抽水泵的PLC控制系统设计方案

抽水泵的PLC控制系统设计方案1.1 概述随着计算机控制技术的迅速发展，以微处理器为核心的可编程序控制器（PLC）控制已逐步取代继电器控制，普遍应用于各行各业的自动化控制领域。

当然煤炭行业也不例外，但是目前许多矿井下主排水系统还采用人工控制，水泵的开停及选择切换均需人工完成，完全依赖于工人的技术、经验和责任心，也预测不了水位的增长速度，做不到根据水位和其他参数在用电的峰谷期自动开停水泵，这将严重影响煤矿自动化管理水平和经济效益，同时也容易由于人为因素造成各种安全隐患。

在煤矿矿井建设和生产过程中，随时都有各种来源的水涌入矿井，为保证煤矿的生产安全，必须及时将涌出的矿井水快速地排放到地面，矿井排水设备不仅要排除各时期涌入矿井的水，而且在遭到突然涌水的袭击有可能淹没矿井的情况下，还要抢险排水，因此煤矿主排水系统能否正常运行直接关系到矿井的安全生产。

因此，矿井排水设备是煤矿建设和生产中不可缺少的，排水泵的安全可靠运行对保证矿井安全生产起着非常重要的作用。

目前，矿井排水系统普遍采用人工操作，存在着人员劳动强度大、电机启停时间长、水泵运行效率低等诸多问题，如何实现煤矿井下排水泵的自动控制和无人值守，并满足煤矿生产调度综合自动化的要求，便成为当前急需解决的问题。

针对当前煤矿排水系统的实际情况，本文提出一种实现煤矿井下主排水系统的设计方案，并对其工作原理和结构做一扼要介绍。

1.2 工作原理煤矿井下排水泵自动控制系统通过检测水仓水位和其它参数，控制水泵轮流工作与适时启动备用泵，合理调度水泵正常运行。

系统通过触摸屏以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度、轴承温度、排水管流量等参数，并通过通讯模块与综合监测监控主机实现数据交换。

该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点，并可节省水泵的运行费用。

1.3 系统组成整个自动控制系统由数据自动采集、自动轮换工作、自动控制、动态显示及故障记录报警和通讯接口等5个部分组成。

（1）数据自动采集与检测数据自动采集与检测主要分为两类：模拟量数据和数字量数据。

模拟量检测的数据主要有：水仓水位、电机工作电流、水泵轴温、电机温度、3趟排水管流量；数字量检测的数据主要有：水泵高压启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器的状态、电动阀的工作状态与启闭位置、真空泵工作状态、电磁阀状态、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力。

数据自动采集主要由PLC实现，PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，将水位变化信号进行转换处理，计算出单位时间不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，控制排水泵的启停。

电机电流、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器与变送器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，超限报警，以避免水泵和电机损坏。

PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理的条件和依据，控制排水泵的启停。

在数据采集过程中，模拟量信号的处理是将模拟信号变换成数字信号（A/D转换），其变换速度由采样定律确定。

一般情况下，采样频率应为模拟信号中最高频率成分的2倍以上，这样经A/D变换的精度可完全恢复到原来的模拟信号精度。

A/D变换的精度取决于A/D变换器的位数。

如5V电压要求以5mV精度变换时，精度为5mV/5V=0.1%,即1/1000十进制的1000用二进制表示时要求为10位,而本系统所采用的A/D模块分辨率为16bit,其精度在±0.05%以上，该精度等级足以满足控制系统要求。

同时，PLC所采用的A/D模块均以积分方式变换，可使输入信号的尖峰噪音和感应噪声平均化，适用于噪音严重的工业场所。

（2）自动轮换工作为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未经及时发现，当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以至影响矿井安全，本系统程序设计了5台泵自动轮换工作控制，控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相应管路，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当某台泵或所属阀门故障、某趟管路漏水时，系统自动发出声光报警，并在触摸屏上动态闪烁显示，记录事故，同时将故障泵或管路自动退出轮换工作，其余各泵和管路继续按一定顺序自动轮换工作，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全生产的目的。

（3）自动控制系统控制设计选用了西门子S7-300型PLC为控制主机，该机为模块化结构，由PLC 机架、CPU、数字量I/O、模拟量输入、电源、通讯等模块构成。

PLC自动化控制系统根据水仓水位的高低、井下用电负荷的高、低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段（时间段可根据实际情况随时在触摸屏上进行调整和设置）等因素，建立数学模型，合理调度水泵，自动准确发出启、停水泵的命令，控制水泵运行。

为了保证井下安全生产，系统可靠运行，水位信号是水泵自动化一个非常重要的参数，因此，系统设置了两套水位传感器，模拟量和开关量传感器，两套传感器均设于水仓的排水配水仓，PLC将接受到的模拟量水位信号分成若干个水位段，计算出单位时间不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，同时检测井下供电电流值，计算用电负荷率，根据矿井涌水量和用电负荷，控制在用电低峰和一天中电价最低时开启水泵，用电高峰和电价高时停止水泵运行，以达到避峰填谷及节能的目的。

