基于S7-300PLC的泵房無(wú)人值守系統(tǒng)

方勝海 王本治 張 浩 金春雷 陳昌明

（安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)南山礦業(yè)有限公司）

南山礦和尚橋選礦廠清環(huán)水泵房包括1 個(gè)清水池、1 個(gè)環(huán)水池和8 臺(tái)單極雙吸離心泵，其中環(huán)水泵5臺(tái)，驅(qū)動(dòng)功率315 kW，清水泵3臺(tái)，驅(qū)動(dòng)功率200 kW，均為6 kV 高壓三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。每臺(tái)泵將對(duì)應(yīng)泵池內(nèi)的水打入主廠房以供生產(chǎn)需要，啟動(dòng)1臺(tái)環(huán)水泵需要依次啟動(dòng)補(bǔ)水閥、排氣閥、風(fēng)機(jī)、主電機(jī)、出口閥一系列設(shè)備，泵啟動(dòng)前必須進(jìn)行抽真空作業(yè)，時(shí)間長(zhǎng)、效率低下。每臺(tái)設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)有對(duì)應(yīng)的操作箱，一套操作流程下來(lái)，1 名崗位工人需跑5 處地點(diǎn)。為保證清水池液位的平衡需崗位工人頻繁調(diào)整清水補(bǔ)水閥，不僅操作過(guò)程復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且容易發(fā)生操作失誤導(dǎo)致啟動(dòng)故障。

S7-300PLC 系統(tǒng)根據(jù)邏輯關(guān)系編寫(xiě)FC 塊，每臺(tái)設(shè)備只需反復(fù)調(diào)用編寫(xiě)好的FC 塊，輸出模塊連接驅(qū)動(dòng)各設(shè)備電機(jī)的繼電器，輸入模塊連接上位機(jī)操作畫(huà)面的按鈕變量，同時(shí)通過(guò)電機(jī)溫度接線盒、壓力計(jì)、流量計(jì)等設(shè)備，采集模擬量信號(hào)輸入至模擬量輸入模塊，即可在上位機(jī)畫(huà)面上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作［1-2］。本項(xiàng)目通過(guò)S7-300PLC 系統(tǒng)和Wincc 上位機(jī)軟件，完成了遠(yuǎn)程一鍵操作，實(shí)現(xiàn)了泵房無(wú)人值守［3-4］。

1 泵房無(wú)人值守系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 泵房設(shè)備及啟動(dòng)流程

南山礦和尚橋選礦廠清環(huán)水泵房擔(dān)負(fù)著選廠磨選工序和尾礦濃縮工序的生產(chǎn)清環(huán)水的保障供給和整個(gè)水系統(tǒng)平衡的任務(wù)，是和尚橋選礦廠的重要工序之一。清環(huán)水泵房的水泵型號(hào)為350S-44 單極雙吸離心泵，均為6 kV 高壓三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，雙吸離心泵供輸送清水或其他液體，適用于工廠、礦山、城市給排水、電站、農(nóng)田排灌及各種水利工程。每當(dāng)水泵需要作業(yè)時(shí)，啟動(dòng)前必須進(jìn)行抽真空，打開(kāi)抽真空用的補(bǔ)水泵閥門(mén)，抽真空完成后打開(kāi)主電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)，打開(kāi)進(jìn)口閥、啟動(dòng)泵，延時(shí)30 s左右再打開(kāi)出口閥門(mén)，最后關(guān)閉抽真空用補(bǔ)水閥，觀察出口壓力、電機(jī)運(yùn)行電流等參數(shù)，若一切正常則啟動(dòng)完成。一臺(tái)泵的啟動(dòng)流程見(jiàn)圖1。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-300 系列的CPU315-2PN/DP 為主，通過(guò)2 臺(tái)IM153-2 接口模塊以PROFIBUSDP 網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展2 個(gè)300 機(jī)架，選取16 點(diǎn)數(shù)字量輸入模塊，32點(diǎn)數(shù)字量輸出模塊，4通道模擬量輸入模塊和4通道模擬量輸出量模塊，累計(jì)共21 塊。以上為PLC柜正面布置，為節(jié)省占地空間，設(shè)計(jì)了雙面PLC 柜，背面設(shè)計(jì)安裝4～20 mA信號(hào)隔離模塊、端子型繼電器以及輸入輸出端子，節(jié)省了空間，將所有元件都包含在1臺(tái)控制柜中。AI模塊負(fù)責(zé)采集電機(jī)溫度、電機(jī)電流、出口壓力、流量、泵池液位等模擬量信號(hào)。DI 模塊接收閥門(mén)開(kāi)關(guān)到位信號(hào)和風(fēng)機(jī)、泵運(yùn)行信號(hào)，DO模塊連接輸出繼電器，控制一系列設(shè)備的啟停。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上，由于現(xiàn)場(chǎng)8 臺(tái)設(shè)備幾乎相同，啟動(dòng)與停止的操作基本一致，所以只需編寫(xiě)1 個(gè)FC 程序塊，多次調(diào)用，每臺(tái)分配不同的地址，即可實(shí)現(xiàn)8臺(tái)設(shè)備的控制。用基本指令編寫(xiě)梯形圖是最常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，不必掌握過(guò)多的指令［5］。對(duì)清水池的液位調(diào)節(jié)需通過(guò)超聲波液位計(jì)采集清水池液位，以及用AO模塊輸出4～20 mA 信號(hào)來(lái)控制清水池補(bǔ)加水電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度，通過(guò)程序計(jì)算，從而將液位穩(wěn)定在合理區(qū)間。輸入輸出點(diǎn)均留有20%余量，方便日后擴(kuò)展。

