1、煤礦泵房自動化控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要 煤礦泵房排水系統(tǒng)的可靠性和自動化控制越來越受到人們的關(guān)注， 本文以西門子S7-300 PLC為控制器、西門子觸摸屏為操作臺、西門子交換機(jī)為 工業(yè)以太網(wǎng)核心交換機(jī)、西門子 Wicc為組態(tài)軟件結(jié)合各種傳感器進(jìn)行煤礦泵房 設(shè)計。闡述了泵房自動化設(shè)計的框架及西門子器件在泵房自動化中的應(yīng)用，根據(jù)實際系統(tǒng)詳細(xì)給出泵房自動化控制中各個環(huán)節(jié)的原理及實現(xiàn)方法。關(guān)鍵字 煤礦泵房；PLC觸摸屏；工業(yè)以太網(wǎng)； Wince.1煤礦泵房自動化控制系統(tǒng)圖1為泵房自動化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖光纖圖1泵房自動化控制系統(tǒng)框圖其中主要包括抽水泵管線上各種閥門及傳感器，主控制器西門子S7-300PLC就

2、地操作臺西門子觸摸屏，工業(yè)以太網(wǎng)，上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件西門子 Wince 等。圖2水泵管路系統(tǒng)圖單臺水泵管路系統(tǒng)如圖2所示，1為水倉水位；2水泵；3電動閥；4逆止閥； 5射流泵電磁閥；6射流管；7真空泵電磁閥；8泵電機(jī)；9射流泵。水泵運行原理：采用水位傳感器檢測水位，為了安全可靠，通常采用模擬量 和開關(guān)量兩種傳感器同時對水位檢測， 當(dāng)水位高出設(shè)定值時開泵抽水。 開泵抽水 前需要首先對水泵抽真空，根據(jù)煤礦安全要求，抽真空方式必須設(shè)置兩種：射流 抽真空和真空泵抽真空。射流抽真空方式不消耗額外資源，通常選為默認(rèn)抽真空 方式，真空泵抽真空方式作為備用。泵體內(nèi)真空度由負(fù)壓壓力表檢測。當(dāng)真空度 達(dá)到設(shè)定值時

3、控制泵電機(jī)運行開始抽水， 同時檢測泵體出水口水壓，為了防止排 水管道中的積水倒流，只有當(dāng)出水口壓力達(dá)到設(shè)定值時才可以打開電動閥排水。2基于S7-300的自動排水設(shè)計安全生產(chǎn)是煤礦生產(chǎn)的先決條件，按照要求煤礦泵房至少需要一臺水泵處于 檢修，一臺備用，一套或多套可以運行。如何使各臺水泵能按照設(shè)定自動運行是 當(dāng)今泵房建設(shè)和改造的趨勢，基于工業(yè)控制器PLC的設(shè)計方案因其性能可靠，性 價比高等特點被廣泛應(yīng)用，本為以西門子 S7-300 PLC為例說明泵房自動化控制 的原理。泵房系統(tǒng)的控制方式可以分為就地控制和遠(yuǎn)程控制，其中就地控制即通過井 下泵房中觸摸屏直接對水泵進(jìn)行控制；遠(yuǎn)程控制為通過井上上位機(jī)監(jiān)控軟

4、件控 制，其中就地控制的優(yōu)先級大于遠(yuǎn)程控制。泵房系統(tǒng)的控制狀態(tài)可分為手動控制、 單臺泵控制和自動輪換控制。手動控 制時只能手動操作各臺泵上的開關(guān)對泵控制， 觸摸屏和上位機(jī)控制自動閉鎖。 單 臺泵控制是通過觸摸屏或遠(yuǎn)程監(jiān)控控制對每臺泵的啟停分別控制， 不考慮其工作 時間因素。自動輪換控制是PLC根據(jù)各臺泵的運行時間自動停止一臺連續(xù)工作時 間最長且達(dá)到設(shè)定值的水泵，然后開啟一臺備用中累計運行時間最短的投入運 行。通常白天電價比晚上高， 為了經(jīng)濟(jì)效益考慮， 泵房通常采用“避峰填谷” 運 行模式。采用設(shè)定不同開停泵抽水水位值實現(xiàn)，設(shè)定四個水位 A、B、C、D,其 中A>B>C>D當(dāng)電

5、費低時段，水位達(dá) A點時開泵抽水，到水位降低到 D點時才停 止抽水；當(dāng)電費高時段，水位達(dá)到 B點才開泵抽水，水位到C點就停止抽水。采用西門子S7-300 PLC對水泵系統(tǒng)控制，其中水位，泵電機(jī)的電壓、電流、 溫度，各壓力表的壓力值等模擬量通過 PLC模擬量輸入模塊采集到控制器中。水 位計、各閥門啟動停止按鈕等開關(guān)量通過 PLC開關(guān)量模塊采集到控制器中，同時 數(shù)字量輸出各種開關(guān)狀態(tài)控制電磁閥、電動閥等動作。 S7-300 模塊化設(shè)計使系 統(tǒng)設(shè)計變得非常自由，可根據(jù)實際需求選擇各種輸入輸出模塊。通常每套PLC控制器擴(kuò)展的點位可控制兩臺泵運行，各 PLC之間采用PROFIBU通訊。泵房主 要控制程序

