一种基于PLC的矿井排水监控系统设计

韩明惠

摘要：本文介绍了一种使用西门子PLC设计的矿井主排水监控系统。该系统采用可靠高的PLC控制系统、辅以高精度的传感器和优化的监控软件程序，实现了实时监控主排水泵房性能参数、状态参数和电机的电气参数并能实现远程通讯。从而提高了主排水泵房设备的自动化管理水平，有力地保证了主排水泵房设备的经济、可靠运行，为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据。达到无人值守、减人增效的生产要求。

关键词：西门子PLC;软件程序;远程通讯;自动化管理

引言

通风、采掘、运输和排水是煤矿四大主要系统，主排水系统又分为采区泵房和中央泵房，矿井设计时一般是采区泵房的水排向中央泵房，由中央泵房直接将污水排向地面，从而保证整个巷道的安全，由于井下工作现场条件恶劣，水质较差，设备故障发生率较高，一旦发生故障，将会对整个矿区生产和安全造成重大影响，故而有必要建立一套功能完善的排水自动化监控系统，目前矿井主排水系统都存在人工依靠经验排水，或者部分关键参数（如流量、压力）监测精度较低、监测内容不全面、未实现远程监控等缺点。

采用先进、可靠的传感器和计算机技术来实现主排水的设备性能及状态实时监测，以此在生产过程中掌握泵房设备运行参数和状态是主排水监控系统[1]发展方向。改变传统的设备管理方式，提高主排水泵房设备的自动化水平，以此保证主排水泵房设备的安全可靠运行，本文介绍了一种基于PLC的主排水监控系统，该系统采用西门子300系列的PLC[2]作为控制核心，并且通过矿井网络与井上控制室计算机联网实现主排水泵房的远程监视和控制，从而达到无人值守的生产要求。

1.被控泵房的硬件设备及监控要求

（1）设计方案中的排水泵房的主要被控设备：3台电压为10KV的电机及配套离心式主排水泵，3台高压开关及软启动器，还有相关的供电照明等辅助设备，主排水泵房管道上各有1台主排水闸阀及2台分水闸阀，3台水泵共用2趟排水管道，高压电机预埋定子和前后轴承测温的PT100电阻传感器[3];离心水泵前后轴也都分别预埋了测温PT100电阻传感器，

（1）该系统需要监控泵房的参数和性能为：

（2）实时监测离心泵配用电机的电气参数;

（3）实时监测设备的运行参数：电机和离心泵前后轴承温度、振动参数以及超限报警;

（4）显示当前运行机号、电机开停状态;

（5）实时监测离心泵参数：负压、正压、流量、闸阀及球阀的开停状态;

（6）就地及远控控制每台设备的起停

上位机保存各种设备的运行参数、报警信息、设备的开停时间、时长等信息

2.系统的硬件结构

本系统以上位机系统、矿井网络传输设备、隔爆兼本安型PLC控制箱、本安操作台、本安负压、正压传感器、隔爆闸阀和球阀、本安流量传感器等组成，主要由信号测取装置和传感（变送）器、上位机及通讯装置及其他设备组成。硬件框图如下：

图1：主排水监控系统硬件示意图

（1）上位机集控系统：放置在地面集控室，由2台工业控制计算机及组态软件、打印机及相关外围设备组成，负责接收井下主控PLC传输的信号，显示在屏幕上，操作人员可以根据监控的状态启动井下设备，达到远程集中控制的目的。

（2）矿井网络传输设备：借助矿井原有的环网系统，该环网系统是井下PLC控制箱和集控室上位机系统的信号传输通道，环网系统在一路光缆不同的状态下，由另一路光缆将PLC信号传输上位机，可靠性较高。

（3）矿用隔爆兼本安型PLC控制箱及本安操作台：控制箱和操作台为本套系统的核心设备，选用西门子300系列的315-2PN/DP型CPU作为控制核心，该CPU内置2个以太网接口，一路接到本安操作台的显示屏，一路接入环网交换机将信号传输到井上的上位机系统。

PLC控制箱内部除CPU外，还配有输入和输出模块、485通讯模块，开关量输入模块用于接收各种开关量信号的返回，比如电机开关的运行信号、球阀和闸阀的开关到位的返回信号;开关量输出模块用于发出各种控制信号，控制各类被控设备运行，比如电机的启动停止、球阀和闸阀的开关等动作;模拟量输入模块用于各种模拟量传感器信号的测量读取，比如正压、负压传感器数值、流量传感器数值，485通信模块[4]用于和高低压开关的综合保护装置进行数据通讯，读取设备运行过程中的各种电量参数;

本安操作臺内置各种操作按钮和显示屏，是就地和自动控制下的手和眼睛，操作按钮用于根据需要进行相关的操作，比如自动、手动和远程控制模式的转换，急停按钮的急停操作，手动控制方式时各种设备的单独开停操作等;显示屏和隔爆兼本安型PLC控制箱进行数据通讯，显示各种设备的状态，比如电机的开停装置、正压和负压传感器的数值显示，报警记录的显示和保存等;