上位機(jī)畫(huà)面使用西門(mén)子Wincc 畫(huà)面組態(tài)軟件對(duì)清環(huán)水泵房系統(tǒng)的控制工藝流程畫(huà)面、操作記錄、各設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以及對(duì)關(guān)鍵參數(shù)等相關(guān)操作畫(huà)面進(jìn)行組態(tài)。通過(guò)以太網(wǎng)與西門(mén)子S7-300系列的CPU315-2PN/DP 模塊進(jìn)行通訊，將PLC 中的變量按要求關(guān)聯(lián)到Wincc 組態(tài)畫(huà)面中，若想操作某臺(tái)設(shè)備，只需點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)設(shè)備，就會(huì)彈出該設(shè)備的操作畫(huà)面，按畫(huà)面按鈕進(jìn)行操作即可。整個(gè)Wincc上位機(jī)畫(huà)面系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程單獨(dú)控制每臺(tái)水泵的主體電機(jī)及輔助設(shè)備，也可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)一鍵啟停1個(gè)系列的所有設(shè)備；系統(tǒng)還可根據(jù)總管水流量及壓力等參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)電動(dòng)閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)清環(huán)水泵的自動(dòng)投切，保障清環(huán)水供給的平衡。

清水泵池深度為5 m，為防止液位過(guò)高跑溢流，或液位過(guò)低供水不足，原現(xiàn)場(chǎng)采用的調(diào)整方式為通過(guò)監(jiān)控?cái)z像頭觀察液位情況，發(fā)現(xiàn)異常則人工前往現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)調(diào)節(jié)水量，不僅操作頻繁，還經(jīng)常由于操作不及時(shí)對(duì)生產(chǎn)或者環(huán)境產(chǎn)生影響。現(xiàn)加裝的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)超聲波液位計(jì)采集液位，通過(guò)計(jì)算可令閥門(mén)開(kāi)度在20%～30%調(diào)整，液位越高閥門(mén)的開(kāi)度就越小，液位越低閥門(mén)的開(kāi)度就越大，從而使清水泵池液位穩(wěn)定在4.5 m左右。

2 泵房無(wú)人值守系統(tǒng)技術(shù)方案

2.1 管道與閥門(mén)設(shè)計(jì)

在每臺(tái)環(huán)水泵連接環(huán)水泵池的進(jìn)口原彎頭處安裝φ600 mm 的水上底閥，此閥門(mén)為單向閥門(mén)，啟動(dòng)環(huán)水泵前利用水上底閥閥板的自重及反力彈簧的作用，將水上底閥關(guān)閉，保證注引水時(shí)水不能流入到泵池，水泵正常運(yùn)行時(shí)水流將閥門(mén)自動(dòng)完全打開(kāi)，水泵停止后閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉為下一次啟動(dòng)做準(zhǔn)備。

