劉海波++卓邦遠
摘 要:介紹了一種基于PLC和以太環(huán)網(wǎng)的礦井泵房自動控制系統(tǒng)的組成、工作原理和運行方式。該系統(tǒng)采用PLC和工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)技術(shù),通過各種先進可靠的傳感器、保護裝置、電動閘閥、電動球閥等設(shè)備,完成對礦井泵房的自動化控制,實現(xiàn)無人值守和地面遠程監(jiān)控,提高了泵站系統(tǒng)的工作效率和安全性。
關(guān)鍵詞:工業(yè)以太網(wǎng) PLC 自動控制系統(tǒng) 礦井泵房
中圖分類號:TP273 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)10(a)-0090-02
礦井排水系統(tǒng)承擔(dān)著排出井下涌水的重要任務(wù),是礦井安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),排水系統(tǒng)各種設(shè)備能否安全、可靠、有效的運行,關(guān)系到整個礦井的生產(chǎn)與安全。國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2009年12月1日實施的《煤礦防治水規(guī)定》第118條規(guī)定:受水威脅嚴重的礦井,應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)井下泵房無人值守和地面遠程監(jiān)控,本系統(tǒng)正是根據(jù)此規(guī)定進行設(shè)計的。
1 系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)主排水泵3臺,二條排水管路,監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機、組態(tài)編程軟件、工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機、PLC控制器、傳感器、阻燃通信電纜、阻燃通信光纜、分線盒等設(shè)備組成。傳感器部分包括水位傳感器、超聲流量傳感器、正、負壓力傳感器、溫度傳感器等。井下控制系統(tǒng)采用SIMATIC S7-300 PLC,并采用系統(tǒng)組成以太網(wǎng)的機制,從而避免了生產(chǎn)的停機危險,它通過兩個并行的中央控制器實現(xiàn),它們的CPU通過光纖連接,并通過冗余的PROROFBUS-DP線路對遠程I/O進行控制。
控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為:地面上位機部分和井下泵房監(jiān)控站部分。
上位機部分由工控機和工業(yè)組態(tài)軟件WinCC V6.0構(gòu)成,用以實現(xiàn)水泵控制系統(tǒng)的地面監(jiān)控與數(shù)據(jù)上傳功能。上位機部分安裝于地面集控室,向上通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及組態(tài)軟件自帶的OPC Server 軟件接口向綜合自動化平臺提供實時數(shù)據(jù),向下通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)及OPC Clinet或光端機(光纖)與井下監(jiān)控站進行實時通訊。
井下泵房監(jiān)控站部分采用1臺PLC控制器、3臺子控制器及各種傳感器等設(shè)備組成;PLC控制器監(jiān)控站安裝在泵房控制室內(nèi),主要完成控制現(xiàn)場各傳感器信息采集與處理,并經(jīng)光信號接口或RJ45接口接入現(xiàn)場工業(yè)交換機將信息傳至地面上位機,同時接收上位機的控制信息,實現(xiàn)地面遙控井下水泵系統(tǒng)。
每臺子控制器可實現(xiàn)單臺水泵的手動控制,并在自動方式下接收PLC控制器總站下發(fā)的控制命令實現(xiàn)多臺水泵的自動控制?,F(xiàn)場的各種反饋信號(高爆開關(guān)、電動閘閥等的返回點)接入各子控制器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)功能及實現(xiàn)
2.1 控制功能及實現(xiàn)
系統(tǒng)根據(jù)水倉水位信號自動開啟、停止水泵的運轉(zhuǎn),并對運行中的各種狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)控,同時通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)上傳至地面上位機。設(shè)計中考慮以水倉水位為主,結(jié)合自動輪換和“避峰填谷”的原則,確定開、停各水泵時間。
根據(jù)監(jiān)視水位信號,可設(shè)定低水位、高水位、上限水位和危險水位。一般情況低水位時停泵,高水位時水泵運行,但在用電高峰期時暫緩運行,上限水位時備用水泵同時運行,危險水位時,起動所有水泵投入運行。
系統(tǒng)對于泵站具有自動、半自動、手動控制三種工作方式,根據(jù)具體情況設(shè)置不同的控制狀態(tài)。另外,每臺水泵可設(shè)置“運行”、“備用”、“檢修”三種工作模式,以便在故障狀態(tài)下對系統(tǒng)和水泵進行檢修,而不影響其他水泵的聯(lián)鎖控制。
