煤礦泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書
煤礦泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要 煤礦泵房排水系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化控制越來越受到人們的關(guān)注，本文以西門子 S7-300 PLC為控制器、西門子觸摸屏為操作臺(tái)、西門子交換機(jī)為工業(yè)以太網(wǎng)核心交換機(jī)、西門子Wicc為組態(tài)軟件結(jié)合各種傳感器進(jìn)行煤礦泵房設(shè)計(jì)。闡述了泵房自動(dòng)化設(shè)計(jì)的框架及西門子器件在泵房自動(dòng)化中的應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)詳細(xì)給出泵房自動(dòng)化控制中各個(gè)環(huán)節(jié)的原理及實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵字 煤礦泵房;PLC;觸摸屏;工業(yè)以太網(wǎng);Wincc.
1 煤礦泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)
圖1為泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖1泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)框圖
其中主要包括抽水泵管線上各種閥門及傳感器，主控制器西門子S7-300 PLC，就地操作臺(tái)西門子觸摸屏，工業(yè)以太網(wǎng)，上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件西門子Wincc等。
圖2水泵管路系統(tǒng)圖
單臺(tái)水泵管路系統(tǒng)如圖2所示，1為水倉水位;2水泵;3電動(dòng)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(jī);9射流泵。
水泵運(yùn)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(guān)量兩種傳感器同時(shí)對水位檢測，當(dāng)水位高出設(shè)定值時(shí)開泵抽水。開泵抽水前需要首先對水泵抽真空，根據(jù)煤礦安全要求，抽真空方式必須設(shè)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(rèn)抽真空方式，真空泵抽真空方式作為備用。泵體內(nèi)真空度由負(fù)壓壓力表檢測。當(dāng)真空度達(dá)到設(shè)定值時(shí)控制泵電機(jī)運(yùn)行開始抽水，同時(shí)檢測泵體出水口水壓，為了防止排水管道中的積水倒流，只有當(dāng)出水口壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)才可以打開電動(dòng)閥排水。
2 基于S7-300的自動(dòng)排水設(shè)計(jì)
安全生產(chǎn)是煤礦生產(chǎn)的先決條件，按照要求煤礦泵房至少需要一臺(tái)水泵處于檢修，一臺(tái)備用，一套或多套可以運(yùn)行。如何使各臺(tái)水泵能按照設(shè)定自動(dòng)運(yùn)行是當(dāng)今泵房建設(shè)和改造的趨勢，基于工業(yè)控制器PLC的設(shè)計(jì)方案因其性能可靠，性價(jià)比高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，本為以西門子S7-300 PLC為例說明泵房自動(dòng)化控制的原理。
泵房系統(tǒng)的控制方式可以分為就地控制和遠(yuǎn)程控制，其中就地控制即通過井下泵房中觸摸屏直接對水泵進(jìn)行控制;遠(yuǎn)程控制為通過井上上位機(jī)監(jiān)控軟件控制，其中就地控制的優(yōu)先級大于遠(yuǎn)程控制。
泵房系統(tǒng)的控制狀態(tài)可分為手動(dòng)控制、單臺(tái)泵控制和自動(dòng)輪換控制。手動(dòng)控制時(shí)只能手動(dòng)操作各臺(tái)泵上的開關(guān)對泵控制，觸摸屏和上位機(jī)控制自動(dòng)閉鎖。單臺(tái)泵控制是通過觸摸屏或遠(yuǎn)程監(jiān)控控制對每臺(tái)泵的啟停分別控制，不考慮其工作時(shí)間因素。自動(dòng)輪換控制是PLC根據(jù)各臺(tái)泵的運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)停止一臺(tái)連續(xù)工作時(shí)間最長且達(dá)到設(shè)定值的水泵，然后開啟一臺(tái)備用中累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最短的投入運(yùn)行。
通常白天電價(jià)比晚上高，為了經(jīng)濟(jì)效益考慮，泵房通常采用“避峰填谷”運(yùn)行模式。采用設(shè)定不同開停泵抽水水位值實(shí)現(xiàn)，設(shè)定四個(gè)水位A、B、C、D，其中A>B>C>D。當(dāng)電費(fèi)低時(shí)段，水位達(dá)A點(diǎn)時(shí)開泵抽水，到水位降低到D點(diǎn)時(shí)才停止抽水;當(dāng)電費(fèi)高時(shí)段，水位達(dá)到B點(diǎn)才開泵抽水，水位到C點(diǎn)就停止抽水。