敷設(shè)安裝一路φ108 mm 清水總管道，從泵房總清水管道引入水源，分別引至5 臺(tái)環(huán)水泵的進(jìn)口管道，通過(guò)對(duì)應(yīng)的補(bǔ)水電動(dòng)閥門(mén)給每臺(tái)環(huán)水泵啟動(dòng)前補(bǔ)加清水，排除水泵及管道系統(tǒng)內(nèi)的空氣，為水泵順利啟動(dòng)做準(zhǔn)備；安裝排氣電磁閥和流量開(kāi)關(guān)，水泵系統(tǒng)注水時(shí)電磁閥同時(shí)打開(kāi)排氣，雙路同時(shí)運(yùn)行增加排氣效率，當(dāng)流量開(kāi)關(guān)檢測(cè)到水流時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)內(nèi)空氣已經(jīng)排凈，為保證系統(tǒng)一次啟動(dòng)成功，延時(shí)啟動(dòng)水泵主電機(jī)；水封水電磁閥在水泵運(yùn)行時(shí)同步打開(kāi)，確保軸承體運(yùn)行過(guò)程中能夠得到充分冷卻，出口壓力檢測(cè)傳感器檢測(cè)泵的出口壓力，當(dāng)出口壓力低于設(shè)定值時(shí)發(fā)出報(bào)警，當(dāng)泵流量、壓力低于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停機(jī)并報(bào)警。

2.2 電氣系統(tǒng)

整個(gè)泵房系統(tǒng)均有手動(dòng)和自動(dòng)2種啟動(dòng)模式，保留了原現(xiàn)場(chǎng)操作的功能。若選擇手動(dòng)模式，將現(xiàn)場(chǎng)所有操作箱的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)均打到手動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)需人工在泵房按照原流程依次啟動(dòng)。若選擇自動(dòng)模式，則將現(xiàn)場(chǎng)所有操作箱的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)將無(wú)法操作，待所有自動(dòng)信號(hào)到來(lái)后，計(jì)算機(jī)畫(huà)面的備妥指示燈變綠，則代表可遠(yuǎn)程啟動(dòng)。在遠(yuǎn)程啟動(dòng)模式下又分為遠(yuǎn)程單動(dòng)啟動(dòng)和遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)，區(qū)分方式為Wincc電腦畫(huà)面上的操作按鈕，設(shè)置了單擊可轉(zhuǎn)換單動(dòng)和聯(lián)動(dòng)的功能。遠(yuǎn)程單動(dòng)模式下，可在操作電腦上獨(dú)立操作補(bǔ)水電動(dòng)閥、進(jìn)出口電動(dòng)閥、排氣電磁閥、主電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)、主電機(jī)等設(shè)備。遠(yuǎn)程自動(dòng)模式下，鼠標(biāo)左鍵單擊畫(huà)面上所需啟動(dòng)水泵的聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)按鈕，補(bǔ)水電動(dòng)閥自動(dòng)打開(kāi)從清水池向?qū)?yīng)水泵系統(tǒng)內(nèi)引水，同步打開(kāi)排氣電磁閥將水泵系統(tǒng)內(nèi)的空氣外排，當(dāng)流量開(kāi)關(guān)檢測(cè)到水流信號(hào)后，說(shuō)明空氣已排空，延時(shí)5 s啟動(dòng)主電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)和主電機(jī)，打開(kāi)水封水電磁閥，同步關(guān)閉補(bǔ)水電動(dòng)閥和排氣電磁閥，20 s 后系統(tǒng)壓力建立并超過(guò)設(shè)定壓力值時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)出口電動(dòng)閥，整個(gè)水泵系統(tǒng)啟動(dòng)完成并正常運(yùn)行。聯(lián)動(dòng)停止水泵時(shí)，按下聯(lián)動(dòng)停止按鈕，水泵主電機(jī)自動(dòng)停止，水封水電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，延時(shí)30 s 停止主電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)后，自動(dòng)關(guān)閉出口電動(dòng)閥，系統(tǒng)恢復(fù)初始狀態(tài)。當(dāng)泵房無(wú)人值守自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可臨時(shí)手動(dòng)運(yùn)行維持生產(chǎn)，杜絕了因無(wú)人值守自動(dòng)化系統(tǒng)故障對(duì)整個(gè)產(chǎn)線的影響。

