S7-312西门子plc在煤矿中央泵房的应用

张 超（山东兖矿东华重工有限公司机电设备制造分公司,山东 邹城 273500）

S7-312西门子plc在煤矿中央泵房的应用

张 超
（山东兖矿东华重工有限公司机电设备制造分公司,山东 邹城 273500）

摘 要：介绍了一种基于PLC的煤矿井下中央泵房自动控制系统的设计思路，给出了该系统的硬件框图和软件流程图。实践证明该系统设计符合要求，整体运行安全可靠、实现全自动开停水泵、提高工作效率。

关键词：人机界面；中央泵房；PLC控制

1 前言

煤矿井下中央泵房是煤矿生产中矿井排水的重要设施，属于煤矿生产中的“四大运转”的重要环节，中央泵房肩负着煤矿井下集中排水的重要职责，有至关重要的地位，其工作可靠性直接关系到煤矿的安全生产。提高煤矿中央泵房水泵的工作运转的可靠性及其自动化程度是煤矿机电设备自动控制中，实现整个矿井信息化、自动化的一项重要内容。现就煤矿井下中央泵房自动控制系统的设计及选型加以阐述。

2 系统功能及特点

整个水泵房自动控制系统采用集中网络控制方式，就地自动、半自动、检修控制的方式，操作灵活、可靠。水位检测采用数字仪表加模拟指示器方式，水泵出水口压力具备液晶数字显示功能，对电机、水泵的信息（如电机绕组温度、电机轴承温度、水泵轴承温度、泵壳温度、水泵轴承震动）进行全面检测，系统具有高可靠性能的西门子S7-300系列PLC，可以实现煤矿井下中央泵房各种设备的实时数据采集、通过西门子S7-312PLC的程序设计精确计算以及可靠的自动控制和保护各种外围设备，并将数据上传到井上监控部门，从而实现中央泵房的无人值守，形成一个完善的自动监测与控制系统。

通过现场的水泵房上位机控制柜的大屏幕显示屏，可以动态显示整个水泵房的工作的动态信息，包括系统操作信息、故障历史等供操作人员随时查询，在水泵房上位机控制柜上可以实现泵房系统的就地近控和网络远控两种控制方式的转换、水泵的自动、半自动、检修操作模式的转换。

采用网络远控控制方式时，通过网络接收地面控制中心的控制指令，自动启动或停止各台水泵，水泵启动开关由PLC完成，PLC自动巡检，通过工业以太网接入信息化系统设在该处矿千兆环网交换机上传给地面调度中心。

采用就地近控控制方式时，在自动操作模式下，水泵按照水位优先、避峰填谷的原则，水泵房上位机柜发出指令自动启动或停止各台水泵，自动完成水泵的增加和减少、倒机运行。系统功能的实现如图3；在半自动模式下水泵可完成单台水泵的自动启动、停止如图2；在检修模式下，在水泵控制柜和就地控制箱可对设备进行检修操作：

其主要功能和特点如下：

数据采集和处理：

（1）对模拟输入、输出量、开关量和温度量等进行数据的集中采集和处理；

（2）发生故障时，可以进行故障记录、报警画面显示以及自动程序操作停泵等。

过程的自动控制：

（3）泵组的启、停操作；

（4）闸门启闭控制；

（5）辅助设备的自动控制。

统计及计算：

（6）泵房日、月、年总用电量；

（7）泵房日、月、年抽水量。

画面显示 ：

西门子OP270人机界面软件是整个水泵监控系统中重要的显示和操作部分，通过图形来表示实时控制生产过程的设备和运行情况，将实时数据快速准确、形象直观地通过图形方式在屏幕上反映出来，同时能接收用户指令作相应的操作控制。画面种类包括：

（8）系统配置图：反映中央水泵房的整体构造及配置监控系统结构，可以显示整个系统和各种设备的运行状态情况。

（9）曲线图类 ：包括高压电动机电流曲线、水泵房排水流量以及各类监控设备模拟量变化曲线。

（10）报警画面 ：提供各种类型的故障报警记录、控制操作记录、系统自诊断信息、用户登录等信息。

报表查询和打印：

（11）采用Excel电子报表方式组织、显示报表；可以导入导出相关数据。

3 系统硬件构成

当井下水泵上位机柜上选择“近控”时，可以采用就地控制，在水泵上位机柜进行控制方式选择为：自动控制、半自动控制。选择自动控制时，在水泵上位机控制柜的工控画面上点击开始和停止按钮，就可使得水泵开始和停止自动运行，五台水泵自动根据水位、涌水量和时间进行开停。选择半自动控制时，在水泵就地控制箱、水泵控制柜、水泵上位机柜（优先级由高到低）可对每台水泵分别进行自动控制。在每台的水泵就地控制箱上具有检修开关，该开关打到检修上时，只能在水泵就地控制箱对所涉及的设备进行检修操作。

