TIA Portal系統(tǒng)在礦井泵房監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

史凱

（）

[摘

要]

[關(guān)鍵詞]

[中圖分類號(hào)] U468.23

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號(hào)]2095-6487 （2021） 02-0098-03

Application of TIA Portal System in Monitoring System of

Mine Pump House Research and Application

Shi Kai

[ Abstract] Pump house is an important place of mine drainage system， whether its equipment can operate reliably is related to the safetyproduction of the whole mine. Due to the complex distribution of underground stope， long drainage pipeline and scattered layout of pump room， manualdrainage wastes a lot oflabor. This paper introduces the remote control system ofmine pump room based on TIA portal platform. The system is designedwith s7-1200ple controller and WinCC SCADA monitoring system， which can realize the functions of remote control， fault diagnosis， data recording andanalysis. The project is applied to No.l pump room in the south wing of Jining No.2 C.oal Mine， realizing the remote centralized control and unattended ofpump room

[ Keywords]

mulristage centrifugal pump; TIA portal; PLC controller; SC，ADA monitoring system

泵房是礦井排水系統(tǒng)的重要場(chǎng)所，其設(shè)備是否能可靠運(yùn)行關(guān)系著全礦的安全生產(chǎn)。濟(jì)寧二號(hào)煤礦井下布置中央泵房一座，采區(qū)泵房?jī)勺梅坎贾梅稚ⅲ潘苈份^長(zhǎng)，多年來(lái)采區(qū)泵房需派水泵工人工排水，浪費(fèi)人量勞動(dòng)力。本文介紹了一種礦井泵房遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用西門子公司新型S7-1200PLC控制器，采用TIA Portal系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)，使用礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)與控制器實(shí)時(shí)通信，系統(tǒng)應(yīng)用于濟(jì)寧二號(hào)煤礦南翼1#泵房，實(shí)現(xiàn)了泵房設(shè)備遠(yuǎn)程控制，達(dá)到了無(wú)人值守的目的。

1.系統(tǒng)構(gòu)成及控制原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、信號(hào)采集裝置及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、通信網(wǎng)絡(luò)、SCADA監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成，通過(guò)TIA Portal平臺(tái)將控制與監(jiān)控系統(tǒng)整合。基本原理為主控系統(tǒng)通過(guò)邏輯編程發(fā)出控制指令控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集溫度、壓力、水位等信號(hào)反饋給主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)環(huán)網(wǎng)與地面SCADA監(jiān)控系統(tǒng)建立傳輸關(guān)系，既可以根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)指令執(zhí)行水泵啟動(dòng)命令，也可以根據(jù)水位信息自動(dòng)發(fā)出控制命令。

1.2 主控制系統(tǒng)

主控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，擔(dān)負(fù)著信號(hào)收集、邏輯運(yùn)算、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)、與上位機(jī)通信等任務(wù)。該泵房配備3臺(tái)MD155-30×3多級(jí)離心排水泵，配套660V低壓電機(jī)，功率75 kW。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)需要的數(shù)字量輸入點(diǎn)主要用于電機(jī)啟動(dòng)開關(guān)運(yùn)行信號(hào)反饋及控制按鈕輸入，點(diǎn)數(shù)約10個(gè);數(shù)字量輸出點(diǎn)主要用于電動(dòng)閥門開關(guān)、電機(jī)啟動(dòng)及控制箱運(yùn)行燈指示，點(diǎn)數(shù)約20個(gè);模擬量輸入點(diǎn)主要用于現(xiàn)場(chǎng)壓力、水位、電流、溫度等模擬量輸入采集，點(diǎn)數(shù)約30個(gè)。

經(jīng)過(guò)初步設(shè)計(jì)，系統(tǒng)選用西門子公司S7-1200系列PLC中的1214C控制器，配套數(shù)字量輸出模塊1塊，模擬量輸入模塊3塊。1214C為一款西門子全新控制器系列的緊湊型PLC，該控制器集成了Profinet以太網(wǎng)通信接口，14個(gè)數(shù)字量輸入通道、10個(gè)數(shù)字量輸出通道及2個(gè)模擬量輸入通道，具備時(shí)鐘功能及4M的裝載存儲(chǔ)器，且具有功能強(qiáng)人的指令集。使用該控制器無(wú)需單獨(dú)配置數(shù)字量輸入模塊，只需要適量配置數(shù)字量輸出及模擬量輸入模塊即可滿足系統(tǒng)控制要求。該控制器擴(kuò)展功能靈活，可以通過(guò)SB-信號(hào)板及信號(hào)模塊進(jìn)行擴(kuò)展，為后期設(shè)備擴(kuò)容改造提供很大便捷。

