樊曉明

【摘 要】煤礦中央水泵房作為煤礦水的唯一人工動(dòng)力源，對(duì)整個(gè)煤礦生產(chǎn)的正常運(yùn)行，生活具有十分重要的意義，水泵主排水自動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)集控制，保護(hù)，經(jīng)營(yíng)，管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以大大提高水泵在生產(chǎn)中的效率。水泵為主要監(jiān)控對(duì)象，使用功能豐富的WinCC組態(tài)軟件的配置監(jiān)測(cè)井下中央泵房水泵控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，遠(yuǎn)程監(jiān)控，通訊，參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)顯示和代表歷史的現(xiàn)實(shí)的和其他功能。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，可以實(shí)時(shí)獲取井下中央水泵房的實(shí)時(shí)信息，具有很高的可靠性和靈活性。

【關(guān)鍵詞】PLC；水泵；組態(tài)軟件；自動(dòng)化控制

0.引言

采煤，掘進(jìn)，機(jī)電，運(yùn)輸，通風(fēng)，排水六大系統(tǒng)共同肩負(fù)著煤礦安全生產(chǎn)的重任，排水系統(tǒng)作為礦井六大專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)之一，它承擔(dān)著煤礦井下排水的重要任務(wù)，也是保證煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。中央水泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)要求最終能夠達(dá)到減人提效，集中監(jiān)測(cè)、監(jiān)控礦井主排水系統(tǒng)的工序節(jié)點(diǎn)，可靈活地設(shè)置監(jiān)控模式，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，方便存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和檢索歷史數(shù)據(jù)。本文闡述了中央水泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程和上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

本次礦井中央泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為分層分布開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，由現(xiàn)場(chǎng)層（遠(yuǎn)程I/O模塊），控制層（PLC可編程邏輯控制器）和信息層（上位機(jī)PC）三層控制系統(tǒng)組成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)中央水泵房的排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制。本次設(shè)計(jì)的中央水泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制站選用采用Siemens S7-300系列PLC作為控制核心，設(shè)置在井下中央水泵房?jī)?nèi)的PLC集中控制柜，負(fù)責(zé)采集、處理各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)傳感器傳出的有關(guān)水泵工作狀態(tài)的各種信息，并把這些信息轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)、圖形模塊，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到就地集中操作臺(tái)和信息層上位機(jī)，在上位機(jī)遠(yuǎn)程控制終端選用windows server 2003的操作系統(tǒng)，安裝和開(kāi)發(fā)西門(mén)子的WinCC組態(tài)軟件，從而在地面實(shí)現(xiàn)對(duì)各臺(tái)水泵的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。中央水泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.PLC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1基于PLC的中央水泵房控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖2 中央水泵房控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)由PLC集中控制裝置、就地控制執(zhí)行觸摸屏裝置、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳感器三部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2單臺(tái)水泵PLC 的軟件設(shè)計(jì)

本文著重介紹單臺(tái)水泵的流程啟動(dòng)，流程停止以及故障保護(hù)，其余水泵的工作流程與此基本一致。水泵的開(kāi)啟階段，必須先通過(guò)確定開(kāi)泵的數(shù)量以及水泵輪換工作邏輯模塊，以此確定開(kāi)幾號(hào)水泵，當(dāng)某臺(tái)泵滿足了開(kāi)泵條件，PLC集中控制柜即能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水泵的自動(dòng)開(kāi)啟。

當(dāng)PLC接收到啟動(dòng)某臺(tái)水泵的指令后，就會(huì)按照?qǐng)D3所示的水泵的啟動(dòng)流程圖進(jìn)行水泵的自動(dòng)啟動(dòng)控制。首先是啟動(dòng)抽真空系統(tǒng)將水泵體內(nèi)的空氣排除，讓其充滿水，這時(shí)，抽真空管路上的負(fù)壓表（真空表）就會(huì)達(dá)到要求值，當(dāng)PLC檢測(cè)到負(fù)壓表的讀數(shù)滿足啟動(dòng)要求時(shí)，就會(huì)發(fā)指令給高壓開(kāi)關(guān)柜，啟動(dòng)水泵電機(jī)，并關(guān)掉抽真空設(shè)備。這時(shí)位于水泵上方主排水管路上的壓力傳感器承受的壓力越來(lái)越大，當(dāng)達(dá)到要求值時(shí)，PLC發(fā)指令開(kāi)啟電動(dòng)閘閥，開(kāi)始排水。

圖3 水泵啟動(dòng)流程圖

從流程圖中可以看出，系統(tǒng)中設(shè)有抽真空超時(shí)、閘閥開(kāi)超時(shí)、壓力異常等故障報(bào)警系統(tǒng)。如果出現(xiàn)異常，對(duì)于實(shí)時(shí)CPU以及I/O模塊內(nèi)部的錯(cuò)誤，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳入故障處理程序塊中進(jìn)行相應(yīng)的處理；如果是外部回路接線錯(cuò)誤或傳感器失效等故障系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)聲光報(bào)警，并停泵，禁止該泵投入自動(dòng)循環(huán)運(yùn)行中。

運(yùn)行過(guò)程中，主要監(jiān)測(cè)壓力、電流、溫度、流量等狀態(tài)量，出現(xiàn)異常停止水泵，并報(bào)警給出故障提示。其流程圖如圖4所示。

停止過(guò)程中主要結(jié)合定時(shí)器監(jiān)測(cè)動(dòng)作是否正常，出現(xiàn)故障進(jìn)行報(bào)警，并給出故障提示。其流程圖如圖5所示。

圖5 停止過(guò)程故障保護(hù)流程

3.上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)人機(jī)交換界面是基于組態(tài)軟件WinCC5開(kāi)發(fā)的，具有主畫(huà)面、單臺(tái)泵畫(huà)面、運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)畫(huà)面、歷史數(shù)據(jù)畫(huà)面等多種友好人機(jī)界面。針對(duì)不同情況做出相應(yīng)的操作畫(huà)面，便于遠(yuǎn)程/就地手自動(dòng)動(dòng)操作的任何一臺(tái)可控制型設(shè)備，如電磁閥的開(kāi)啟、關(guān)閉，水泵的起動(dòng)、停止，電動(dòng)閘閥的開(kāi)啟、關(guān)閉。在主監(jiān)測(cè)界面上，可以顯電機(jī)前后軸溫度、水泵吸水管真空度與水泵出水口壓力、流量等主要的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。中央水泵房控制系統(tǒng)主界面如圖6所示。

圖6中央水泵房控制系統(tǒng)主界面

4.結(jié)論

本文給出了基于PLC與組態(tài)軟件WinCC5 的綜合運(yùn)用在井下中央泵房水泵控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了依據(jù)水倉(cāng)水位進(jìn)行起停水泵，提高了水泵有效利用率，大大降低生產(chǎn)成本，自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)跨越減少看護(hù)人員，相應(yīng)減少工資投入，提高水泵運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量，能夠定期對(duì)設(shè)備檢修，減少故障發(fā)生率?？傊撓到y(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)具有重大的意義，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化礦山奠定了基礎(chǔ)。

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