3.1 GKD-660矿用一般型PLC控制柜

GKD-660水泵控制柜是煤矿水泵房自动监控统的控制中心，其主要功能是完成整个水泵系统运行中的数据采集、设备运行控制、信息传输及通讯的远程传输。

GKD-660水泵控制柜的控制核心部件是西门子S7-312PLC，并装置有各种继电器转换板、输入/输出隔离保护板等，其主要作用是用于输入信号的隔离、放大及输出控制外围设备。可以实现设备的近控、远控工作方式，程序控制泵房系统，并将泵房控制纳入矿井监控中心实现集中控制。

控制面板上是触摸屏选用西门子OP270，使用程序软件设计出各种转换开关、控制按钮等操作按钮，同时可以对工作方式进行选择，就地、远程控制水泵；实现用于就地监视电动机电流、电机及水泵的温度、出水管的流量压力等参数。具有水泵系统的动态显示画面，实时显示水泵的各种工作状态如：水位变化、流量变化、设备的各种状态等。

3.2 水位传感器

西门子LR-200水位传感器为本质安全型设备，西门子非接触水位传感器有可靠的中间继电器报警，可以实现液位差检测，具有明渠流量检测和体积转换功能。对内、外两个水仓进行水位检测，精度不超过2%。

主要技术性能：

（1）提供6个继电器输出的单点监测，4～20mΑ模拟量输出功能；

（2）采用微波雷达测距技术，监测各种浓度的水和污水等流体物质，最大范围为可以达到20米左右，精度达到±0.1%或10mm；同时抗干扰性强，不受被测物体的形态变化的影响，大大减少了误差。

3.2 压力变送器

西门子SIΤRΑNS DSⅢ压力变送器为本质安全型设备，对5台水泵出水管进行压力检测，精度5%。主要技术性能：

（1）精度达到0.25%，长期的稳定性不低于12月；

（2）具有多种故障诊断功能，通用的4～20mΑ模拟量输出信号；

（3）连接件和外壳为高等级不锈钢材质；

3.3 流量计

LCZ-803为矿用隔爆型设备。对3个主排水管道进行检测，精度10%。

主要技术性能：

（1）为恶劣环境所设计，精度0.5%；

（2）1个电流输出，1个数字输出，1个继电器输出电源

（3）供电电源220 VΑC.；

3.4 水位模拟指示牌

在内、外水仓安装水位模拟指示牌，能够形象客观的反映水位的变化，水仓的状态，给人以直观的水位认识。

3.5 通讯接口

S7-312PLC通过通讯模块扩展，可以将煤矿井下水泵的运行状态与参数通过西门子工业以太网端口上传到煤矿地面生产调度监控中心，并能够顺利的并入全矿井安全生产信息化总网。

4 软件设计心得

从SIEMENS HMI取时钟的软件命令和技巧：

（1）在HMI上建立"日期-时间"区域指针，这个区域指针指向一个6个字的首地址，将要用来存放年、月、日、时等 (假设定义为MW100开始的6个字)；

（2）再创建一个"作业信箱"的区域指针，这个区域指针志向一个4个字的首地址 (这里假设为MW120)。

作业信箱用于和PLC之间交换数据，作业信箱在SIEMENS HMI里面是定义好的，第一个字的低8位用于存放作业号，2、3、4个字用于存放作业参数，作业参数根据作业号不同而不同。

HMI规定作业号是固定的，例如：40号作业用于传送日期时间到PLC，51号作业用于选择画面。

两个区域指针已经定义好了，这时我们根据我们的条件往作业信箱写作业号，HMI就会产生相应的动作。例如：我在OB1下，用一个秒时钟做条件，将40写入到MB121(上面定义作业信箱首地址MW120)。那么在MW100开始的地方，PLC就会收到来自HMI的时钟。

5 结束语

该中央水泵系统已于近期投入整体运行，在近一年的运行过程中此控制系统运行稳定可靠，完全达到了设计要求；同时满足了煤矿安全生产的需要，对所控制及监测的信息能够全部上传。实现了在煤矿地面中央调度室及井下中央泵房均能够远程起停水泵和检测井下中央水泵房的运行状态参数。充分体现西门子S7系列PLC的先进控制功能和强大的网络通讯能力，实现了煤矿井下中央泵房的自动监控功能。

参考文献：

[1]S7-300硬件安装手册[S].西门子公司.

[2]S7-300和S7-400梯形逻辑编程参考手册[S].西门子公司.

[3]廖常初.S7-300和S7-400PLC应用技术[M].机械工业出版社.