在自動控制方式時,按照檢測水位的高低及根據(jù)高峰或低谷用電時間,自動選擇是否開泵,根據(jù)每臺泵的累積運行時間,判斷優(yōu)先開哪臺泵,水泵開啟后,根據(jù)水位變化率及判斷是否達到告警水位,從而選擇需要開幾臺泵。半自動控制工作方式時,操作人員利用井下觸摸屏或地面監(jiān)控中心的監(jiān)控主機,通過開/關(guān)2個按鈕就可以控制水泵完成啟停的所有工作。手動控制方式時,操作人員可通過手動控制井下操作臺面板按鈕,控制各臺水泵電機的起、停及各電動閘閥開關(guān)動作。
當(dāng)出現(xiàn)水位超限、開關(guān)故障、壓力下降、流量下降等故障時系統(tǒng)將自動停止運行,并發(fā)出聲光報警信號。
2.2 顯示及數(shù)據(jù)記錄功能
系統(tǒng)能夠?qū)崟r動態(tài)模擬顯示系統(tǒng)的整體運行狀態(tài),如水倉水位、水泵流量、水泵壓力、電流及電動機、電動閘閥等的各種工作狀態(tài);可實時顯示系統(tǒng)的故障信息,并發(fā)出報警;實時顯示水位、流量、壓力等模擬量的實時曲線,并將系統(tǒng)的各種參數(shù)狀態(tài)、故障及開停時間統(tǒng)計等信息記錄到數(shù)據(jù)庫中。
2.3 檢測與保護功能
系統(tǒng)保護包括電動機故障保護、電動閘閥故障保護、水泵啟動保護等。水泵自動控制系統(tǒng)主要通過各種傳感器,對水倉水位、排水管路流量、真空壓力、水泵壓力等信號進行實時檢測,同時通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)送至地面工控機,通過對數(shù)據(jù)的判斷,完成水泵系統(tǒng)的檢測和控制功能。
2.4 采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)設(shè)計
系統(tǒng)采用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)設(shè)計,即方便系統(tǒng)擴展應(yīng)用,又可以接入數(shù)字化礦山系統(tǒng),并且工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)勢獨特,易于網(wǎng)絡(luò)管理。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 PLC程序設(shè)計
本系統(tǒng)選用德國西門子公司的SIMATIC S7-300系列PLC系統(tǒng)。PLC所用的編程語言是西門子開發(fā)的STEP7,這是一種可運行于通用微機中,在WINDOWS環(huán)境下進行編程的語言。通過STEP7編程軟件,不僅可以非常方便地使用梯形圖和語句表等形式進行離線編程,而且在調(diào)試運行時,還可以在線監(jiān)視程序中各個輸入輸出或狀態(tài)點的通斷狀況,甚至可以在線修改程序中變量的值。
系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2所示,從圖中可以看出,系統(tǒng)開始啟動后,首先初始化設(shè)定值,然后判斷系統(tǒng)處于自動運行、手動運行、半自動運行三種運行方式中的哪一種,然后根據(jù)判斷得到的結(jié)果進行相應(yīng)的操作。如PLC處于自動運行方式時,則PLC根據(jù)程序流程順序執(zhí)行,自動完成水泵的啟動、輪換、用電峰谷段判斷、故障報警、停止等工作。如處于半自動運行方式下,則由人工選擇哪臺水泵投入運行,PLC根據(jù)水泵的泵號自動完成該臺水泵的自動啟動、運行和停止。而手動方式下,PLC不參與任何操作控制,全部由人工通過控制按鈕來控制整個系統(tǒng)的運行。endprint
3.2 上位機程序設(shè)計
上位機軟件采用WinCC V6.0組態(tài)和實時監(jiān)控軟件。WinCC V6.0采用標準Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)歸檔,同時具有Web瀏覽功能,可使經(jīng)理、廠長在辦公室內(nèi)看到生產(chǎn)流程的動態(tài)畫面,從而更好的調(diào)度指揮生產(chǎn)。作為SIMATIC全集成自動化的重要組成部分,WinCC確保與SIMATIC S7等系列PLC連接的方便和通訊的高效,它提供生成復(fù)雜的可視化任務(wù)的組件和函數(shù),生成畫面、腳本、報警、趨勢和報表的編輯器由最基本的WinCC系統(tǒng)組件建立。
上位機監(jiān)控畫面主要由主界面、單臺泵監(jiān)控界面、趨勢界面、歷史數(shù)據(jù)表格界面、故障報警界面、參數(shù)設(shè)置界面等組成。主界面直觀顯示整個排水系統(tǒng),實時顯示水泵的運行狀態(tài)、入水口真空度、出水口壓力、電機工作電流、電壓、電機溫度、軸承溫度、水倉水位和管路流量等參數(shù)。單臺泵監(jiān)控界面單獨顯示每臺水泵的工作狀態(tài)、報警信息、運行參數(shù),對水泵的啟動和停止進行控制,并具有故障復(fù)位按鈕。趨勢界面是以曲線的形式顯示水泵軸溫、電機溫度等重要參數(shù)。歷史數(shù)據(jù)表格是以表格的形式顯示保存歷史數(shù)據(jù)。故障報警是對系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的故障進行報警,并可以保存報警類型及時間,以便查詢故障記錄。參數(shù)設(shè)置界面主要對系統(tǒng)各參數(shù)進行設(shè)置管理。