1.3 SCADA監(jiān)控系統(tǒng)

SCADA監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子配套TIA Portal Wince Pro進(jìn)行開發(fā)，TIA Portal是西門子公司推出的新型集成化自動(dòng)控制開發(fā)下臺(tái)，將傳統(tǒng)的Step7編程軟件與Wince監(jiān)控軟件進(jìn)行高度集成整合，可便捷地完成系統(tǒng)組網(wǎng)及可視化開發(fā)。該平臺(tái)集功能強(qiáng)人的圖形運(yùn)行系統(tǒng)、變量歸檔系統(tǒng)、腳本運(yùn)行系統(tǒng)、報(bào)警記錄系統(tǒng)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)控制需求開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)警記錄、故障提醒等功能。

2 主控系統(tǒng)功能

2.1 單泵控制功能

控制程序采用與監(jiān)控系統(tǒng)集成的TIA Portal Step7 Pro開發(fā)，其建立的變量可直接應(yīng)用于Wince Pro中進(jìn)行界而開發(fā)，無(wú)需二次創(chuàng)建變量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作規(guī)程，單臺(tái)多級(jí)離心泵控制流程為開啟射流器打真空度到標(biāo)準(zhǔn)值啟動(dòng)水泵電機(jī)觀察壓力、水位等確認(rèn)上水正常。單泵控制程序如圖1所示。

為確保水泵正常啟動(dòng)，編寫了負(fù)壓峰值和負(fù)壓?jiǎn)?dòng)值兩級(jí)負(fù)壓檢測(cè)程序，即打射流時(shí)系統(tǒng)判斷負(fù)壓首先觸及峰值，再以穩(wěn)定啟動(dòng)值啟動(dòng)水泵，確保水泵上水正常。

2.2 多泵自動(dòng)運(yùn)行功能

程序中設(shè)計(jì)了全自動(dòng)運(yùn)行模式，設(shè)有三級(jí)報(bào)警水位，一級(jí)水位報(bào)警時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)水泵，二級(jí)水位報(bào)警時(shí)啟動(dòng)備用水泵，三級(jí)水位報(bào)警時(shí)啟動(dòng)全部水泵。三級(jí)水位報(bào)警值使用變量，可通過(guò)上位機(jī)對(duì)變量賦值，以滿足不同工況需求。

2.3 保護(hù)功能

空轉(zhuǎn)保護(hù)。水泵啟動(dòng)后若壓力過(guò)低、電流過(guò)低或流量不正常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判定水泵空轉(zhuǎn)，自動(dòng)停止冰泵運(yùn)行。

溫度保護(hù)。當(dāng)水泵及電機(jī)超溫時(shí)無(wú)法啟動(dòng)水泵，若水泵運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)超溫，則會(huì)自動(dòng)停止冰泵運(yùn)行。

低水位保護(hù)。設(shè)有二級(jí)低水位報(bào)警值，當(dāng)水泵運(yùn)行時(shí)水位達(dá)到一級(jí)低位值，系統(tǒng)會(huì)首先發(fā)出報(bào)警，數(shù)位達(dá)到二級(jí)地位值時(shí)，自動(dòng)停iI冰泵運(yùn)行，防il.水倉(cāng)抽空。

檢修閉鎖保護(hù)。現(xiàn)場(chǎng)檢修時(shí)，按下控制閉鎖按鈕，可以實(shí)現(xiàn)閉鎖遠(yuǎn)程控制，防治水泵誤啟動(dòng)，保障現(xiàn)場(chǎng)檢修安全。

3 監(jiān)控系統(tǒng)功能

監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 集控功能

SCADA監(jiān)控系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)、變量記錄系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)等幾部分，集成了水泵啟停、重要數(shù)據(jù)采集歸檔、報(bào)警信息顯示、用戶管理等功能，根據(jù)系統(tǒng)需求，控制系統(tǒng)開發(fā)了遠(yuǎn)程集控、本地集控、本地手動(dòng)等操作方式來(lái)滿足不同工況需求，同時(shí)具備根據(jù)水位自動(dòng)運(yùn)行水泵的全自動(dòng)模式。圖3為監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)界而圖。

