基于PLC和WinCC的井下水泵監(jiān)控系統(tǒng)

張紅偉，夏 輝

（1.棗礦集團田陳煤礦，山東 棗莊 277000；2.中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221008）

基于PLC和WinCC的井下水泵監(jiān)控系統(tǒng)

張紅偉1，夏 輝2

（1.棗礦集團田陳煤礦，山東 棗莊 277000；2.中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇 徐州 221008）

為了確保煤礦井下排水的安全可靠運行，根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，設(shè)計了以西門子S7-300系列PLC為控制器，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)、傳感器和上位機等技術(shù)的一套較完備的煤礦井下水泵監(jiān)控系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行效果良好，提高了排水工作的可靠性和穩(wěn)定性。

離心式水泵；PLC；WinCC；工業(yè)以太網(wǎng)

0 前言

在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過程中，由于地層中含水的涌出等原因，將有大量的水匯集于井下[1-3]。如果不及時地將這些積水排至地表，井下的生產(chǎn)會受到阻礙，威脅到井下工人和設(shè)備的安全。因此，井下水泵監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運行對礦井安全生產(chǎn)起著非常重要的作用。

目前，我國大多數(shù)煤礦井下水泵控制系統(tǒng)主要由離心式水泵、電動機、起動設(shè)備、儀表、管路及管路附件等組成[4-5]，如圖1所示。其中離心式水泵是排水系統(tǒng)的核心部分。

圖1 水泵控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

水泵的工作，分四個環(huán)節(jié)：水位監(jiān)測、射流抽真空控制、電機和閘閥控制、設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)測。水泵的啟動、停止過程需要綜合真空、壓力等因素，按照操作規(guī)程依次動作。具體流程如下：開泵時，首先判斷是否滿足開泵條件，當滿足開泵條件時，開啟真空閥、射流閥進行抽真空；隨著泵腔內(nèi)真空度的降低，水倉的水在大氣壓力的作用下進入泵體。同時，觀測真空表的讀數(shù)，待真空值達到要求后，啟動電機；然后監(jiān)測出水口的出口壓力，待其達到要求并穩(wěn)定后，開啟出水閘閥，同時關(guān)閉真空閥與射流閥，水泵啟動完成。停泵流程則逆序操作，當水泵收到停泵命令，先關(guān)閉出水閘閥，待出水閘閥完全關(guān)閉后，停止電機。若需急停，則同時關(guān)閉電機和出水閘閥。

目前國內(nèi)礦井的水泵控制系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的繼電器控制方法，用人工進行監(jiān)測。傳統(tǒng)方法控制線路復雜，設(shè)備運行的可靠性低，工人勞動強度大。為了改善這一現(xiàn)狀，要在原有設(shè)施基礎(chǔ)上進行自動化改造，實現(xiàn)煤礦井下排水的自動控制，通過對電機、閥門的控制和傳感器信號的采集實現(xiàn)水泵控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

設(shè)計的水泵監(jiān)控系統(tǒng)主要由PLC控制器、傳感器、通訊系統(tǒng)、上位機、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和電動（磁）閥等電動設(shè)備組成。整個系統(tǒng)按所處位置，可分為地面監(jiān)控和井下控制兩個部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 地面監(jiān)控

地面監(jiān)控系統(tǒng)包括工控機、工業(yè)監(jiān)視器和光端機。工控機通過上位機軟件和井下PLC系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通信，對水泵自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)控，實時讀取現(xiàn)場關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并記錄保存。工業(yè)監(jiān)視器用于顯示井下水泵的實時畫面，讓操作人員更方便的觀察水泵運行情況。

1.2 井下控制

井下水泵控制主要以PLC為控制核心，通過傳感器進行相關(guān)參數(shù)采集，實現(xiàn)水泵以及其他電器設(shè)備的正常運行，并將控制信息利用光纜通過工業(yè)以太網(wǎng)傳入上位機。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)主要包括傳感器采集開關(guān)量、模擬量信號，PLC控制器對信號檢測和處理以及水泵閥門等電動設(shè)備控制和控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成及通信。

2.1 傳感器的選用

在本系統(tǒng)中，使用的傳感器主要包括真空傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器和液位傳感器。真空傳感器在射流抽真空的過程中，檢測泵腔真空度，進而判斷開啟水泵電機的時機。壓力傳感器測量出口壓力，看其是否達到排水要求，避免水錘等事故的出現(xiàn)。溫度傳感器測量水泵軸溫和電機的溫度。液位傳感器檢測的是水倉水位，是直接反應(yīng)被控對象特征的物理量，關(guān)系到控制決策制定。所以，本系統(tǒng)采用超聲波水位傳感器與浮球式開關(guān)水位傳感器相結(jié)合的辦法來檢測水位。

2.2 PLC的輸入輸出點統(tǒng)計及選型

PLC控制器是整個控制系統(tǒng)的核心，其硬件設(shè)計的可靠性關(guān)系到整個控制系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，統(tǒng)計出PLC所需模擬量、開關(guān)量輸入輸出點數(shù)。此外，在設(shè)計過程中還應(yīng)考慮裕量，以便于系統(tǒng)日后擴展應(yīng)用。

