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摘 要:介绍了一种基于PLC和以太环网的矿井泵房自动控制系统的组成、工作原理和运行方式.该系统采用PLC和工业以太环网技术,通过各种先进可靠的传感器、保护装置、电动闸阀、电动球阀等设备,完成对矿井泵房的自动化控制,实现无人值守和地面远程监控,提高了泵站系统的工作效率和安全性.
关键词:工业以太网 PLC 自动控制系统 矿井泵房
中图分类号:TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2014)10(a)-0090-02
矿井排水系统承担着排出井下涌水的重要任务,是矿井安全生产的关键环节,排水系统各种设备能否安全、可靠、有效的运行,关系到整个矿井的生产与安全.国家安全生产监督管理总局2009年12月1日实施的《煤矿防治水规定》第118条规定：受水威胁严重的矿井,应当实现井下泵房无人值守和地面远程监控,本系统正是根据此规定进行设计的.
1.系统组成
该系统主排水泵3台,二条排水管路,监控系统主要由上位机、组态编程软件、工业以太环网交换机、PLC控制器、传感器、阻燃通信电缆、阻燃通信光缆、分线盒等设备组成.传感器部分包括水位传感器、超声流量传感器、正、负压力传感器、温度传感器等.井下控制系统采用SIMATIC S7-300 PLC,并采用系统组成以太网的机制,从而避免了生产的停机危险,它通过两个并行的论文范文控制器实现,它们的CPU通过光纤连接,并通过冗余的PROROFBUS-DP线路对远程I/O进行控制.
控制系统总体结构分为：地面上位机部分和井下泵房监控站部分.
上位机部分由工控机和工业组态软件WinCC V6.0构成,用以实现水泵控制系统的地面监控与数据上传功能.上位机部分安装于地面集控室,向上通过工业以太环网及组态软件自带的OPC Server 软件接口向综合自动化平台提供实时数据,向下通过工业以太环网及OPC Clinet或光端机（光纤）与井下监控站进行实时通讯.
水泵水位控制器:自动水位液位控制器，传为水泵给水池或水箱、水塔供水的水位控制，并且保护水泵过载，
井下泵房监控站部分采用1台PLC控制器、3台子控制器及各种传感器等设备组成；PLC控制器监控站安装在泵房控制室内,主要完成控制现场各传感器信息采集与处理,并经光信号接口或RJ45接口接入现场工业交换机将信息传至地面上位机,同时接收上位机的控制信息,实现地面遥控井下水泵系统.
每台子控制器可实现单台水泵的手动控制,并在自动方式下接收PLC控制器总站下发的控制命令实现多台水泵的自动控制.现场的各种反馈信号（高爆开关、电动闸阀等的返回点）接入各子控制器.系统结构图如图1所示.
2.系统功能及实现
2.1 控制功能及实现
系统根据水仓水位信号自动开启、停止水泵的运转,并对运行中的各种状态参数进行实时监控,同时通过以太网把数据上传至地面上位机.设计中考虑以水仓水位为主,结合自动轮换和“避峰填谷”的原则,确定开、停各水泵时间.
根据监视水位信号,可设定低水位、高水位、上限水位和危险水位.一般情况低水位时停泵,高水位时水泵运行,但在用电高峰期时暂缓运行,上限水位时备用水泵同时运行,危险水位时,起动所有水泵投入运行.
系统对于泵站具有自动、半自动、手动控制三种工作方式,根据具体情况设置不同的控制状态.另外,每台水泵可设置“运行”、“备用”、“检修”三种工作模式,以便在故障状态下对系统和水泵进行检修,而不影响其他水泵的联锁控制.
在自动控制方式时,按照检测水位的高低及根据高峰或低谷用电时间,自动选择是否开泵,根据每台泵的累积运行时间,判断优先开哪台泵,水泵开启后,根据水位变化率及判断是否达到告警水位,从而选择需要开几台泵.半自动控制工作方式时,操作人员利用井下触摸屏或地面监控中心的监控主机,通过开/关2个按钮就可以控制水泵完成启停的所有工作.手动控制方式时,操作人员可通过手动控制井下操作台面板按钮,控制各台水泵电机的起、停及各电动闸阀开关动作.
当出现水位超限、开关故障、压力下降、流量下降等故障时系统将自动停止运行,并发出声光报警信号.