6、流程圖如圖 3 所示。PLC程序流程圖圖3泵房系統(tǒng)3就地控制觸摸屏設(shè)計為了節(jié)約成本，提高性能，泵房就地操作采用隔爆型觸摸屏，相對于操作臺， 觸摸屏占據(jù)空間較小，畫面形象，既可監(jiān)視系統(tǒng)實時運行參數(shù)，給出檢測數(shù)據(jù)的 實時曲線，實現(xiàn)報警功能和故障信息的歸檔，又可以通過按鍵控制系統(tǒng)運行。操 作臺由于面積的局限性，按鍵較少，而觸摸屏可以不受面積影響，可添加相對較 多的按鍵。根據(jù)水泵控制實際需要，觸摸屏采用 SIMATICHMI型。采用操作員和管理員 兩級操作方式，其中操作員可以對系統(tǒng)按鍵操作， 對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視，查看歷史數(shù) 據(jù)；管理員只能對系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)視。觸摸屏直接通過網(wǎng)線與PLC相連，二者兼容性好，編

7、程開發(fā)與維護(hù)簡單。觸 摸屏通過讀取PLC中數(shù)據(jù)對系統(tǒng)監(jiān)視，并把操作指令傳給 PLC執(zhí)行。4工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計數(shù)字化礦井是煤礦自動化建設(shè)的主要趨勢， 其中工業(yè)以太網(wǎng)是礦井自動化建 設(shè)的核心，是連接各系統(tǒng)的紐帶。煤礦工業(yè)以太網(wǎng)骨干網(wǎng)建設(shè)通常井上和井下各 組一環(huán)網(wǎng)，兩環(huán)網(wǎng)通過冗余相連。束管分站束管監(jiān)測交換機(jī)地面1000M環(huán)網(wǎng)35KV分站諭地面網(wǎng)關(guān)|中央泵房交換機(jī)35KV監(jiān)控：室交換機(jī)I I井下網(wǎng)關(guān)交換機(jī)央變電交換機(jī)井下1000M環(huán)網(wǎng)V前!皮帶機(jī)分站以西門子SCALANCX-400型交換機(jī)為骨干網(wǎng)核心交換機(jī)，MACH300型交換 機(jī)為網(wǎng)關(guān)交換機(jī)，其示意圖如圖 4所示。圖4煤礦工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)鋱D5上位機(jī)監(jiān)控設(shè)

8、計為實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在調(diào)度室中配備一臺上位機(jī)，上位機(jī)經(jīng)以太網(wǎng)連與井下泵 房PLC通訊，以西門子組態(tài)軟件WinCC為基礎(chǔ)開發(fā)上位機(jī)軟件。上位機(jī)監(jiān)控主要由主界面、單臺泵監(jiān)控界面、趨勢界面、歷史數(shù)據(jù)表格界面、 故障報警界面等組成。主界面上直觀顯示整個排水系統(tǒng)，實時顯示水泵的運行狀 態(tài)、水泵入水口真空度、出水口壓力等重要參數(shù)，實時顯示水倉水位和管路流量。單臺泵監(jiān)控界面單獨顯示每臺水泵的工作狀態(tài)、故障、運行參數(shù)，對水泵的啟動和停止進(jìn)行控制，并可在故障處理后進(jìn)行故障復(fù)位。 趨勢界面是以曲線的形式顯 示水泵軸溫、電機(jī)溫度等重要參數(shù)，并保存曲線，以便查詢歷史曲線，分析一段 時間內(nèi)水泵工作狀況。歷史數(shù)據(jù)表格是以表

9、格的形式顯示保存歷史數(shù)據(jù)。故障報警是對系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行報警， 并可以保存報警類型及時間，以便 查詢故障記錄。上位機(jī)組態(tài)界面如圖 5所示。親房監(jiān)控泵址泵房監(jiān)控系統(tǒng)(a)組態(tài)王畫面(b)單臺泵畫面圖5泵房Wince組態(tài)畫面6小結(jié)結(jié)合煤礦井下泵房發(fā)展趨勢，本文給出了煤礦泵房自動化建設(shè)的設(shè)計思路。首先詳細(xì)闡述了煤礦水泵排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及操作流程。根據(jù)操作流程、運行狀態(tài)以及“避峰填谷”等要求，給出了基于西門子S7-300 PLC的煤礦泵房自動化控制軟件實現(xiàn)方法和程序流程圖。介紹了西門子觸摸屏的優(yōu)點，其在煤礦泵房自動 化建設(shè)中的應(yīng)用以及觸摸屏與 PLC控制器之間的連接。根據(jù)泵房傳輸數(shù)據(jù)需要， 給出了煤礦工業(yè)以太網(wǎng)建設(shè)方案。最后介紹了基于西門子上位機(jī)組態(tài)軟件 Wince的泵房上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及組態(tài)畫面。參考文獻(xiàn)1 高林煤礦井下排水系統(tǒng)的研究與開發(fā)D 太原：太原理工大學(xué)，2007.2 張大鵬，金強(qiáng).礦井主排水泵自動化控制的研究J.煤礦機(jī)械，2007,4(35):138-13