煤矿泵房排水系统的可靠性和自动化控制越来越受到人们的关注，本文以西门子 S7-300 PLC为控制器、西门子触摸屏为操作台、西门子交换机为工业以太网核心交换机、西门子Wicc为组态软件结合各种传感器进行煤矿泵房设计。阐述了泵房自动化设计的框架及西门子器件在泵房自动化中的应用，根据实际系统详细给出泵房自动化控制中各个环节的原理及实现方法。

关键字  煤矿泵房；PLC；触摸屏；工业以太网；Wincc.

1  煤矿泵房自动化控制系统
图1为泵房自动化控制系统的结构框图。


图1泵房自动化控制系统框图

其中主要包括抽水泵管线上各种阀门及传感器，主控制器西门子S7-300 PLC，就地操作台西门子触摸屏，工业以太网，上位机远程监控软件西门子Wincc等。

 
图2水泵管路系统图

单台水泵管路系统如图2所示，1为水仓水位；2水泵；3电动阀；4逆止阀；5射流泵电磁阀；6射流管；7真空泵电磁阀；8泵电机；9射流泵。

水泵运行原理：采用水位传感器检测水位，为了安全可靠，通常采用模拟量和开关量两种传感器同时对水位检测，当水位高出设定值时开泵抽水。开泵抽水前需要首先对水泵抽真空，根据煤矿安全要求，抽真空方式必须设置两种：射流抽真空和真空泵抽真空。射流抽真空方式不消耗额外资源，通常选为默认抽真空方式，真空泵抽真空方式作为备用。泵体内真空度由负压压力表检测。当真空度达到设定值时控制泵电机运行开始抽水，同时检测泵体出水口水压，为了防止排水管道中的积水倒流，只有当出水口压力达到设定值时才可以打开电动阀排水。

2  基于S7-300的自动排水设计

安全生产是煤矿生产的先决条件，按照要求煤矿泵房至少需要一台水泵处于检修，一台备用，一套或多套可以运行。如何使各台水泵能按照设定自动运行是当今泵房建设和改造的趋势，基于工业控制器PLC的设计方案因其性能可靠，性价比高等特点被广泛应用，本为以西门子S7-300 PLC为例说明泵房自动化控制的原理。

泵房系统的控制方式可以分为就地控制和远程控制，其中就地控制即通过井下泵房中触摸屏直接对水泵进行控制；远程控制为通过井上上位机监控软件控制，其中就地控制的优先级大于远程控制。

泵房系统的控制状态可分为手动控制、单台泵控制和自动轮换控制。手动控制时只能手动操作各台泵上的开关对泵控制，触摸屏和上位机控制自动闭锁。单台泵控制是通过触摸屏或远程监控控制对每台泵的启停分别控制，不考虑其工作时间因素。自动轮换控制是PLC根据各台泵的运行时间自动停止一台连续工作时间最长且达到设定值的水泵，然后开启一台备用中累计运行时间最短的投入运行。

通常白天电价比晚上高，为了经济效益考虑，泵房通常采用“避峰填谷”运行模式。采用设定不同开停泵抽水水位值实现，设定四个水位A、B、C、D，其中A>B>C>D。当电费低时段，水位达A点时开泵抽水，到水位降低到D点时才停止抽水；当电费高时段，水位达到B点才开泵抽水，水位到C点就停止抽水。

采用西门子S7-300 PLC对水泵系统控制，其中水位，泵电机的电压、电流、温度，各压力表的压力值等模拟量通过PLC模拟量输入模块采集到控制器中。水位计、各阀门启动停止按钮等开关量通过PLC开关量模块采集到控制器中，同时数字量输出各种开关状态控制电磁阀、电动阀等动作。S7-300模块化设计使系统设计变得非常自由，可根据实际需求选择各种输入输出模块。通常每套PLC控制器扩展的点位可控制两台泵运行，各PLC之间采用PROFIBUS通讯。泵房主要控制程序流程图如图3所示。

          
 
图3 泵房系统PLC程序流程图

3、就地控制触摸屏设计

为了节约成本，提高性能，泵房就地操作采用隔爆型触摸屏，相对于操作台，触摸屏占据空间较小，画面形象，既可监视系统实时运行参数，给出检测数据的实时曲线，实现报警功能和故障信息的归档，又可以通过按键控制系统运行。操作台由于面积的局限性，按键较少，而触摸屏可以不受面积影响，可添加相对较多的按键。

根据水泵控制实际需要，触摸屏采用SIMATIC HMI型。采用操作员和管理员两级操作方式，其中操作员可以对系统按键操作，对系统状态监视，查看历史数据；管理员只能对系统运行状态监视。
触摸屏直接通过网线与PLC相连，二者兼容性好，编程开发与维护简单。触摸屏通过读取PLC中数据对系统监视，并把操作指令传给PLC执行。

4、工业以太网设计

数字化矿井是煤矿自动化建设的主要趋势，其中工业以太网是矿井自动化建设的核心，是连接各系统的纽带。煤矿工业以太网骨干网建设通常井上和井下各组一环网，两环网通过冗余相连。
以西门子SCALANCE X-400型交换机为骨干网核心交换机，MACH3002型交换机为网关交换机，其示意图如图4所示。


图4煤矿工业以太网拓扑图

5 、上位机监控设计

为实现远程控制，在调度室中配备一台上位机，上位机经以太网连与井下泵房PLC通讯，以西门子组态软件WinCC为基础开发上位机软件。

上位机监控主要由主界面、单台泵监控界面、趋势界面、历史数据表格界面、故障报警界面等组成。主界面上直观显示整个排水系统，实时显示水泵的运行状态、水泵入水口真空度、出水口压力等重要参数，实时显示水仓水位和管路流量。单台泵监控界面单独显示每台水泵的工作状态、故障、运行参数，对水泵的启动和停止进行控制，并可在故障处理后进行故障复位。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，并保存曲线，以便查询历史曲线，分析一段时间内水泵工作状况。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。上位机组态界面如图5所示。


 
(a)组态主画面                          

(b)单台泵画面
图5 泵房Wincc 组态画面

6、小结

结合煤矿井下泵房发展趋势，本文给出了煤矿泵房自动化建设的设计思路。首先详细阐述了煤矿水泵排水系统的结构及操作流程。根据操作流程、运行状态以及“避峰填谷”等要求，给出了基于西门子S7-300 PLC的煤矿泵房自动化控制软件实现方法和程序流程图。介绍了西门子触摸屏的优点，其在煤矿泵房自动化建设中的应用以及触摸屏与PLC控制器之间的连接。根据泵房传输数据需要，给出了煤矿工业以太网建设方案。最后介绍了基于西门子上位机组态软件Wincc 的泵房上位机监控系统及组态画面。