基于 PLC的中央泵房自动化设计

吴伟

摘要：随着科学技术的飞速发展，自动化系统在各行各业中应用较为普遍。本文介绍了一种基于PLC的矿井下中央泵房自动控制系统的设计思路,对自动化系统的整体设计、硬件设计和软件设计进行详细分析。通过实践证明该系统设计符合要求,整体运行安全可靠、故障率低、节电效果明显。

关键词：PLC；中央泵房；自动化设计

引言

中央泵房是矿业生产的重要环节,其工作可靠性的高低直接关系到全矿的安全生产。提高矿井水泵的运转可靠性及其自动化程度是煤矿机电设备改革的一项重要内容。现就中央泵房自动控制系统的实现加以阐述。

1排水系统概述

以前的排水系统，大都是通过人工操作来启停水泵，工人劳动强度大，工作效率低，需要值班人员全天的看守，而且对矿井涌水量的变换反应不够及时准确，需要有一定经验的职工操作控制。针对现有排水控制系统存在的问题，为了实现排水系统的自动化控制和提高排水系统的效率，特别是对于多水平联合排水系统的优化控制，利用现代控制技术与理论，研究开发了适用于矿井下的多水平排水智能控制系统。该控制系统利用可编程控制器PLC及其控制网络构建监控平台，利用冗余现场总线及工业以太网实现各分系统的统一监测监控。该技术根据实际现场的具体情况，利用最优控制与模糊控制理论相结合建立了排水系统的优化控制模型并投入实际的应用。采用共享数据平台与独立功能模块相结合的模式设计开发了功能完善的远程监控软件，在实现各水平排水系统统一监控的同时利用实时数据库及历史数据库实现了设备的远程辅助管理。设计过程中对重要的传感器进行了冗余设计及自检设计，保证了自动控制的可靠性，重要的控制网络采用冗余热备结构，实现了控制参数的不间断传输。利用高位排水、双管并联排水、躲峰填谷等策略结合最优控制有效地降低了排水系统的电耗，从而达到高效节电运行的目的。

2控制系统设计

2.1硬件设计

利用超声物位仪将水仓水位采集到PLC中进行处理。同时，为保证系统安全运行在排水管线上必须加装逆止阀，防止在意外情况下排水倒灌。系统由现场控制器、触摸屏工作站、信号采集传感器、供配电设备和执行机构等部分构成，对检测电机的电压、电流、功率和检测水仓液位、进出水流量、水泵轴温等重要传感器进行选型和测试。PLC系统会对各项运行参数进行实时监控并将所测得的数据通过GEPON网络上传到信息中心的历史数据库中进行备份存储。当现场参数出现水位超限、电机或者电源等重要部件工作出现异常时会触发PLC的硬件中断，PLC程序由正常工作的主程序跳转到相应的中断组织块中，对相关的故障进行判断并发出报警信息，同时在中断程序中自动切换到同组的另一路管线进行排水作业，若两台水泵均不能正常工作，PLC会根据检测到的反馈信号打开另一个水仓的闸门进行作业，保证井下排水工作顺利进行。

2.2软件设计

软件设计包括上位机编程和PLC编程2个部分。上位机采用WinCC6.0编辑监控界面，PLC编程选用某公司开发的组态软件STEP7V5.4SP4。S7-300PLC有线性化编程、分布式编程和结构化编程3种方式。本设计采用结构化编程方式，把系统中控制过程相似的功能进行分类，编写通用的指令模块，并以参数的形式给这些模块提供信息，使得结构化程序可以重复利用这些通用的指令模块。程序中的组织块OB1可以被系统程序调用，再由OB1调用功能子程序完成控制任务。功能子程序包括逻辑量判断处理功能块FC1，模拟量数据采集功能块FC2，水泵控制功能块FC3，与上位机通信功能块FC4，各功能块可以互相调用或调用子程序块来实现其功能。

2.3排水系统控制方式及其保护

对于整个的排水系统来说，核心控制要点主要表现在水泵设备的开启和停止两个方面。对于水泵的开启操作来说，最为重要的一点就是应该针对其水泵的开启条件进行严格的控制，一般说来，只有当水泵能够完全充满水的前提下才能够进行开启操作，这也是自动化控制的一个基本前提条件，其对于水泵的保护和具体的开启效果来说具备着极强的价值和意义;对于水泵的停止操作来说，其自动化控制的主要依据就是针对水泵所处环境中的水位高低，当其水位降低到排水要求之下就可以停止水泵设备。对于水泵自动化系统中相关保护系统的设置来说，当前最为常用的主要有以下几种基本的类型:首先，针对整个系统中的电流、电压或者功率等指标进行实时监控，进而一旦发现出现不当状况就应该采取相应的保护措施，或者直接停止水泵的工作;其次，监控水泵系统工作过程中的温度，进而保障其水泵在正常状况下工作，一旦出现高温状况就应该即可停止工作;再次，针对水泵中的漏水问题进行严格控制，在水泵中加装真空度压力表，一旦发现其出现漏水问题就应该进行相关的处理，避免其影响水泵的工作和安全;最后，针对当前的水泵自动化控制系统来说，还应该针对必要的逻辑错误故障进行相应的处理和保护。

3故障检测

水泵电机容量大，耗电量高，属一级负荷。因此，对排水设备自动控制系统的安全性、可靠性要求较高。本系统设有以下几种保护：（1）过流、低电压、漏电保护：通过接在电机电源主回路里的电量监测模块可以测量出电机电流、电压、功率等，把这些数值通过通信接口传输到可编程控制器，由可编程控制器计算、判断电动机工况。当出现故障时，控制相应的执行机构或保护装置动作，并故障报警；（2）超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度，电机温度超出允许值时，通过温度保护控制使水泵停车；（3）漏水保护：每台水泵均安装有真空度压力表，如在规定的注水时间内系统仍未收到真空度达到规定值的信号，则停止启动本台水泵，转为启动下台水泵，并发出故障报警信号；（4）流量、压力保护：当水泵启动后或正常运行中，如流量或压力达不到正常值，通过流量、压力保护控制使本台水泵停车，转为启动下台水泵；（5）逻辑错误故障保护：PLC外接的输入、输出元器件如电动阀、电磁阀、接触器等引起的故障较常见。如接触器主触点“烧死”造成线圈断电后电机运转不停等。一旦出现这样的故障，就要实现报警、停机等控制措施。故障报警采用声光报警相结合的方式，在上位机上设置故障点光闪烁报警，另外，安装一个警铃。为了避免警铃频繁响起时，井下工作人员不必要的惊慌，只在发生重大故障，需要立即排除或者提示工作人员时，才会启动警铃报警，比如，当所有水泵都启动工作，但水仓水位依然快速上涨时。一般情况下，只启动光闪烁报警。

结语

由于PLC具有良好的抗干扰能力,而且编程、修改、调试都很方便,大大缩短了调试时间,提高了系统的自动化程度,降低了硬件的复杂程度。实践证明该系统运行平稳,故障率低,基本不需维修,降低了维修费用和电耗,取得了较好的经济效益。

参考文献

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