基于PLC的中央泵房自动控制

基于PLC的中央泵房自动控制摘要本文采用西门子S7200系列工业级PLC及先进的过程控制软件对矿井水泵房设备运行实施实时监控，自动、手动控制水泵的启停及闸阀的开、关，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守。控制系统通过以太网接入矿井工业以太网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享，满足矿井自动化控制的要求。综合考虑矿井各种安全信息，实现井下排水监控系统的最优控制策略；井下排水监控系统的报警，信息显示，报表统计处理全部融入整个矿井监控系统的数据系统。从而实现中央水泵房的自动控制功能。本文重点讨论了中央水泵房的自动控制设计过程、通信、模拟仿真等问题。关键字：PLC，，MCGS，工业以太网ABSTRACTThisthesisutilizesconcentratingcontroller,andtheminewaterpumproomequipmentoperationimplementreal-timemonitoring.Automaticandmanualcontrolpumpsstartandstop,andthecontrolgateonoroff.Thissystemhassincediagnosisfunctionandcanrealizethewaterpumproomtobeunattended.ThecontrolsystemthroughtheEthernetaccessesmineindustryestheticdrynets,torealizethesupervisorycontrolsubsystemoftheminewaterpumpandthemonitoringsystemofinformationsharingtomeettherequirementsofmineautomaticcontrol.FocusontheS7200seriesindustrialcontrollerSiemensPLCandadvancedprocesscontrolsoftware,consideringthevarioussafetyinformation,realizingmineundergrounddrainagemonitoringsystemoftheoptimalcontrolstrategy;Undergrounddrainageofthemonitorsystem,accordingtothepolice,informationstatementstatisticstohandleallembracingallofminemonitoringsystemofthedatasystem.Soastorealizethecentralwaterpumproomautomaticcontrolfunction.Thisthesisismainlyabouttheautomaticcontroldesigninthecentralwaterpumproomoftheprocess,communication,simulation,etc.KEYWORDS:PLC,MCGS,IndustrialEthernet前言井下排水是伴随着采矿工程产生的一项系统工程，担负着井下积水排除的重要任务。目前矿井主排水系统仍多采用传统的继电器控制方法，这种检测控制方法效率低，工人劳动强度大，且由于井下环境恶劣，故障率较高。所以靠人工检测的方法已不适应煤炭发展的需要，取而代之的是自动化排水系统。随着控制理论和现代检测技术的发展，自动排水系统的研究在理论和实践上都取得了一定进步。本文分析这种排水系统的组成及工作过程，指出其存在的问题，为井下主排水系统自动控制的研究提供依据。矿井中央泵房无人值守自动化系统应该具有以下的一些功能和特点：系统应满足水泵机组起停、故障诊断和数据处理上完全自动化，不需要人工干预；达到节约能源和人力资源的功能，并能长时间连续稳定地工作。目前，PLC在国内外工业控制中已获得广泛应用，在矿井排水系统中，采用PLC自动监测排水系统的运行状况，自动进行数据采集、自动记录、故障报警、事故分析、多台水泵启动的自动切换等，所得到的动态资料准确性高，控制的可靠性高。本文主要集中在中央水泵房的自动控制上，使水泵能够自动运行，并通过以太网把各种信息上传到地面的上位机上，从而实现远程监控。本设计利用MCGS组态软件模拟出运行的画面和过程。第1章井下中央水泵房存在的问题目前，我国大多煤矿企业的井下水泵房使用的仍然是传统的人工操作排水系统，以离心式水泵系统为主。这种排水系统的操作以离心式水泵的工作特性为基础，泵站的起停时间判断，完全依赖于工人的经验和已有的操作规程。当水仓水位到达设定的高水位时，工人打开射流泵(或真空泵)，为水泵抽真空，同时观测真空表的读数。真空度达到要求后，起动水泵机组，使水泵运转。当水泵出水口压力表读数达到要求时，开起闸阀进行排水，同时关闭抽真空的射流泵(或真空泵)。停泵过程要进行相反的操作。当水仓积水降至低水位时，先将闸阀关死，再停水泵机组。根据现场涌水量的不同，工人还要判断同时投入几台水泵工作，以便于既能及时排出积水，又能使泵站合理使用，避免过度频繁的起停。其存在的问题有如下几点：1、效率低、可靠性差。这种排水系统的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的完成各个执行件的操作。另外，对水位、涌水量大小等现场数据的判断依赖于工人的经验。作业过程比较复杂，要求工人具有很强的责任心，否则可能出现误操作，甚至发生大的事故。2、工人劳动强度大。人工操作无法避免高强度的劳作。尤其是闸阀的操作，劳动量最大。而且，水泵房要时时有人值守，以便在发生异常情况时，及时报警检修。第2章中央水泵房系统的特点2.1安全可靠性本系统采用高可靠性的多线制开关量接口“星型”结构模式。