S7-312西門子plc在煤礦中央泵房的應用

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

S7-312西門子plc在煤礦中央泵房的應用

張 超
（山東兗礦東華重工有限公司機電設備制造分公司,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控制系統的設計思路，給出了該系統的硬件框圖和軟件流程圖。實踐證明該系統設計符合要求，整體運行安全可靠、實現全自動開停水泵、提高工作效率。

關鍵詞：人機界面；中央泵房；PLC控制

1 前言

煤礦井下中央泵房是煤礦生產中礦井排水的重要設施，屬于煤礦生產中的“四大運轉”的重要環節，中央泵房肩負著煤礦井下集中排水的重要職責，有至關重要的地位，其工作可靠性直接關系到煤礦的安全生產。提高煤礦中央泵房水泵的工作運轉的可靠性及其自動化程度是煤礦機電設備自動控制中，實現整個礦井信息化、自動化的一項重要內容。現就煤礦井下中央泵房自動控制系統的設計及選型加以闡述。

2 系統功能及特點

整個水泵房自動控制系統采用集中網絡控制方式，就地自動、半自動、檢修控制的方式，操作靈活、可靠。水位檢測采用數字儀表加模擬指示器方式，水泵出水口壓力具備液晶數字顯示功能，對電機、水泵的信息（如電機繞組溫度、電機軸承溫度、水泵軸承溫度、泵殼溫度、水泵軸承震動）進行全面檢測，系統具有高可靠性能的西門子S7-300系列PLC，可以實現煤礦井下中央泵房各種設備的實時數據采集、通過西門子S7-312PLC的程序設計精確計算以及可靠的自動控制和保護各種外圍設備，并將數據上傳到井上監控部門，從而實現中央泵房的無人值守，形成一個完善的自動監測與控制系統。

通過現場的水泵房上位機控制柜的大屏幕顯示屏，可以動態顯示整個水泵房的工作的動態信息，包括系統操作信息、故障歷史等供操作人員隨時查詢，在水泵房上位機控制柜上可以實現泵房系統的就地近控和網絡遠控兩種控制方式的轉換、水泵的自動、半自動、檢修操作模式的轉換。

采用網絡遠控控制方式時，通過網絡接收地面控制中心的控制指令，自動啟動或停止各臺水泵，水泵啟動開關由PLC完成，PLC自動巡檢，通過工業以太網接入信息化系統設在該處礦千兆環網交換機上傳給地面調度中心。

采用就地近控控制方式時，在自動操作模式下，水泵按照水位優先、避峰填谷的原則，水泵房上位機柜發出指令自動啟動或停止各臺水泵，自動完成水泵的增加和減少、倒機運行。系統功能的實現如圖3；在半自動模式下水泵可完成單臺水泵的自動啟動、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設備進行檢修操作：

其主要功能和特點如下：

數據采集和處理：

（1）對模擬輸入、輸出量、開關量和溫度量等進行數據的集中采集和處理；

（2）發生故障時，可以進行故障記錄、報警畫面顯示以及自動程序操作停泵等。

過程的自動控制：

（3）泵組的啟、停操作；

（4）閘門啟閉控制；

（5）輔助設備的自動控制。

統計及計算：

（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人機界面軟件是整個水泵監控系統中重要的顯示和操作部分，通過圖形來表示實時控制生產過程的設備和運行情況，將實時數據快速準確、形象直觀地通過圖形方式在屏幕上反映出來，同時能接收用戶指令作相應的操作控制。畫面種類包括：

（8）系統配置圖：反映中央水泵房的整體構造及配置監控系統結構，可以顯示整個系統和各種設備的運行狀態情況。

（9）曲線圖類 ：包括高壓電動機電流曲線、水泵房排水流量以及各類監控設備模擬量變化曲線。

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

報表查詢和打印：

（11）采用Excel電子報表方式組織、顯示報表；可以導入導出相關數據。

3 系統硬件構成

當井下水泵上位機柜上選擇“近控”時，可以采用就地控制，在水泵上位機柜進行控制方式選擇為：自動控制、半自動控制。選擇自動控制時，在水泵上位機控制柜的工控畫面上點擊開始和停止按鈕，就可使得水泵開始和停止自動運行，五臺水泵自動根據水位、涌水量和時間進行開停。選擇半自動控制時，在水泵就地控制箱、水泵控制柜、水泵上位機柜（優先級由高到低）可對每臺水泵分別進行自動控制。在每臺的水泵就地控制箱上具有檢修開關，該開關打到檢修上時，只能在水泵就地控制箱對所涉及的設備進行檢修操作。