3.3 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的建構(gòu)
根據(jù)煤礦需求,煤礦綜合信息自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括井下網(wǎng)絡(luò)和井上網(wǎng)絡(luò)兩部分,均為環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng),通過核心交換機相連接。環(huán)型以太網(wǎng)為1000MB工業(yè)以太網(wǎng),作為全礦主干網(wǎng),為全礦各個子系統(tǒng)提供方便靈活的工業(yè)以太網(wǎng)接口,地面、井下子系統(tǒng)均可以方便接入,形成一個煤礦綜合信息自動化控制系統(tǒng)的綜合傳輸平臺,可有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性、安全性,使網(wǎng)絡(luò)具有較強的適應(yīng)性和開放性。
以西門子SCALANCE X-400型交換機為骨干網(wǎng)交換機,MACH4002型交換機為網(wǎng)關(guān)交換機,其示意圖如圖3所示。
4 結(jié)語
該文基于PLC和以太環(huán)網(wǎng)的礦井泵房自動控制系統(tǒng),實現(xiàn)了水泵性能及狀態(tài)的在線實時監(jiān)測、遠程控制,以水倉水位為主,結(jié)合分時計費和“移峰填谷”原則,確定開停水泵時間,自動實現(xiàn)水泵的輪換工作,大大延長了水泵壽命,達到了節(jié)能、降耗的目的,取得了良好的經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入到礦井綜合自動化系統(tǒng)中,方便進行綜合管理,為井下安全生產(chǎn)提供了有力保障。
參考文獻
[1] 劉增輝,賴英旭,趙偉.西門子S7-300PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.
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[3] 孟國勝,白國寶,袁海賓.工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+三層物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的煤礦自動化網(wǎng)絡(luò)平臺[J].煤礦機電,2014(1):136-138.
[4] 劉海波,卓邦遠.PLC在煤礦帶式輸送機電控裝置中的設(shè)計與應(yīng)用[J].安徽科技,2008(8):47-48.endprint
3.2 上位機程序設(shè)計
上位機軟件采用WinCC V6.0組態(tài)和實時監(jiān)控軟件。WinCC V6.0采用標準Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)歸檔,同時具有Web瀏覽功能,可使經(jīng)理、廠長在辦公室內(nèi)看到生產(chǎn)流程的動態(tài)畫面,從而更好的調(diào)度指揮生產(chǎn)。作為SIMATIC全集成自動化的重要組成部分,WinCC確保與SIMATIC S7等系列PLC連接的方便和通訊的高效,它提供生成復(fù)雜的可視化任務(wù)的組件和函數(shù),生成畫面、腳本、報警、趨勢和報表的編輯器由最基本的WinCC系統(tǒng)組件建立。
上位機監(jiān)控畫面主要由主界面、單臺泵監(jiān)控界面、趨勢界面、歷史數(shù)據(jù)表格界面、故障報警界面、參數(shù)設(shè)置界面等組成。主界面直觀顯示整個排水系統(tǒng),實時顯示水泵的運行狀態(tài)、入水口真空度、出水口壓力、電機工作電流、電壓、電機溫度、軸承溫度、水倉水位和管路流量等參數(shù)。單臺泵監(jiān)控界面單獨顯示每臺水泵的工作狀態(tài)、報警信息、運行參數(shù),對水泵的啟動和停止進行控制,并具有故障復(fù)位按鈕。趨勢界面是以曲線的形式顯示水泵軸溫、電機溫度等重要參數(shù)。歷史數(shù)據(jù)表格是以表格的形式顯示保存歷史數(shù)據(jù)。故障報警是對系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的故障進行報警,并可以保存報警類型及時間,以便查詢故障記錄。參數(shù)設(shè)置界面主要對系統(tǒng)各參數(shù)進行設(shè)置管理。
3.3 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的建構(gòu)