根據(jù)輸入輸出點數(shù)的統(tǒng)計，選擇PLC模塊。在具體的模塊類型選取時，通?；趦牲c考慮：所選擇模塊能滿足系統(tǒng)設(shè)計的功能要求，并有很強的安全、可靠性；為了方便系統(tǒng)的維護和改進，通常選擇預留20%～40%的備用點數(shù)。依據(jù)以上兩點，選擇主站內(nèi)PLC相關(guān)模塊及數(shù)量（如表1所示）和3個分站內(nèi)PLC模塊型號和數(shù)量。

表1 主站模塊選擇

2.3 控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

在本系統(tǒng)中，控制網(wǎng)絡(luò)是由PLC與上位機通過交換機構(gòu)成的星形拓撲的工業(yè)以太網(wǎng)。每個設(shè)備均帶有RJ45接頭的8芯屏蔽雙絞線接入交換機。完成硬件連接后，然后IP地址分配，將上位機與PLC的IP地址設(shè)在同一個網(wǎng)段。另外由于控制網(wǎng)絡(luò)之間相互遵循TCP/IP協(xié)議，使得系統(tǒng)更具開放性。如果通過路由器與Internet進行連接，還可以將系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)劃分為辦公網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)遠程控制。其中，以太網(wǎng)交換機采用SCALANCE X-400高性能模塊化的交換機，適用于高速光學/電氣總線型拓撲結(jié)構(gòu)，具有模塊化結(jié)構(gòu)和擴展模塊多的特點。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括上位機部分和下位機部分。

上位機配置包括PC機和組態(tài)軟件，組態(tài)軟件選用西門子公司的WinCC V6.2.該軟件除了具有組態(tài)軟件的基本功能外，還采用標準Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的歸檔，同時具有Web瀏覽功能。上位機軟件的作用概括起來有兩點：一是通過與PLC的通信，將PLC采集的和處理過的數(shù)據(jù)進行顯示；二是接受操作員的調(diào)度命令，通過工業(yè)以太網(wǎng)，對現(xiàn)場的設(shè)備進行遠程操作。該系統(tǒng)上位機監(jiān)控畫面包括主畫面、實時數(shù)據(jù)畫面、報警畫面、輸入狀態(tài)畫面、輸出狀態(tài)畫面、運行時間及參數(shù)設(shè)置畫面。主畫面如圖3所示。

圖3 監(jiān)控主畫面

下位機軟件設(shè)計主要是PLC監(jiān)控程序的設(shè)計，PLC下位機軟件的開發(fā)環(huán)境為SIEMENS SIMATIC STEP7 V5.3編程軟件，采用模塊化結(jié)構(gòu)程序方式編程，這樣既可增強程序的可讀性，方便調(diào)試和維護工作，又能使數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)統(tǒng)一。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，系統(tǒng)軟件包括以下幾個功能：設(shè)計自動、遠控、近控、手動和檢修五種控制操作方式對系統(tǒng)的控制；建立數(shù)學模型，根據(jù)涌水量大小和節(jié)電原則，自動控制運行的水泵臺數(shù)；記錄各臺水泵的運行時間，實現(xiàn)輪班工作制，保護水泵運行性能良好；水位實時在線檢測與顯示，并同步顯示系統(tǒng)的水位、壓力、溫度參數(shù)及泵閥的運行狀態(tài)。程序主要包括操作方式選擇程序、排水模型及“避峰就谷”程序、水泵的輪換工作程序、開啟水泵臺數(shù)程序、水泵自動運行控制程序等。操作方式選擇程序流程圖如圖4所示。

圖4 操作方式選擇流程圖

4 應(yīng)用

本文設(shè)計的井下水泵監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)功能要求和設(shè)計原則，給出了整體的系統(tǒng)構(gòu)架，設(shè)計了完善的故障監(jiān)測和保護措施，實現(xiàn)了水泵的自動化監(jiān)控，具有系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、故障率低、維修量小等特點。本系統(tǒng)已在大屯煤電公司投入使用，現(xiàn)場運行良好，工作效率比以往有明顯的提高，解決了各臺水泵獨立運行的缺點，延長了水泵的使用壽命，實現(xiàn)了無人值守，為煤礦安全生產(chǎn)帶來了可靠保障。

[1]朱華興，吳昊.井下分散式排水匯集點潛水泵集控系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2012（08）：118-120.

[2]王志國，郭峰.煤礦中央水泵房自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].工礦自動化，2011（06）：76-78.

[3]姜秀柱，徐釗，馮東芹.基于EPA的煤礦井下水泵控制系統(tǒng)[J].工礦自動化，2008（05）：62-65.

[4]徐廣明，毛君，王大力等.刮板輸送機鏈條張力分析與計算研究[J].煤礦機械，2007（07）：1-2.

[5]槐利，譚一川，徐育軍.煤礦井下主排水自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].工礦自動化，2012（03）：63-65.

張紅偉（1976—），男，2010年1月畢業(yè)于中國礦業(yè)大學大學機械電子工程專業(yè)，從事機電設(shè)備運行維護和管理工作。