煤礦泵房自動化控制系統設計說明書
摘 要 煤礦泵房排水系統的可靠性和自動化控制越來越受到人們的關注，本文以西門子 S7-300 PLC為控制器、西門子觸摸屏為操作臺、西門子交換機為工業以太網核心交換機、西門子Wicc為組態軟件結合各種傳感器進行煤礦泵房設計。闡述了泵房自動化設計的框架及西門子器件在泵房自動化中的應用，根據實際系統詳細給出泵房自動化控制中各個環節的原理及實現方法。
關鍵字 煤礦泵房;PLC;觸摸屏;工業以太網;Wincc.
1 煤礦泵房自動化控制系統
圖1為泵房自動化控制系統的結構框圖。
圖1泵房自動化控制系統框圖
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S7-300 PLC，就地操作臺西門子觸摸屏，工業以太網，上位機遠程監控軟件西門子Wincc等。
圖2水泵管路系統圖
單臺水泵管路系統如圖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;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量兩種傳感器同時對水位檢測，當水位高出設定值時開泵抽水。開泵抽水前需要首先對水泵抽真空，根據煤礦安全要求，抽真空方式必須設置兩種：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，通常選為默認抽真空方式，真空泵抽真空方式作為備用。泵體內真空度由負壓壓力表檢測。當真空度達到設定值時控制泵電機運行開始抽水，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，只有當出水口壓力達到設定值時才可以打開電動閥排水。
2 基于S7-300的自動排水設計
安全生產是煤礦生產的先決條件，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定自動運行是當今泵房建設和改造的趨勢，基于工業控制器PLC的設計方案因其性能可靠，性價比高等特點被廣泛應用，本為以西門子S7-300 PLC為例說明泵房自動化控制的原理。
泵房系統的控制方式可以分為就地控制和遠程控制，其中就地控制即通過井下泵房中觸摸屏直接對水泵進行控制;遠程控制為通過井上上位機監控軟件控制，其中就地控制的優先級大于遠程控制。
泵房系統的控制狀態可分為手動控制、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對泵控制，觸摸屏和上位機控制自動閉鎖。單臺泵控制是通過觸摸屏或遠程監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根據各臺泵的運行時間自動停止一臺連續工作時間最長且達到設定值的水泵，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，為了經濟效益考慮，泵房通常采用“避峰填谷”運行模式。采用設定不同開停泵抽水水位值實現，設定四個水位A、B、C、D，其中A>B>C>D。當電費低時段，水位達A點時開泵抽水，到水位降低到D點時才停止抽水;當電費高時段，水位達到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對水泵系統控制，其中水位，泵電機的電壓、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量通過PLC開關量模塊采集到控制器中，同時數字量輸出各種開關狀態控制電磁閥、電動閥等動作。S7-300模塊化設計使系統設計變得非常自由，可根據實際需求選擇各種輸入輸出模塊。通常每套PLC控制器擴展的點位可控制兩臺泵運行，各PLC之間采用PROFIBUS通訊。泵房主要控制程序流程圖如圖3所示。
圖3 泵房系統PLC程序流程圖
3 就地控制觸摸屏設計
為了節約成本，提高性能，泵房就地操作采用隔爆型觸摸屏，相對于操作臺，觸摸屏占據空間較小，畫面形象，既可監視系統實時運行參數，給出檢測數據的實時曲線，實現報警功能和故障信息的歸檔，又可以通過按鍵控制系統運行。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。
根據水泵控制實際需要，觸摸屏采用SIMATIC HMI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按鍵操作，對系統狀態監視，查看歷史數據;管理員只能對系統運行狀態監視。
觸摸屏直接通過網線與PLC相連，二者兼容性好，編程開發與維護簡單。觸摸屏通過讀取PLC中數據對系統監視，并把操作指令傳給PLC執行。
4 工業以太網設計
數字化礦井是煤礦自動化建設的主要趨勢，其中工業以太網是礦井自動化建設的核心，是連接各系統的紐帶。煤礦工業以太網骨干網建設通常井上和井下各組一環網，兩環網通過冗余相連。
以西門子SCALANCE X-400型交換機為骨干網核心交換機，MACH3002型交換機為網關交換機，其示意圖如圖4所示。
圖4煤礦工業以太網拓撲圖
5 上位機監控設計
為實現遠程控制，在調度室中配備一臺上位機，上位機經以太網連與井下泵房PLC通訊，以西門子組態軟件WinCC為基礎開發上位機軟件。
上位機監控主要由主界面、單臺泵監控界面、趨勢界面、歷史數據表格界面、故障報警界面等組成。主界面上直觀顯示整個排水系統，實時顯示水泵的運行狀態、水泵入水口真空度、出水口壓力等重要參數，實時顯示水倉水位和管路流量。單臺泵監控界面單獨顯示每臺水泵的工作狀態、故障、運行參數，對水泵的啟動和停止進行控制，并可在故障處理后進行故障復位。趨勢界面是以曲線的形式顯示水泵軸溫、電機溫度等重要參數，并保存曲線，以便查詢歷史曲線，分析一段時間內水泵工作狀況。歷史數據表格是以表格的形式顯示保存歷史數據。故障報警是對系統運行過程中出現的故障進行報警，并可以保存報警類型及時間，以便查詢故障記錄。上位機組態界面如圖5所示。
(a)組態主畫面 (b)單臺泵畫面
圖5 泵房Wincc 組態畫面
6 小結
結合煤礦井下泵房發展趨勢，本文給出了煤礦泵房自動化建設的設計思路。首先詳細闡述了煤礦水泵排水系統的結構及操作流程。根據操作流程、運行狀態以及“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方法和程序流程圖。介紹了西門子觸摸屏的優點，其在煤礦泵房自動化建設中的應用以及觸摸屏與PLC控制器之間的連接。根據泵房傳輸數據需要，給出了煤礦工業以太網建設方案。最后介紹了基于西門子上位機組態軟件Wincc 的泵房上位機監控系統及組態畫面。
參考文獻
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