張 超（山東兗礦東華重工有限公司機(jī)電設(shè)備制造分公司,山東 鄒城 273500）

S7-312西門子plc在煤礦中央泵房的應(yīng)用

張 超
（山東兗礦東華重工有限公司機(jī)電設(shè)備制造分公司,山東 鄒城 273500）

摘 要：介紹了一種基于PLC的煤礦井下中央泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，給出了該系統(tǒng)的硬件框圖和軟件流程圖。實(shí)踐證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合要求，整體運(yùn)行安全可靠、實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)開停水泵、提高工作效率。

關(guān)鍵詞：人機(jī)界面；中央泵房；PLC控制

1 前言

煤礦井下中央泵房是煤礦生產(chǎn)中礦井排水的重要設(shè)施，屬于煤礦生產(chǎn)中的“四大運(yùn)轉(zhuǎn)”的重要環(huán)節(jié)，中央泵房肩負(fù)著煤礦井下集中排水的重要職責(zé)，有至關(guān)重要的地位，其工作可靠性直接關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)。提高煤礦中央泵房水泵的工作運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性及其自動(dòng)化程度是煤礦機(jī)電設(shè)備自動(dòng)控制中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)礦井信息化、自動(dòng)化的一項(xiàng)重要內(nèi)容。現(xiàn)就煤礦井下中央泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及選型加以闡述。

2 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

整個(gè)水泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)采用集中網(wǎng)絡(luò)控制方式，就地自動(dòng)、半自動(dòng)、檢修控制的方式，操作靈活、可靠。水位檢測(cè)采用數(shù)字儀表加模擬指示器方式，水泵出水口壓力具備液晶數(shù)字顯示功能，對(duì)電機(jī)、水泵的信息（如電機(jī)繞組溫度、電機(jī)軸承溫度、水泵軸承溫度、泵殼溫度、水泵軸承震動(dòng)）進(jìn)行全面檢測(cè)，系統(tǒng)具有高可靠性能的西門子S7-300系列PLC，可以實(shí)現(xiàn)煤礦井下中央泵房各種設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、通過西門子S7-312PLC的程序設(shè)計(jì)精確計(jì)算以及可靠的自動(dòng)控制和保護(hù)各種外圍設(shè)備，并將數(shù)據(jù)上傳到井上監(jiān)控部門，從而實(shí)現(xiàn)中央泵房的無人值守，形成一個(gè)完善的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。

通過現(xiàn)場的水泵房上位機(jī)控制柜的大屏幕顯示屏，可以動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)水泵房的工作的動(dòng)態(tài)信息，包括系統(tǒng)操作信息、故障歷史等供操作人員隨時(shí)查詢，在水泵房上位機(jī)控制柜上可以實(shí)現(xiàn)泵房系統(tǒng)的就地近控和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)控兩種控制方式的轉(zhuǎn)換、水泵的自動(dòng)、半自動(dòng)、檢修操作模式的轉(zhuǎn)換。

采用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)控控制方式時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)接收地面控制中心的控制指令，自動(dòng)啟動(dòng)或停止各臺(tái)水泵，水泵啟動(dòng)開關(guān)由PLC完成，PLC自動(dòng)巡檢，通過工業(yè)以太網(wǎng)接入信息化系統(tǒng)設(shè)在該處礦千兆環(huán)網(wǎng)交換機(jī)上傳給地面調(diào)度中心。

采用就地近控控制方式時(shí)，在自動(dòng)操作模式下，水泵按照水位優(yōu)先、避峰填谷的原則，水泵房上位機(jī)柜發(fā)出指令自動(dòng)啟動(dòng)或停止各臺(tái)水泵，自動(dòng)完成水泵的增加和減少、倒機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)如圖3；在半自動(dòng)模式下水泵可完成單臺(tái)水泵的自動(dòng)啟動(dòng)、停止如圖2；在檢修模式下，在水泵控制柜和就地控制箱可對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修操作：

其主要功能和特點(diǎn)如下：

數(shù)據(jù)采集和處理：

（1）對(duì)模擬輸入、輸出量、開關(guān)量和溫度量等進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中采集和處理；

