煤礦泵房自動化控製係統設計說明書
摘 要煤礦泵房排水係統的可靠性和自動化控製越來越受到人們的關注，本文以西門子 S7-300 PLC為控製器、西門子觸摸屏為操作台、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，根據實際係統詳細給出泵房自動化控製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 煤礦泵房自動化控製係統
圖1為泵房自動化控製係統的結構框圖。
圖1泵房自動化控製係統框圖
其中主要包括抽水泵管線上各種閥門及傳感器，主控製器西門子S7-300 PLC，就地操作台西門子觸摸屏，工業以太網，上位機遠程監控軟件西門子Wincc等。
圖2水泵管路係統圖
單台水泵管路係統如圖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製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，隻有當出水口壓力達到設定值時才可以打開電動閥排水。
2 基於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台水泵處於檢修，一台備用，一套或多套可以運行。如何使各台水泵能按照設定自動運行是當今泵房建設和改造的趨勢，基於工業控製器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製的原理。
泵房係統的控製方式可以分為就地控製和遠程控製，其中就地控製即通過井下泵房中觸摸屏直接對水泵進行控製;遠程控製為通過井上上位機監控軟件控製，其中就地控製的優先級大於遠程控製。
泵房係統的控製狀態可分為手動控製、單台泵控製和自動輪換控製。手動控製時隻能手動操作各台泵上的開關對泵控製，觸摸屏和上位機控製自動閉鎖。單台泵控製是通過觸摸屏或遠程監控控製對每台泵的啟停分別控製，不考慮其工作時間因素。自動輪換控製是PLC根據各台泵的運行時間自動停止一台連續工作時間最長且達到設定值的水泵，然後開啟一台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“避峰填穀”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對水泵係統控製，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製器中。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製器中，同時數字量輸出各種開關狀態控製電磁閥、電動閥等動作。S7-300模塊化設計使係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控製器擴展的點位可控製兩台泵運行，各PLC之間采用PROFIBUS通訊。泵房主要控製程序流程圖如圖3所示。
圖3 泵房係統PLC程序流程圖
3 就地控製觸摸屏設計
為了節約成本，提高性能，泵房就地操作采用隔爆型觸摸屏，相對於操作台，觸摸屏占據空間較小，畫麵形象，既可監視係統實時運行參數，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，又可以通過按鍵控製係統運行。操作台由於麵積的局限性，按鍵較少，而觸摸屏可以不受麵積影響，可添加相對較多的按鍵。
根據水泵控製實際需要，觸摸屏采用SIMATIC HMI型。采用操作員和管理員兩級操作方式，其中操作員可以對係統按鍵操作，對係統狀態監視，查看曆史數據;管理員隻能對係統運行狀態監視。
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中數據對係統監視，並把操作指令傳給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，是連接各係統的紐帶。煤礦工業以太網骨幹網建設通常井上和井下各組一環網，兩環網通過冗餘相連。
以西門子SCALANCE X-400型交換機為骨幹網核心交換機，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
為實現遠程控製，在調度室中配備一台上位機，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麵、單台泵監控界麵、趨勢界麵、曆史數據表格界麵、故障報警界麵等組成。主界麵上直觀顯示整個排水係統，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。單台泵監控界麵單獨顯示每台水泵的工作狀態、故障、運行參數，對水泵的啟動和停止進行控製，並可在故障處理後進行故障複位。趨勢界麵是以曲線的形式顯示水泵軸溫、電機溫度等重要參數，並保存曲線，以便查詢曆史曲線，03manbetx 一段時間內水泵工作狀況。曆史數據表格是以表格的形式顯示保存曆史數據。故障報警是對係統運行過程中出現的故障進行報警，並可以保存報警類型及時間，以便查詢故障記錄。上位機組態界麵如圖5所示。
(a)組態主畫麵 (b)單台泵畫麵
圖5 泵房Wincc 組態畫麵
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係統的結構及操作流程。根據操作流程、運行狀態以及“避峰填穀”等要求，給出了基於西門子S7-300 PLC的煤礦泵房自動化控製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控製器之間的連接。根據泵房傳輸數據需要，給出了煤礦工業以太網建設方案。最後介紹了基於西門子上位機組態軟件Wincc 的泵房上位機監控係統及組態畫麵。
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