所谓多线制结构模式就是控制核心PLC与被控设备采用多线制的开关量接口作为控制及反馈的接口，因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点，同时这种结构本身是一种“星型结构”，所以某一故障点不会影响其它环节的工作，也就是说整个系统具有极高的可靠性[1]。系统结构见下图：地面监控服务器PLC控制器现场传感器真空泵启动柜操作面板1#泵就地控制柜操作面板1#泵启动柜1#电动阀门1#逆止阀1#真空泵2#真空泵1#真空泵阀2#真空泵阀多线制模拟量接口多线制开关量接口多线制开关量接口光纤……图2-1多线制开关量接口“星型”结构模式这种结构形式具有如下特点：1、自动模式下由PLC通过开关量输出模块控制被控设备，当系统转为手动模式，或者PLC故障、PLC失电等特殊情况下，系统自动转为手动模式，可以通过操作就地控制柜上的按钮以继电控制的方式进行手动操作，而不是通过PLC或数据口通讯的方式控制被控设备。如下图所示：被控设备PLC开关量输出停止按钮闭锁触点启动按钮自动模式手动模式图2-2手动和自动模式转换2、系统具有高可靠性。因为开关量本身具有不受周围环境干扰的特点，同时这种结构本身是一种“星型结构”，所以某一故障点不会影响其它环节的工作，也就是说整个系统具有极高的可靠性。3、手动操作方式为集中操作。对于某一台泵而言，其手动操作完全可以通过在水泵附近的就地操作柜进行全部的手动操作，例如真空泵操作、排气阀操作、排水泵操作、主排水电动阀操作等等，不用到这些被控设备附近进行操作。4、主排水泵运行电量的采集灵活。主排水泵运行电量的采集即可以通过电磁启动器的微机综保的智能数据接口采集，也可以通过多线制方式直接采集二次侧的电流、电压输出，第二种采集方式特别适合于矿井电力自动化占用微机综保的智能数据接口情况下的电量采集。5、系统布线较复杂。由于系统采用了多线制星型的结构，所以必然造成布线较多、较复杂的缺点，但也正因如此，为系统的可靠运行提供了保证[2]。2.2先进性和适用性由于采用了光纤环网通讯技术取代了原来的总线传输技术使得数据传输更加快捷、可靠。并且采用了MCGS组态软件控制技术取代了VC.net编程技术，不仅使可靠性大为提高而且使程序更加具有通用性，也使系统的二次开发及扩容变得更加规范、容易。对于多级提升的矿井排水系统可以通过安装多级自动化排水设备做到由地面调度中心根据各级泵房水仓容量及液位统筹调度，实现高效、经济地运行。同时在发生透水事故时可以做到统一动作、统一指挥。本系统遵循矿井综合监控系统标准子系统接口规范使得该系统可以非常容易地并入矿井综合监控系统中，与其它子系统实现数据的共享。水泵前轴预装温度、振动一体化传感器，即保证的测试精度，同时又为设备维护创造了方便的条件。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；并可利用PLC控制柜上的触摸屏，可实现界面切换、系统巡查、故障复位、控制方式转换等功能。2.3经济性由于本系统是按照无人值守的原则进行设计，所以现场无需人员进行值守，这样就节省了大量的人力资源。引入百米吨水电耗的概念，将实时百米吨水电耗参数显示在监控主界面，同时，用户可以对百米吨水电耗变化曲线进行查询。将电价的避峰填谷原则引入水泵启动算法中，使得水泵耗能处于最经济的状态。通过对水仓水位的启动水位、报警水位、超限水位、停机水位的设定，在保障水仓水位绝对安全的前提下，使水泵的启动次数及达到了最少。水位信号是水泵自动化一个非常重要的参数，自动化控制系统设置了两套水位传感器，模拟量的超声波水位仪和开关量浮球式液位开关，两套传感器均设于水仓的配水井内，同时并联工作，保证系统可靠运行[3]。第3章中央水泵房功能及数据采集3.1系统功能3.1.1地面监控机的主要功能1、实时记录、显示现场运行数据。2、实时与采区PLC数据通信，采集现场的检测参数。3、实时监测采区开关的闭合状态。4、在远程控制允许的方式下，实现对各水泵的启停运行控制。5、具有采区水泵的工艺画面的动态模拟。6、对井下设备的启停控制实时记录，便于对设备的操作查询管理。7、具有操作人员的登录管理功能，有效防止非法操作、误操作。8、具有实时动作状态变化报警提示。9、可以查询设备实时运行数据及历史运行数据。3.1.2采区控制站完成的功能1、实时采集水泵的出水口压力，并根据此值作为保护电机的一项参数。2、实时采集水泵进水口的真空度，在启动电机时作为启动的依据。3、对井下泵房的排水泵、抽真空系统和电动阀门的自动监控。4、实时采集开关的电压、电流运行参数以及故障保护信号。5、实时采集两水仓水位，在自动运行方式时，根据水仓水位的液位控制电机的自动运行[4]。6、实时采集出水母管的管网压力和出水总流量。7、实时采集水泵电机温度，作为电机是否运行正常的依据。8、就地控制箱安装工业以太网模块通过矿井千兆工业以太网将运行数据传到地面监控机。9、通过就地控制箱，就地控制系统运行。3.1.3自动轮换工作为了防止电气设备长期不用而使电机和电气设备受潮或锈死，在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，系统程序设计了自动轮换工作控制：当水位大于超限水位时，同时开启五台水泵；当水位大于报警水位时则同时开启两台水泵；当水位大于启动水位时开启一台水泵，当水位小于停止水位时则关闭所有水泵。从而延长其使用寿命，保证煤矿的安全生产。3.1.4自动控制水泵内部只有达到一定的真空度，使其叶轮完全淹没于水中，才能实现正常的排水。若真空度不够，泵内有空气存在，将会造成不上水和转动部件烧坏等故障。系统一般采用真空泵抽真空，由真空表监测真空度，正常运行情况下，有出口压力、流量和真空度三个参数判断水泵运行是否正常。3.1.5动态显示就地动态模拟显示选用操作屏，地面操作站系统动态模拟显示采用组态王组态软件开发，系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动闸阀的运行状态，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闸阀的开闭位置，实时显示水泵抽真空情况和出水口压力值。用实时趋势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