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監控統的控制中心，其主要功能是完成整個水泵系統運行中的數據采集、設備運行控制、信息傳輸及通訊的遠程傳輸。

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換板、輸入/輸出隔離保護板等，其主要作用是用于輸入信號的隔離、放大及輸出控制外圍設備。可以實現設備的近控、遠控工作方式，程序控制泵房系統，并將泵房控制納入礦井監控中心實現集中控制。

控制面板上是觸摸屏選用西門子OP270，使用程序軟件設計出各種轉換開關、控制按鈕等操作按鈕，同時可以對工作方式進行選擇，就地、遠程控制水泵；實現用于就地監視電動機電流、電機及水泵的溫度、出水管的流量壓力等參數。具有水泵系統的動態顯示畫面，實時顯示水泵的各種工作狀態如：水位變化、流量變化、設備的各種狀態等。

3.2 水位傳感器

西門子LR-200水位傳感器為本質安全型設備，西門子非接觸水位傳感器有可靠的中間繼電器報警，可以實現液位差檢測，具有明渠流量檢測和體積轉換功能。對內、外兩個水倉進行水位檢測，精度不超過2%。

主要技術性能：

（1）提供6個繼電器輸出的單點監測，4～20mΑ模擬量輸出功能；

（2）采用微波雷達測距技術，監測各種濃度的水和污水等流體物質，最大范圍為可以達到20米左右，精度達到±0.1%或10mm；同時抗干擾性強，不受被測物體的形態變化的影響，大大減少了誤差。

3.2 壓力變送器

西門子SIΤRΑNS DSⅢ壓力變送器為本質安全型設備，對5臺水泵出水管進行壓力檢測，精度5%。主要技術性能：

（1）精度達到0.25%，長期的穩定性不低于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；

（3）連接件和外殼為高等級不銹鋼材質；

3.3 流量計

LCZ-803為礦用隔爆型設備。對3個主排水管道進行檢測，精度10%。

主要技術性能：

（1）為惡劣環境所設計，精度0.5%；

（2）1個電流輸出，1個數字輸出，1個繼電器輸出電源

（3）供電電源220 VΑC.；

3.4 水位模擬指示牌

在內、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，給人以直觀的水位認識。

3.5 通訊接口

S7-312PLC通過通訊模塊擴展，可以將煤礦井下水泵的運行狀態與參數通過西門子工業以太網端口上傳到煤礦地面生產調度監控中心，并能夠順利的并入全礦井安全生產信息化總網。

4 軟件設計心得

從SIEMENS HMI取時鐘的軟件命令和技巧：

（1）在HMI上建立"日期-時間"區域指針，這個區域指針指向一個6個字的首地址，將要用來存放年、月、日、時等 (假設定義為MW100開始的6個字)；

（2）再創建一個"作業信箱"的區域指針，這個區域指針志向一個4個字的首地址 (這里假設為MW120)。

作業信箱用于和PLC之間交換數據，作業信箱在SIEMENS HMI里面是定義好的，第一個字的低8位用于存放作業號，2、3、4個字用于存放作業參數，作業參數根據作業號不同而不同。

HMI規定作業號是固定的，例如：40號作業用于傳送日期時間到PLC，51號作業用于選擇畫面。

兩個區域指針已經定義好了，這時我們根據我們的條件往作業信箱寫作業號，HMI就會產生相應的動作。例如：我在OB1下，用一個秒時鐘做條件，將40寫入到MB121(上面定義作業信箱首地址MW120)。那么在MW100開始的地方，PLC就會收到來自HMI的時鐘。

5 結束語

該中央水泵系統已于近期投入整體運行，在近一年的運行過程中此控制系統運行穩定可靠，完全達到了設計要求；同時滿足了煤礦安全生產的需要，對所控制及監測的信息能夠全部上傳。實現了在煤礦地面中央調度室及井下中央泵房均能夠遠程起停水泵和檢測井下中央水泵房的運行狀態參數。充分體現西門子S7系列PLC的先進控制功能和強大的網絡通訊能力，實現了煤礦井下中央泵房的自動監控功能。

參考文獻：

[1]S7-300硬件安裝手冊[S].西門子公司.

[2]S7-300和S7-400梯形邏輯編程參考手冊[S].西門子公司.

[3]廖常初.S7-300和S7-400PLC應用技術[M].機械工業出版社.