根據(jù)煤礦需求,煤礦綜合信息自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括井下網(wǎng)絡(luò)和井上網(wǎng)絡(luò)兩部分,均為環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng),通過核心交換機相連接。環(huán)型以太網(wǎng)為1000MB工業(yè)以太網(wǎng),作為全礦主干網(wǎng),為全礦各個子系統(tǒng)提供方便靈活的工業(yè)以太網(wǎng)接口,地面、井下子系統(tǒng)均可以方便接入,形成一個煤礦綜合信息自動化控制系統(tǒng)的綜合傳輸平臺,可有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性、安全性,使網(wǎng)絡(luò)具有較強的適應(yīng)性和開放性。
以西門子SCALANCE X-400型交換機為骨干網(wǎng)交換機,MACH4002型交換機為網(wǎng)關(guān)交換機,其示意圖如圖3所示。
4 結(jié)語
該文基于PLC和以太環(huán)網(wǎng)的礦井泵房自動控制系統(tǒng),實現(xiàn)了水泵性能及狀態(tài)的在線實時監(jiān)測、遠程控制,以水倉水位為主,結(jié)合分時計費和“移峰填谷”原則,確定開停水泵時間,自動實現(xiàn)水泵的輪換工作,大大延長了水泵壽命,達到了節(jié)能、降耗的目的,取得了良好的經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入到礦井綜合自動化系統(tǒng)中,方便進行綜合管理,為井下安全生產(chǎn)提供了有力保障。
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上位機軟件采用WinCC V6.0組態(tài)和實時監(jiān)控軟件。WinCC V6.0采用標準Microsoft SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)歸檔,同時具有Web瀏覽功能,可使經(jīng)理、廠長在辦公室內(nèi)看到生產(chǎn)流程的動態(tài)畫面,從而更好的調(diào)度指揮生產(chǎn)。作為SIMATIC全集成自動化的重要組成部分,WinCC確保與SIMATIC S7等系列PLC連接的方便和通訊的高效,它提供生成復(fù)雜的可視化任務(wù)的組件和函數(shù),生成畫面、腳本、報警、趨勢和報表的編輯器由最基本的WinCC系統(tǒng)組件建立。
上位機監(jiān)控畫面主要由主界面、單臺泵監(jiān)控界面、趨勢界面、歷史數(shù)據(jù)表格界面、故障報警界面、參數(shù)設(shè)置界面等組成。主界面直觀顯示整個排水系統(tǒng),實時顯示水泵的運行狀態(tài)、入水口真空度、出水口壓力、電機工作電流、電壓、電機溫度、軸承溫度、水倉水位和管路流量等參數(shù)。單臺泵監(jiān)控界面單獨顯示每臺水泵的工作狀態(tài)、報警信息、運行參數(shù),對水泵的啟動和停止進行控制,并具有故障復(fù)位按鈕。趨勢界面是以曲線的形式顯示水泵軸溫、電機溫度等重要參數(shù)。歷史數(shù)據(jù)表格是以表格的形式顯示保存歷史數(shù)據(jù)。故障報警是對系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)的故障進行報警,并可以保存報警類型及時間,以便查詢故障記錄。參數(shù)設(shè)置界面主要對系統(tǒng)各參數(shù)進行設(shè)置管理。
3.3 工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)的建構(gòu)
根據(jù)煤礦需求,煤礦綜合信息自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括井下網(wǎng)絡(luò)和井上網(wǎng)絡(luò)兩部分,均為環(huán)型工業(yè)以太網(wǎng),通過核心交換機相連接。環(huán)型以太網(wǎng)為1000MB工業(yè)以太網(wǎng),作為全礦主干網(wǎng),為全礦各個子系統(tǒng)提供方便靈活的工業(yè)以太網(wǎng)接口,地面、井下子系統(tǒng)均可以方便接入,形成一個煤礦綜合信息自動化控制系統(tǒng)的綜合傳輸平臺,可有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性、安全性,使網(wǎng)絡(luò)具有較強的適應(yīng)性和開放性。
以西門子SCALANCE X-400型交換機為骨干網(wǎng)交換機,MACH4002型交換機為網(wǎng)關(guān)交換機,其示意圖如圖3所示。
4 結(jié)語
該文基于PLC和以太環(huán)網(wǎng)的礦井泵房自動控制系統(tǒng),實現(xiàn)了水泵性能及狀態(tài)的在線實時監(jiān)測、遠程控制,以水倉水位為主,結(jié)合分時計費和“移峰填谷”原則,確定開停水泵時間,自動實現(xiàn)水泵的輪換工作,大大延長了水泵壽命,達到了節(jié)能、降耗的目的,取得了良好的經(jīng)濟效益。該系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入到礦井綜合自動化系統(tǒng)中,方便進行綜合管理,為井下安全生產(chǎn)提供了有力保障。
參考文獻
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