單泵運(yùn)行時(shí)，可以在集控室操作上位機(jī)組態(tài)軟件或者現(xiàn)場(chǎng)按下啟動(dòng)按鈕，此時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)完成打開負(fù)壓球閥打開正壓球閥自動(dòng)抽真空至負(fù)壓值啟動(dòng)水泵電機(jī)關(guān)閉負(fù)壓球閥關(guān)閉正壓球閥。控制方式選擇全自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，下位機(jī)執(zhí)行自動(dòng)程序，將根據(jù)水位情況自動(dòng)啟動(dòng)水泵。

3.2 變量歸檔

變量記錄系統(tǒng)歸檔的數(shù)據(jù)包括運(yùn)行溫度、壓力、負(fù)壓、電流、液位、啟停時(shí)間等。采集周期為500 ms，歸檔劇期根據(jù)需求可以為500 ms-lh自由選擇，以便于適應(yīng)不同上位機(jī)配置要求及現(xiàn)場(chǎng)記錄要求。為便于分析統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)了趨勢(shì)圖及統(tǒng)計(jì)表格兩種歸檔形式，趨勢(shì)圖主要用于液位變化等連續(xù)采樣數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)表格主要用于啟停信息等信號(hào)變化數(shù)據(jù)。兩種歸檔形式可自由切換，滿足不同需求。

3.3 報(bào)警信息

報(bào)警記錄。下位機(jī)PLC程序中空轉(zhuǎn)、溫度、水位等保護(hù)功能全部編入了報(bào)警信息，當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出彈窗報(bào)警信息。報(bào)警消除前，操作員只能確認(rèn)報(bào)警信息，無(wú)法消除，以便及時(shí)提醒維護(hù)人員處理。報(bào)警信息系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)歸檔保存，便于查詢?cè)\斷系統(tǒng)故障。

語(yǔ)音提示。為全方位監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，利用Wince Pro腳本系統(tǒng)開發(fā)了語(yǔ)音報(bào)警信息，對(duì)高低水位、空轉(zhuǎn)、通信中斷等重要信息發(fā)出話音告警提示，及時(shí)提醒}監(jiān)控室值班人員。

3.4 用戶管理

監(jiān)視狀態(tài)。無(wú)用戶登錄時(shí)系統(tǒng)處于監(jiān)視狀態(tài)，此時(shí)可以觀察設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，查詢開停記錄及歸檔數(shù)據(jù)。

操作員權(quán)限。操作員登錄時(shí)，可以對(duì)水泵遠(yuǎn)程啟停、射流電動(dòng)閥門開關(guān)等過(guò)程控制。還可以執(zhí)行確認(rèn)、解除報(bào)警等操作。

工程師權(quán)限。為滿足不同工況需求，系統(tǒng)還將水位報(bào)警限值、真空限值等信息作為動(dòng)態(tài)變量引入上位機(jī)，工程師登錄時(shí)，可以無(wú)需進(jìn)入編程軟件，在界面中直觀、方便地對(duì)報(bào)警和啟停控制等參數(shù)進(jìn)行整定。

管理員權(quán)限。管理員具有最高權(quán)限，除操作、設(shè)定權(quán)限外，還可以對(duì)畫而進(jìn)行編輯修改，歸檔設(shè)置以及管理其他用戶。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)應(yīng)用西門子S7-1200系列PLC作為主控制器，WinePro作為SCADA}‰控系統(tǒng)，通過(guò)TIA Portal自動(dòng)化平臺(tái)將系統(tǒng)整合，減少了在傳統(tǒng)l瞄控軟件中二次創(chuàng)建的變量的工作量，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際優(yōu)化編寫了控制程序，保證水泵開啟成功率。系統(tǒng)融合了先進(jìn)的自動(dòng)控整合技術(shù)，可靠性高、界而友好、功能完善，實(shí)現(xiàn)了井下泵房的遠(yuǎn)程集控及無(wú)人值守。

參考文獻(xiàn)

[1]朱文杰S7-1200PLC編程與應(yīng)用[M]北京：中國(guó)電力出版社，2015.

[2]壬衛(wèi)東，田金云基于S7-300的煤礦水泵控制系統(tǒng)[J】礦山機(jī)械，2010 （21）：35-37

[3]孟俊文.井下中央水泵房自動(dòng)化排水系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J]煤礦現(xiàn)代化，2018 （1）：99-100.

[4]杜正威，劉羽基于PLC的煤礦排水系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工程技術(shù)，2017 （2）：291.

[5]孟凡姿西門子PLC和組態(tài)軟件在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2014 （4）：158，160