采用西門子S7-300 PLC對水泵系統(tǒng)控制，其中水位，泵電機(jī)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制器中。水位計(jì)、各閥門啟動(dòng)停止按鈕等開關(guān)量通過PLC開關(guān)量模塊采集到控制器中，同時(shí)數(shù)字量輸出各種開關(guān)狀態(tài)控制電磁閥、電動(dòng)閥等動(dòng)作。S7-300模塊化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得非常自由，可根據(jù)實(shí)際需求選擇各種輸入輸出模塊。通常每套PLC控制器擴(kuò)展的點(diǎn)位可控制兩臺(tái)泵運(yùn)行，各PLC之間采用PROFIBUS通訊。泵房主要控制程序流程圖如圖3所示。
圖3 泵房系統(tǒng)PLC程序流程圖
3 就地控制觸摸屏設(shè)計(jì)
為了節(jié)約成本，提高性能，泵房就地操作采用隔爆型觸摸屏，相對于操作臺(tái)，觸摸屏占據(jù)空間較小，畫面形象，既可監(jiān)視系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，給出檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能和故障信息的歸檔，又可以通過按鍵控制系統(tǒng)運(yùn)行。操作臺(tái)由于面積的局限性，按鍵較少，而觸摸屏可以不受面積影響，可添加相對較多的按鍵。
根據(jù)水泵控制實(shí)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，其中操作員可以對系統(tǒng)按鍵操作，對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視，查看歷史數(shù)據(jù);管理員只能對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視。
觸摸屏直接通過網(wǎng)線與PLC相連，二者兼容性好，編程開發(fā)與維護(hù)簡單。觸摸屏通過讀取PLC中數(shù)據(jù)對系統(tǒng)監(jiān)視，并把操作指令傳給PLC執(zhí)行。
4 工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)
數(shù)字化礦井是煤礦自動(dòng)化建設(shè)的主要趨勢，其中工業(yè)以太網(wǎng)是礦井自動(dòng)化建設(shè)的核心，是連接各系統(tǒng)的紐帶。煤礦工業(yè)以太網(wǎng)骨干網(wǎng)建設(shè)通常井上和井下各組一環(huán)網(wǎng)，兩環(huán)網(wǎng)通過冗余相連。
以西門子SCALANCE X-400型交換機(jī)為骨干網(wǎng)核心交換機(jī)，MACH3002型交換機(jī)為網(wǎng)關(guān)交換機(jī)，其示意圖如圖4所示。
圖4煤礦工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)鋱D
5 上位機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在調(diào)度室中配備一臺(tái)上位機(jī)，上位機(jī)經(jīng)以太網(wǎng)連與井下泵房PLC通訊，以西門子組態(tài)軟件WinCC為基礎(chǔ)開發(fā)上位機(jī)軟件。
上位機(jī)監(jiān)控主要由主界面、單臺(tái)泵監(jiān)控界面、趨勢界面、歷史數(shù)據(jù)表格界面、故障報(bào)警界面等組成。主界面上直觀顯示整個(gè)排水系統(tǒng)，實(shí)時(shí)顯示水泵的運(yùn)行狀態(tài)、水泵入水口真空度、出水口壓力等重要參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示水倉水位和管路流量。單臺(tái)泵監(jiān)控界面單獨(dú)顯示每臺(tái)水泵的工作狀態(tài)、故障、運(yùn)行參數(shù)，對水泵的啟動(dòng)和停止進(jìn)行控制，并可在故障處理后進(jìn)行故障復(fù)位。趨勢界面是以曲線的形式顯示水泵軸溫、電機(jī)溫度等重要參數(shù)，并保存曲線，以便查詢歷史曲線，分析一段時(shí)間內(nèi)水泵工作狀況。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(bào)警是對系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障進(jìn)行報(bào)警，并可以保存報(bào)警類型及時(shí)間，以便查詢故障記錄。上位機(jī)組態(tài)界面如圖5所示。
(a)組態(tài)主畫面 (b)單臺(tái)泵畫面
圖5 泵房Wincc 組態(tài)畫面
6 小結(jié)
結(jié)合煤礦井下泵房發(fā)展趨勢，本文給出了煤礦泵房自動(dòng)化建設(shè)的設(shè)計(jì)思路。首先詳細(xì)闡述了煤礦水泵排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及操作流程。根據(jù)操作流程、運(yùn)行狀態(tài)以及“避峰填谷”等要求，給出了基于西門子S7-300 PLC的煤礦泵房自動(dòng)化控制軟件實(shí)現(xiàn)方法和程序流程圖。介紹了西門子觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)，其在煤礦泵房自動(dòng)化建設(shè)中的應(yīng)用以及觸摸屏與PLC控制器之間的連接。根據(jù)泵房傳輸數(shù)據(jù)需要，給出了煤礦工業(yè)以太網(wǎng)建設(shè)方案。最后介紹了基于西門子上位機(jī)組態(tài)軟件Wincc 的泵房上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及組態(tài)畫面。
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