫度過高時，編程控制器實時接收溫度信號，當任一溫度實際值與程序內部設定值進行比較，當大于設定值時，PLC輸出執行超溫保護停機；溫度變送器型號為TM6921-1111屬于熱電阻輸入，智能溫度變送器，它采集PT100的溫度信號，轉換成兩路0～5 V電壓信號，送入EM231的A/D模塊內部進行轉換，再送給主控制器內進行溫度比較計算，輸出保護；壓力變送器，管路壓力的壓力變送器型號為BOOST PSC-3051，應用了先進的數字技術及頻率相移鍵控技術，提高了整機性能可靠性，方便了現場和控制室之間的連接[2-3]，它的核心是一個電容式壓力傳感器，是一個完全密封的組件，過程壓力通過隔離膜片和灌充液硅油傳到感壓膜片引起位移。傳感膜片和兩電容極板之間的電容差由電子部件轉換成4～20 mA DC的二線制輸出的電信號。它的組成由“δ”室傳感器（敏感元件）、線路板模塊、A/D轉換、微處理器、EEPROM存儲器、D/A轉換器、數字通訊等構成，它能將測壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數轉變成標準的電信號（如4～20 mA DC等），在這里將此信號送到A/D模塊進行轉換后送到可編程控制器中進行比較，實現自動控制。壓力變送器是一種接受壓力變量,經傳感轉換后,將壓力變化量按一定比例轉換為標準輸出信號的儀表。其原理大致是：將水壓這種壓力信號轉變成電流（4～20 mA）信號，壓力和電壓或電流大小成線性關系，一般是正比關系，所以，變送器輸出的電壓或電流隨著壓力增大而增大，得出一個壓力和電壓或電流的關系。該系統中當泵1管路或泵2管路任一出現壓力值超限時，編程控制器實時接收壓力信號，當任一壓力的實際值與設計程序內的設定值比較，當大于設定值時，PLC輸出執行超壓保護停機；本控制開關A/D模擬量轉換模塊采用EM231模擬量轉換模塊，其地址分布A+，A-為AIW0 B+，B-為AIW2 C+，C-為AIW4 D+，D-為AIW6，不用的口要用短接線連接，防止該口有誤動作信號輸入。

該系統采用S7-200可編程控制器CPU224CN和一塊EM231模擬量轉換模塊，壓力變送器輸出4～20 mA電流信號，經A/D轉換后，得到的數值是6 400～32 000，即A0=4，Am=20，D0=6 400，Dm=32 000，代入公式，得出A=（D-6 400）×（20-4）/（32 000-6 400）+4。

該模擬量與AIW0對應，則當AIW2的值為12 800（就是D的值）時，相應的模擬電信號是6 400×16/25 600＋4＝8 mA。（A=（D-6 400）×（20-4）/（32 000-6 400）＋4，代入數值A=（12 800-6 400）×（20-4）（/32 000-6 400）＋4，推導出6 400×16/25 600＋4=8 mA。

溫度傳感器，-50～200℃與4～20 mA相對應，以T表示溫度值，AIW0為PLC模擬量采樣值，則根據上式直接代入得出：T=70×（AIW0-6 400）/25 600-10可以用T直接顯示溫度值。

2 原理簡介（見圖1）

圖1 電路設計原理圖

主泵在工作前首先對其進行補水操作，補水箱上配置Φ25進水閥門、開關內部采用HHY3P液位自動控制器，該控制器采用AC 36 V電源，觸頭容量為220/5 A，內部具有高、中、低水位控制，其內部控制繼電器在高水位時工作，液位控制器內部繼電器常開點閉合，PLC-I0.4有輸入信號，對應PLC-Q0.7輸出信號，控制KA7和KA8得電。其中KA8常閉點（129、130）斷開電動球閥的K1、K2輸入信號，這時補水電動球閥關閉，停止自動上水。當水位下降低于中水位以下時，又接通補水電動球閥內部的K1和K2，這時補水電動球閥開啟，自動上水。到高水位時關閉，如此循環。KA8得電后，KA7本身的兩對常開接點閉合，分別串入由PLC輸出Q0.0和Q0.1先導控制KA1-A1和KA2-A1回路中，以保證只有補水箱中的水處于高水位時，才允許泵1和泵2得電開始排水。以防止水泵工作前出現吸空現象。在PLC輸出給泵1、泵2開關的先導回路串接如下：控制本回路啟動控制器來的常開點；互鎖對方的水泵開關內KA1或KA2；串接一個如果PLC可編程控制器故障時，斷開自動控制改為本身手動控制的鈕子開關NK1或NK2；在泵1、泵2遠控線K1、K3之間除串接KA1或KA2中間繼電器常閉點之外，再串接對方主接觸器KM1或KM2的常閉點K13、K14，這樣就是保證當泵1或泵2開關本身出現故障跳閘時，由于可編程控制器輸出的先導信號是同時的，如果泵1開關出現問題，當泵2開關在其他條件具備的情況下自動切換泵2運行，以保證水位不超限。系統手動/自動原理在兩個泵的輸出先導回路K1、K3之間除一個可編程控制器輸出控制接點，對方磁力開關回路中間繼電器和接觸器常閉點閉鎖之外，再串接一個鈕子開關NK1（斷泵1自動）、NK2（斷泵2自動），以作為當本控制開關可編程控制器出現故障時，扳動這兩個扳倒開關，斷開給兩個泵的自動控制信號，由人工操作水泵本身控制磁力開關進行近控啟動或者遠方啟動。兩個泵的高、中、低水位之間設計有一定高度，防止兩個泵之間同時具備條件啟動。水位開關設計高度按照主泵1在最下端，依次在中間是超主泵1高水位報警，在上端就是副泵2的高、中、低水位。當泵1和泵2本身開關同時出現過流、漏電等故障時，可自動切斷故障開關本身控制回路，PLC自動控制就不起作用。

3 推廣應用前景

井下水倉無人自動排水PLC控制應用技術項目通過鐵煤集團大興礦采區污水倉的實際應用，得到現場操作人員的一致好評，通過自動監測工作水位及警戒報警水位，實現程序自動運行，控制兩臺鍛泵的自動啟動運行和超警戒水位報警，通過泵站管路壓力和泵體溫度自動監控，實時進行自動保護。這一項目的投入運行，在智能化礦山建設上實現了無人化作業，實現了減員提效，設備安全穩定運行，值得推廣使用。