基于PLC及以太环网平台的井下中央泵房自动化系统设计

1、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

2、,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-43×8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

3、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;(35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

4、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

5、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

6、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