（4）各种被控设备：被控设备包括电机的高压开关、闸阀和球阀、真空泵等，PLC接收启停指令，通过内部程序进行相应的操作，启停各种设备进行正常的排水，达到控制水仓的水位在合理的范围内从而使矿井内部处于安全的状态;

（5）各种测量传感器：测量传感器一般安装在水泵的泵体中、电机轴承和定子上、管道上，是将水泵启停或者运行中的压力、流量、温度等信号转换为电信号传输到PLC模块，共CPU中的程序分析和处理。

高压开关的电参数通过高压开关的综合保护装置的485接口接入到PLC的485模块中，数据通过485接口传输到CPU中，供程序读取各种电流、电压、功率等电参数信号;

电机及水泵的泵体中都预埋入PT100电阻信号，这些电阻信号接入到PLC的模拟量输入模块中转化为对应的温度值。

3.系统的软件设计

在该系统中，PLC软件的逻辑设计[5]最重要的工作，直接关系到监控系统能否按照预定工艺能否正常运行。

（1）PLC的监控程序采用梯形图编程方式，包括监控程序和用户监控程序两部分。系统监控程序由PLC编程软件内部提供，已经集成在编程软件中，包含管理程序（生成用户元件、运行管理、内部自检）、标准程序模块、用户指令解释程序等。用户监控程序是用户编制的针对具体工艺与监控任务的可执行程序。下图所示为系统的软件结构图：

（2）考虑到水泵运行的重要性，该系统的软件設计采用三种控制模式即就地手动操作模式、就地一键启停、上位机远程监控模式，其中对于电机的启停操作也运用了两种方式，一种通过485通讯模块给高压开关的综保装置发命令，利用综保装置的遥信状态当作反校模式;另一种是通过开关量输出模块硬接线到高压开关的控制继电器线圈，冗余的控制方式保证了电机启停操作的可靠性。

485通讯模块模块与多台高压开关的综保装置通过RS485接口利用其自定义的协议进行问答式通讯，由于考虑到电气量的特殊性，软件设置设置相隔150mS间隔与每台综保装置循环进行通信，整个系统中延时及分析判断的中间状态都在PLC内部完成，充分利用了PLC的内部资源。

（3）在泵房的设备中，低压柜担任着给PLC柜供电、控制闸阀、球阀等抵押设备的启停的作用。为了保证对系统的可靠控制，必须对低压柜每一个开关做到安全可靠的控制。为保证系统的安全可靠，本程序中设计了一些互锁程序以防止误操作的发生。低压柜采用的是双进线母联的供电方式，两条进线互为备用，极大的保证供电的可靠性。在低压柜上还设有闸阀、球阀电机的就地和远控选择开关，当选择就地时，PLC控制柜无法对低压柜进行控制，低压柜的就地远控在正常生产时要打到远控位置。

（4）模拟量输入模块是监控系统中的重要部分，各种监测参数，比如负压、正压、流量、温度等信号都需要通过模拟量输入模块进入PLC。模拟量模块选择四线制电流输入的工作模式，电流为4～20mA，电流送入模拟量模块后，送出的是0到27647的二进制数。从模拟量输入模块得到的二进制数除以27648就可以得出输入的实际电流的大小。根据这个电流，可以通过传感器的量程算出各种模拟量的真实数值，为各种设备的安全运行提供重要的参数。

（5）在程序中还设计了电机、水泵的泵体温度超高报警、正负压和管道流量超高限和低于下限报警的模块以便于水泵操作工及时得到提醒，查看设备的是否在正常运行中;同时对这些报警信息进行存储，以便将来进行后续的查询。

4.现场应用结论

矿井排水泵房是煤矿安全生产的重要系统，该系统对煤矿安全生产、矿工的生命安全非常重要。本文介绍了一种采用西门子公司的300系列PLC设计的矿井排水监控系统。通过上位机实现了排水系统性能及状态的实时监测;使用工业以太环网和高可靠性的工业PLC，实现了排水系统的在线监控。本设计在冀中能源、开滦集团、神华集团等所属的多个矿井下的排水系统进行了实际的应用，应用实践表明，采用西门子300系列PLC作为控制核心、上位机远程监控的运行模式，极大的提高了排水系统运行的可靠性和安全性，有力地保证了井下排水设备的经济、可靠运行，同时也为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据。

参考文献

[1]谭长森，张珂.基于Windows CE的矿用排水监控系统设计[J]. 煤矿机电，2020（1）.23-25.

[2]王兆义. 可编程控制器教程. 北京：机械工业出版社，1997。

[3]谭长森. 基于PT100型铂热电阻的测温装置设计[J]. 工矿自动化，2012（03）.89-91.

[4]韩银中. 西门子PLC通讯在烟厂的应用.科技风.2015（15）。

[5]廖常初.S7-300/400PLC应用技术[M]. 机械工业出版社，2008。