（4）动态显示动态模拟显示选用日本Digital公司的GP-570T型触摸式工业图形显示器（触摸屏），系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动阀的运行状态，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警。

直观地显示电磁阀和电动阀的开闭位置，实时显示水泵抽真空情况和压力值。

用图形填充以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位，并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警，用不同音响形式提醒工作人员注意。

采用图形、趋势图和数字形式直观地显示3趟管路的瞬时流量及累计流量，对井下用电负荷的监测量、电机电流和水泵瞬时负荷及累计负荷量、水泵轴温、电机温度等进行动态显示、超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，并在屏幕下端循环显示最新出现的3条故障（故障显示条数可在触摸屏上设置），以提醒工作人员及时检修，避免水泵和电机损坏。

（5）通讯接口PLC通过通讯接口和通讯协议，与触摸屏进行全双工通讯，将水泵机组的工作状态与运行参数传至触摸屏，完成各数据的动态显示；同时，操作人员也可利用触摸屏将操作指令传至PLC，控制水泵运行。

PLC同时将水泵机组的运行状态与参数经安全生产监测系统分站传至地面生产调度监控中心主机，与全矿井安全生产监控系统联网，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统的遥测、遥控，并为矿领导提供生产决策信息。

触摸屏与监测监控主机均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表，记录系统运行和故障数据，并显示故障点以提醒操作人员注意。

2 控制系统结构设计2.1 系统总体结构系统采用现场层(远程IO)、控制层(PLC)和管理层(上位机)组成的三级控制系统来实现排水系统的自动控制。

上位机利用友好的人机界面实现人机对话和远程监控功能，PLC作为控制器完成逻辑处理和控制任务，远程IO实现现场数据的采集和上传，通过专门的控制网络实现数据交换和统一调度控制。

其中控制层主要由PLC控制柜构成，是整个排水系统的控制核心，PLC控制柜由PLC、触摸屏、检测部分(模拟量和开关量监测采集)、执行部分等组成。

PLC控制柜中的核心部分是PLC模块，用于完成对于监测量的处理、运算和存储，并根据监测结果进行逻辑处理，控制水泵及附属设备启停。

为保证控制器的可靠性，系统选用德国西门子生产的S7-300系列PLC作为主要控制单元，考虑到现场设备比较分散，就地控制箱采用远程I/O的方式进行数据采集及控制，并通过现场总线同CPU 模块进行数据交换。

系统为实现对设备状态、就地控制命令采集、输出控制指令、设备逻辑控制等功能，主PLC配置了2块32路数字量输入模块和2块16路数字量输出模块，远程I/O配置1块32路数字量和1块16路数字量输出模块。

主PLC还配置了1块模拟量采集模块完成对水位的监测，远程I/O部分配置1块模拟量采集模块完成对压力、负压及流量的监测。

为便于现场对水泵的半自动控制，系统配置了触摸屏，可实现实时动态显示水泵当前状态，并为用户提供水泵控制的平台。

2.2 控制系统网络设计2.2.1 现场级控制网络排水系统监测参数及参控设备较多，采用传统的PLC控制系统接线复杂、可靠性低且维护困难。

因此，系统采用现场总线实现设备层和控制层的连接。

系统设计了现场总线网络，主要用于数字量输入/输出、模拟量输入/输出等小数量级的快速循环通信，将现场网络配置成Profibus-DP网络，采用西门子的ET200分布式I/O进行现场设备的数据采集及控制。

2.2.2 远程监控网络在PLC控制柜与设在矿调度室的上位机之间建立了工业以太网，用于实现现场控制层与上位机之间的数据交换。

控制层PLC统一采用了西门子的S7-300系列PLC进行配置，网络结构简单清晰，避免了异构网络互连时必须安装相应网关的缺点。

系统选取西门子的S7-300系列以太网通信模块CP343-1，利用该模块可以方便地实现PLC与监控中心之间的以太网通信。

为保证信号的可靠传递和防止电气干扰对通信的影响，系统采用以太网与光纤传输技术实现控制PLC与调度中心上位机之间的通信。

2.3控制系统功能设计针对当前许多煤矿排水泵控制自动化水平不高、主要以人工控制为主，开发出一套以PLC 为核心的井下泵房自动控制系统，主要实现以下功能：（1）PLC控制程序采用模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分段运行。

该程序结构具有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。

（2）系统根据水位和压力控制原则，自动实现水泵的轮换工作，延长了水泵的使用寿命。

（3）系统可根据投入运行泵组的位置，自动选择启动就近的真空泵，若在程序设定的时间达不到真空度，便自动启动备用真空泵。

（4）系统根据电网负荷和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段，以“避峰填谷”原则确定开、停水泵时间，从而合理地利用电网信息，提高矿井的电网运行质量。

（5）PLC自动检测水位信号，计算单位时间不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行。

（6）在触摸屏上动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障画面自动弹出，故障点自动闪烁。