（2）發(fā)生故障時(shí)，可以進(jìn)行故障記錄、報(bào)警畫面顯示以及自動(dòng)程序操作停泵等。

過程的自動(dòng)控制：

（3）泵組的啟、停操作；

（4）閘門啟閉控制；

（5）輔助設(shè)備的自動(dòng)控制。

統(tǒng)計(jì)及計(jì)算：

（6）泵房日、月、年總用電量；

（7）泵房日、月、年抽水量。

畫面顯示 ：

西門子OP270人機(jī)界面軟件是整個(gè)水泵監(jiān)控系統(tǒng)中重要的顯示和操作部分，通過圖形來表示實(shí)時(shí)控制生產(chǎn)過程的設(shè)備和運(yùn)行情況，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確、形象直觀地通過圖形方式在屏幕上反映出來，同時(shí)能接收用戶指令作相應(yīng)的操作控制。畫面種類包括：

（8）系統(tǒng)配置圖：反映中央水泵房的整體構(gòu)造及配置監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以顯示整個(gè)系統(tǒng)和各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)情況。

（9）曲線圖類 ：包括高壓電動(dòng)機(jī)電流曲線、水泵房排水流量以及各類監(jiān)控設(shè)備模擬量變化曲線。

（10）報(bào)警畫面 ：提供各種類型的故障報(bào)警記錄、控制操作記錄、系統(tǒng)自診斷信息、用戶登錄等信息。

報(bào)表查詢和打?。?/p>

（11）采用Excel電子報(bào)表方式組織、顯示報(bào)表；可以導(dǎo)入導(dǎo)出相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

當(dāng)井下水泵上位機(jī)柜上選擇“近控”時(shí)，可以采用就地控制，在水泵上位機(jī)柜進(jìn)行控制方式選擇為：自動(dòng)控制、半自動(dòng)控制。選擇自動(dòng)控制時(shí)，在水泵上位機(jī)控制柜的工控畫面上點(diǎn)擊開始和停止按鈕，就可使得水泵開始和停止自動(dòng)運(yùn)行，五臺(tái)水泵自動(dòng)根據(jù)水位、涌水量和時(shí)間進(jìn)行開停。選擇半自動(dòng)控制時(shí)，在水泵就地控制箱、水泵控制柜、水泵上位機(jī)柜（優(yōu)先級(jí)由高到低）可對(duì)每臺(tái)水泵分別進(jìn)行自動(dòng)控制。在每臺(tái)的水泵就地控制箱上具有檢修開關(guān)，該開關(guān)打到檢修上時(shí)，只能在水泵就地控制箱對(duì)所涉及的設(shè)備進(jìn)行檢修操作。

3.1 GKD-660礦用一般型PLC控制柜

GKD-660水泵控制柜是煤礦水泵房自動(dòng)監(jiān)控統(tǒng)的控制中心，其主要功能是完成整個(gè)水泵系統(tǒng)運(yùn)行中的數(shù)據(jù)采集、設(shè)備運(yùn)行控制、信息傳輸及通訊的遠(yuǎn)程傳輸。

GKD-660水泵控制柜的控制核心部件是西門子S7-312PLC，并裝置有各種繼電器轉(zhuǎn)換板、輸入/輸出隔離保護(hù)板等，其主要作用是用于輸入信號(hào)的隔離、放大及輸出控制外圍設(shè)備?？梢詫?shí)現(xiàn)設(shè)備的近控、遠(yuǎn)控工作方式，程序控制泵房系統(tǒng)，并將泵房控制納入礦井監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)集中控制。

控制面板上是觸摸屏選用西門子OP270，使用程序軟件設(shè)計(jì)出各種轉(zhuǎn)換開關(guān)、控制按鈕等操作按鈕，同時(shí)可以對(duì)工作方式進(jìn)行選擇，就地、遠(yuǎn)程控制水泵；實(shí)現(xiàn)用于就地監(jiān)視電動(dòng)機(jī)電流、電機(jī)及水泵的溫度、出水管的流量壓力等參數(shù)。具有水泵系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)顯示畫面，實(shí)時(shí)顯示水泵的各種工作狀態(tài)如：水位變化、流量變化、設(shè)備的各種狀態(tài)等。

3.2 水位傳感器

西門子LR-200水位傳感器為本質(zhì)安全型設(shè)備，西門子非接觸水位傳感器有可靠的中間繼電器報(bào)警，可以實(shí)現(xiàn)液位差檢測(cè)，具有明渠流量檢測(cè)和體積轉(zhuǎn)換功能。對(duì)內(nèi)、外兩個(gè)水倉進(jìn)行水位檢測(cè)，精度不超過2%。