主電機(jī)、風(fēng)機(jī)、進(jìn)出口電動(dòng)閥、補(bǔ)水電動(dòng)閥等設(shè)備的啟停電路幾乎相同，以出口電動(dòng)閥門(mén)為例，閥門(mén)操作箱上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到手動(dòng)時(shí)，由現(xiàn)場(chǎng)按鈕控制開(kāi)關(guān)閥，當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到自動(dòng)時(shí)，由遠(yuǎn)程電腦畫(huà)面上的按鈕進(jìn)行控制。由于在自動(dòng)回路中，PLC 輸出為1時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出繼電器常開(kāi)點(diǎn)閉合，回路導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)閥門(mén)到達(dá)限位后，會(huì)因?yàn)橄尬坏淖饔米詣?dòng)將閥門(mén)動(dòng)作停止以保護(hù)電機(jī)，并斷開(kāi)PLC 輸出。閥門(mén)控制電路如圖2所示。

在每臺(tái)水泵的操作箱箱門(mén)上安裝1 臺(tái)多回路溫度巡檢儀，循環(huán)檢測(cè)高壓電動(dòng)機(jī)的繞組、前后軸承及水泵軸承體前后軸承的溫度，當(dāng)某點(diǎn)的溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并在系統(tǒng)運(yùn)行畫(huà)面上實(shí)時(shí)顯示。采用多回路溫度巡檢儀是為了減少價(jià)格昂貴的西門(mén)子S7-300PLC 模擬量輸入模塊的用量，降低項(xiàng)目投資成本。

在8 臺(tái)高壓水泵的中置柜下柜門(mén)上各安裝1 臺(tái)ZZGJK-II 型高壓電機(jī)繞組絕緣在線監(jiān)控儀用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱備用水泵高壓電動(dòng)機(jī)的絕緣電阻，當(dāng)電動(dòng)機(jī)絕緣電阻低于設(shè)定值30 MΩ 時(shí)后臺(tái)上位機(jī)發(fā)出聲光報(bào)警，值班電工及時(shí)對(duì)絕緣電阻不合格的高壓電動(dòng)機(jī)采取絕緣干燥處理，確保備用電動(dòng)機(jī)始終處于熱備用狀態(tài)，為系統(tǒng)自動(dòng)倒泵提供技術(shù)保障，同時(shí)該裝置還可監(jiān)控運(yùn)行水泵系統(tǒng)的泄漏電流。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）泵房無(wú)人值守系統(tǒng)使用后優(yōu)化了泵房每班人數(shù)3 人，減輕了崗位工人的工作壓力，改善了工作環(huán)境。

（2）系統(tǒng)采用當(dāng)今礦山廣泛使用的西門(mén)子S7-300PLC，適用度高，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)論是用于檢測(cè)或者控制，都能很好地完成目標(biāo)任務(wù)。另一方面，Wincc的一個(gè)主要特點(diǎn)是開(kāi)放性，它能和所有主要廠商的PLC進(jìn)行通訊。可通過(guò)交換機(jī)、網(wǎng)線、光纖等設(shè)備，與選廠西門(mén)子S7-400 大系統(tǒng)進(jìn)行通訊繼承，接入主控系統(tǒng)當(dāng)中，可實(shí)現(xiàn)在集控中心對(duì)所有設(shè)備的集中控制和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）系統(tǒng)完成后投入運(yùn)行，可根據(jù)清水池液位自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)水電動(dòng)閥門(mén)，保障清水池液位穩(wěn)定在正常的范圍內(nèi)。擁有實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行參數(shù)和記錄每臺(tái)水泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間功能，為設(shè)備檢修計(jì)劃提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

（4）系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單精巧，操作通俗易懂，利用大部分現(xiàn)場(chǎng)原設(shè)備及經(jīng)濟(jì)實(shí)用型的PLC 模塊，實(shí)用性較強(qiáng)，在各大礦山的泵房具有較強(qiáng)的推廣作用。