2.2 显示及数据记录功能
系统能够实时动态模拟显示系统的整体运行状态,如水仓水位、水泵流量、水泵压力、电流及电动机、电动闸阀等的各种工作状态；可实时显示系统的故障信息,并发出报警；实时显示水位、流量、压力等模拟量的实时曲线,并将系统的各种参数状态、故障及开停时间统计等信息记录到数据库中.
2.3 检测与保护功能
系统保护包括电动机故障保护、电动闸阀故障保护、水泵启动保护等.水泵自动控制系统主要通过各种传感器,对水仓水位、排水管路流量、真空压力、水泵压力等信号进行实时检测,同时通过以太网把数据送至地面工控机,通过对数据的判断,完成水泵系统的检测和控制功能.
2.4 采用工业以太环网设计
系统采用工业以太环网设计,即方便系统扩展应用,又可以接入数字化矿山系统,并且工业以太网优势独特,易于网络管理.
3.系统软件设计
3.1 PLC程序设计
本系统选用德国西门子公司的SIMATIC S7-300系列PLC系统.PLC所用的编程语言是西门子开发的STEP7,这是一种可运行于通用微机中,在WINDOWS环境下进行编程的语言.通过STEP7编程软件,不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式进行离线编程,而且在调试运行时,还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况,甚至可以在线修改程序论文范文量的值.
系统的软件流程图如图2所示,从图中可以看出,系统开始启动后,首先初始化设定值,然后判断系统处于自动运行、手动运行、半自动运行三种运行方式中的哪一种,然后根据判断得到的结果进行相应的操作.如PLC处于自动运行方式时,则PLC根据程序流程顺序执行,自动完成水泵的启动、轮换、用电峰谷段判断、故障报警、停止等工作.如处于半自动运行方式下,则由人工选择哪台水泵投入运行,PLC根据水泵的泵号自动完成该台水泵的自动启动、运行和停止.而手动方式下,PLC不参与任何操作控制,全部由人工通过控制按钮来控制整个系统的运行.
3.2 上位机程序设计
上位机软件采用WinCC V6.0组态和实时监控软件.WinCC V6.0采用标准Microsoft SQL Server 2000数据库进行生产数据归档,同时具有Web浏览功能,可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面,从而更好的调度指挥生产.作为SIMATIC全集成自动化的重要组成部分,WinCC确保与SIMATIC S7等系列PLC连接的方便和通讯的高效,它提供生成复杂的可视化任务的组件和函数,生成画面、脚本、报警、趋势和报表的编辑器由最基本的WinCC系统组件建立.
上位机监控画面主要由主界面、单台泵监控界面、趋势界面、历史数据表格界面、故障报警界面、参数设置界面等组成.主界面直观显示整个排水系统,实时显示水泵的运行状态、入水口真空度、出水口压力、电机工作电流、电压、电机温度、轴承温度、水仓水位和管路流量等参数.单台泵监控界面单独显示每台水泵的工作状态、报警信息、运行参数,对水泵的启动和停止进行控制,并具有故障复位按钮.趋势界面是以曲线的形式显示水泵轴温、电机温度等重要参数.历史数据表格是以表格的形式显示保存历史数据.故障报警是对系统运行过程中出现的故障进行报警,并可以保存报警类型及时间,以便查询故障记录.参数设置界面主要对系统各参数进行设置管理.
3.3 工业以太环网的建构
根据煤矿需求,煤矿综合信息自动化监控网络系统包括井下网络和井上网络两部分,均为环型工业以太网,通过核心交换机相连接.环型以太网为1000MB工业以太网,作为全矿主干网,为全矿各个子系统提供方便灵活的工业以太网接口,地面、井下子系统均可以方便接入,形成一个煤矿综合信息自动化控制系统的综合传输平台,可有效保证数据传输的实时性、可靠性、安全性,使网络具有较强的适应性和开放性.
以西门子SCALANCE X-400型交换机为骨干网交换机,MACH4002型交换机为网关交换机,其示意图如图3所示.
4.结语
该文基于PLC和以太环网的矿井泵房自动控制系统,实现了水泵性能及状态的在线实时监测、远程控制,以水仓水位为主,结合分时计费和“移峰填谷”原则,确定开停水泵时间,自动实现水泵的轮换工作,大大延长了水泵寿命,达到了节能、降耗的目的,取得了良好的经济效益.该系统通过以太网接入到矿井综合自动化系统中,方便进行综合管理,为井下安全生产提供了有力保障.
参考文献
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总结：本文是一篇关于水泵水位论文范文，可作为相关选题参考,和写作参考文献。
水泵水位控制器引用文献:
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