主要技術(shù)性能：

（1）提供6個(gè)繼電器輸出的單點(diǎn)監(jiān)測(cè)，4～20mΑ模擬量輸出功能；

（2）采用微波雷達(dá)測(cè)距技術(shù)，監(jiān)測(cè)各種濃度的水和污水等流體物質(zhì)，最大范圍為可以達(dá)到20米左右，精度達(dá)到±0.1%或10mm；同時(shí)抗干擾性強(qiáng)，不受被測(cè)物體的形態(tài)變化的影響，大大減少了誤差。

3.2 壓力變送器

西門子SIΤRΑNS DSⅢ壓力變送器為本質(zhì)安全型設(shè)備，對(duì)5臺(tái)水泵出水管進(jìn)行壓力檢測(cè)，精度5%。主要技術(shù)性能：

（1）精度達(dá)到0.25%，長期的穩(wěn)定性不低于12月；

（2）具有多種故障診斷功能，通用的4～20mΑ模擬量輸出信號(hào)；

（3）連接件和外殼為高等級(jí)不銹鋼材質(zhì)；

3.3 流量計(jì)

LCZ-803為礦用隔爆型設(shè)備。對(duì)3個(gè)主排水管道進(jìn)行檢測(cè)，精度10%。

主要技術(shù)性能：

（1）為惡劣環(huán)境所設(shè)計(jì)，精度0.5%；

（2）1個(gè)電流輸出，1個(gè)數(shù)字輸出，1個(gè)繼電器輸出電源

（3）供電電源220 VΑC.；

3.4 水位模擬指示牌

在內(nèi)、外水倉安裝水位模擬指示牌，能夠形象客觀的反映水位的變化，水倉的狀態(tài)，給人以直觀的水位認(rèn)識(shí)。

3.5 通訊接口

S7-312PLC通過通訊模塊擴(kuò)展，可以將煤礦井下水泵的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)通過西門子工業(yè)以太網(wǎng)端口上傳到煤礦地面生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控中心，并能夠順利的并入全礦井安全生產(chǎn)信息化總網(wǎng)。

4 軟件設(shè)計(jì)心得

從SIEMENS HMI取時(shí)鐘的軟件命令和技巧：

（1）在HMI上建立"日期-時(shí)間"區(qū)域指針，這個(gè)區(qū)域指針指向一個(gè)6個(gè)字的首地址，將要用來存放年、月、日、時(shí)等 (假設(shè)定義為MW100開始的6個(gè)字)；

（2）再創(chuàng)建一個(gè)"作業(yè)信箱"的區(qū)域指針，這個(gè)區(qū)域指針志向一個(gè)4個(gè)字的首地址 (這里假設(shè)為MW120)。

作業(yè)信箱用于和PLC之間交換數(shù)據(jù)，作業(yè)信箱在SIEMENS HMI里面是定義好的，第一個(gè)字的低8位用于存放作業(yè)號(hào)，2、3、4個(gè)字用于存放作業(yè)參數(shù)，作業(yè)參數(shù)根據(jù)作業(yè)號(hào)不同而不同。

HMI規(guī)定作業(yè)號(hào)是固定的，例如：40號(hào)作業(yè)用于傳送日期時(shí)間到PLC，51號(hào)作業(yè)用于選擇畫面。

兩個(gè)區(qū)域指針已經(jīng)定義好了，這時(shí)我們根據(jù)我們的條件往作業(yè)信箱寫作業(yè)號(hào)，HMI就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。例如：我在OB1下，用一個(gè)秒時(shí)鐘做條件，將40寫入到MB121(上面定義作業(yè)信箱首地址MW120)。那么在MW100開始的地方，PLC就會(huì)收到來自HMI的時(shí)鐘。

5 結(jié)束語

該中央水泵系統(tǒng)已于近期投入整體運(yùn)行，在近一年的運(yùn)行過程中此控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；同時(shí)滿足了煤礦安全生產(chǎn)的需要，對(duì)所控制及監(jiān)測(cè)的信息能夠全部上傳。實(shí)現(xiàn)了在煤礦地面中央調(diào)度室及井下中央泵房均能夠遠(yuǎn)程起停水泵和檢測(cè)井下中央水泵房的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。充分體現(xiàn)西門子S7系列PLC的先進(jìn)控制功能和強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊能力，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下中央泵房的自動(dòng)監(jiān)控功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]S7-300硬件安裝手冊(cè)[S].西門子公司.

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