基于PLC和WinCC的井下水泵監控系統

張紅偉，夏 輝

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

基于PLC和WinCC的井下水泵監控系統

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，根據系統的控制要求，設計了以西門子S7-300系列PLC為控制器，結合工業以太網、傳感器和上位機等技術的一套較完備的煤礦井下水泵監控系統。應用結果表明，該系統運行效果良好，提高了排水工作的可靠性和穩定性。

離心式水泵；PLC；WinCC；工業以太網

0 前言

在煤礦建設和生產過程中，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，井下的生產會受到阻礙，威脅到井下工人和設備的安全。因此，井下水泵監控系統的可靠運行對礦井安全生產起著非常重要的作用。

目前，我國大多數煤礦井下水泵控制系統主要由離心式水泵、電動機、起動設備、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的核心部分。

圖1 水泵控制系統組成結構圖

水泵的工作，分四個環節：水位監測、射流抽真空控制、電機和閘閥控制、設備運行參數監測。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，待真空值達到要求后，啟動電機；然后監測出水口的出口壓力，待其達到要求并穩定后，開啟出水閘閥，同時關閉真空閥與射流閥，水泵啟動完成。停泵流程則逆序操作，當水泵收到停泵命令，先關閉出水閘閥，待出水閘閥完全關閉后，停止電機。若需急停，則同時關閉電機和出水閘閥。

目前國內礦井的水泵控制系統多采用傳統的繼電器控制方法，用人工進行監測。傳統方法控制線路復雜，設備運行的可靠性低，工人勞動強度大。為了改善這一現狀，要在原有設施基礎上進行自動化改造，實現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水泵控制系統的遠程監控。

1 系統的總體設計

設計的水泵監控系統主要由PLC控制器、傳感器、通訊系統、上位機、視頻監控系統和電動（磁）閥等電動設備組成。整個系統按所處位置，可分為地面監控和井下控制兩個部分。系統結構如圖2所示。

圖2 系統總體結構示意圖

1.1 地面監控

地面監控系統包括工控機、工業監視器和光端機。工控機通過上位機軟件和井下PLC系統通過工業以太網進行通信，對水泵自動控制系統進行監控，實時讀取現場關鍵數據，并記錄保存。工業監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參數采集，實現水泵以及其他電器設備的正常運行，并將控制信息利用光纜通過工業以太網傳入上位機。

2 系統的硬件設計

硬件系統主要包括傳感器采集開關量、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備控制和控制網絡的構成及通信。

2.1 傳感器的選用

在本系統中，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。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，是直接反應被控對象特征的物理量，關系到控制決策制定。所以，本系統采用超聲波水位傳感器與浮球式開關水位傳感器相結合的辦法來檢測水位。

2.2 PLC的輸入輸出點統計及選型

PLC控制器是整個控制系統的核心，其硬件設計的可靠性關系到整個控制系統的平穩運行。根據控制系統的功能要求，統計出PLC所需模擬量、開關量輸入輸出點數。此外，在設計過程中還應考慮裕量，以便于系統日后擴展應用。

根據輸入輸出點數的統計，選擇PLC模塊。在具體的模塊類型選取時，通常基于兩點考慮：所選擇模塊能滿足系統設計的功能要求，并有很強的安全、可靠性；為了方便系統的維護和改進，通常選擇預留20%～40%的備用點數。依據以上兩點，選擇主站內PLC相關模塊及數量（如表1所示）和3個分站內PLC模塊型號和數量。

表1 主站模塊選擇

2.3 控制網絡設計

在本系統中，控制網絡是由PLC與上位機通過交換機構成的星形拓撲的工業以太網。每個設備均帶有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地址設在同一個網段。另外由于控制網絡之間相互遵循TCP/IP協議，使得系統更具開放性。如果通過路由器與Internet進行連接，還可以將系統網絡劃分為辦公網絡和工業網絡，并實現遠程控制。其中，以太網交換機采用SCALANCE X-400高性能模塊化的交換機，適用于高速光學/電氣總線型拓撲結構，具有模塊化結構和擴展模塊多的特點。

3 系統軟件設計

本控制系統的軟件設計包括上位機部分和下位機部分。

上位機配置包括PC機和組態軟件，組態軟件選用西門子公司的WinCC V6.2.該軟件除了具有組態軟件的基本功能外，還采用標準Microsoft SQL Server 2000數據庫進行生產數據的歸檔，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據進行顯示；二是接受操作員的調度命令，通過工業以太網，對現場的設備進行遠程操作。該系統上位機監控畫面包括主畫面、實時數據畫面、報警畫面、輸入狀態畫面、輸出狀態畫面、運行時間及參數設置畫面。主畫面如圖3所示。

圖3 監控主畫面

下位機軟件設計主要是PLC監控程序的設計，PLC下位機軟件的開發環境為SIEMENS SIMATIC STEP7 V5.3編程軟件，采用模塊化結構程序方式編程，這樣既可增強程序的可讀性，方便調試和維護工作，又能使數據庫結構統一。根據系統設計要求，系統軟件包括以下幾個功能：設計自動、遠控、近控、手動和檢修五種控制操作方式對系統的控制；建立數學模型，根據涌水量大小和節電原則，自動控制運行的水泵臺數；記錄各臺水泵的運行時間，實現輪班工作制，保護水泵運行性能良好；水位實時在線檢測與顯示，并同步顯示系統的水位、壓力、溫度參數及泵閥的運行狀態。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 應用

本文設計的井下水泵監控系統根據系統功能要求和設計原則，給出了整體的系統構架，設計了完善的故障監測和保護措施，實現了水泵的自動化監控，具有系統穩定可靠、故障率低、維修量小等特點。本系統已在大屯煤電公司投入使用，現場運行良好，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，實現了無人值守，為煤礦安全生產帶來了可靠保障。

[1]朱華興，吳昊.井下分散式排水匯集點潛水泵集控系統設計[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的應用[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[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的應用[J].工礦自動化，2012（03）：63-65.

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