基于PLC及以太环网平台的井下中央泵房自动化系统设计.pdf

基于PLC及以太环网平台的井下中央泵房自动化系统设计 摘 要 本文较详细地介绍了PLC及工业以太网在排水泵房改造工程中的应用。该工程选用了 S7-300可编程控制器作为主控制器， 利用工业以太环网平台传输数据。 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，合理调度水泵运行，保证了煤矿排水系统的安 全。实践证明该系统设计合理，整体运行安全可靠、故障率低、节电效果明显。 1、 引言 煤矿井下中央水泵房是煤矿大型设备的一个重要组成部分， 其能否正常运行直接关系到整个 矿井的安全生产。 耿村矿泵房自动化系统改造前的运行与管理采用人工操作方式， 现场全部采用 模拟仪表指示，未配备液位、压力、流量、轴温等传感器，操作人员根据目视水仓液位决定泵的 起停，且仅能实现就地的操作，大量的实时数据不能由地面调度人员及时监测和管理，系统运行 状态以及出现故障时不能及时发现并处理， 存在着很大的安全隐患。 因此煤矿井下非常有必要实 现中央泵房的自动化控制。 2、 系统的主要组成部分及实现功能 该系统由5台矿用多级耐磨泵200D-438配套5台电机440 kW，6 kV组成，主控制器 采用Siemens300系列的CPU315-2DP,配有以太网通讯模块。5台泵分为两组，每组1、2、 3一组，4、5一组 分别连接内、外两个水仓，两水仓相互独立，在紧急情况下可打开两 水仓的连接阀门，实施紧急抢险，泵组两用两备一检修。其要求是系统能够根据水仓水位变 化、电网运行参数等情况来决定水泵的起停，以便保证井下的排水系统能够正常工作。具体 要求如下 1 系统主要有以下几种控制方式远程/本地、自动/半自动、集控/手动/检修，自动 运行模式下4台泵参与集控，在特殊情况下启用检修泵； 2 泵组使用优先级控制方案手动近程控制电动远程控制自动监测控制，手 动控制时要能自动切断远程控制和自动控制；远程控制时要能自动切断自动控制；在 远程控制失灵时，井下自动控制系统能自动转入自动控制； 3 5台水泵采用射流方式抽真空启动，参与自动控制的4台机组在系统中的地位平等， 随时可以就地检修； 4 系统运行期间能够自检，如果出现故障可以立刻投入其他机组运行，不能影响井下 排水； 5 要求实现均匀磨损记录每台水泵的正常启动时间， 在自动状态下，水位满足启动要求时优先启动累计运行 时间短的泵组； 6 根据水仓水位来确定是否需要开泵排水，根据高峰/低 谷电价实现避峰填谷确定开、停水泵的液位及开泵的时间。为了实现水泵自动启停， 并且实现电价的避峰填谷，在高峰/低谷期分别设置了3个水位如上图所示。 在此情况下编程读取PLC当前的系统时间，在高峰期，水位达到h4时启动累计运 行时间较短的一台泵组，系统每5分钟记录一次水位，并计算水位变化速率，若此值 较大即认为当前开泵台数不足以应付当前水涌量，所启动的水泵台数不够，则在水位 达到h6后启动另外备用泵组。当水位变化速率为负且水位降到h4后停止备用泵组，直 至水位降到h2后，停止所有泵组运行。低谷期设计思想相同。 7 将水泵运行参数通过以太环网平台传输到地面指挥中心，并可以接收地面指挥中心 内工作人员发出的指令如泵的起停，泵的工作方式的选择，指挥中心通过上位机组 态读取现场设备的的运行工况，如启/停状态、液位、压力、负压等参数并可整理打 印。系统结构图如下图所示 3、 实现方法 系统在地面指挥中心设有S7-400中央PLC,现场设备的运行参数、状态等由S7-300控制主 站通过以太网通讯传至中央PLC内，中央PLC对所读取的数据进行建模分析，结合二次传感与 传感融合模块，为工作人员提供有效的设备运行状态监控及预警能力，同时将所有的数据传 输至上位机监控软件平台上，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、排水压力、排水管流量 等参数。上位机软件能够自动生成运行参数的日报表、月报表和年报表。在允许远程控制操 作时，值班人员可以利用自己的操作权限远程控制各水泵的运行。上位机监控软件选用西门 子公司的组态软件一Wincc6.2版， 该组态软件运行于Windows环境， 结合了西门子在自动化领 域的先进技术和微软公司领先的软件技术，为我们提供了一种高效，开放的组态开发环境。 设备控制层我们提供了自动/半自动、手动/检修几中工作模式，具体控制方案如下 在自动模式下，按照检测的水位高低及系统时间判断高峰/低谷用电期自动选择是否开 泵，根据每台泵组的累计运行时间判断优先开哪台泵，水泵开启后观察水位变化率及判断是 否达到告警液位从而选择需要开几台泵。在半自动模式下，系统检测到开泵信号后，将自动 启用射流抽真空系统，当真空度达到要求后启动电机同时关闭抽真空系统，此时检测并判断 出水口处的压力，当其大于3MPa时打开出水口处的电动闸阀实施正常排水。为了完善系统， 防止意外情况发生，同时为了便于系统调试、检修，还保留了手动方式，此方式在系统正常 运行情况下是不使用的。在检修模式下，将锁定系统所有控制功能。 4、 结束语 该系统在井下中央泵房已投入使用，系统运行稳定可靠，控制操作方便、灵活，故障率 极低，基本不需维修，降低了维修费用和电耗，不仅满足了井下排水的需要，而且提高了自 动化管理的水平。