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摘 要：本文设计了以S7-300 PLC为主要控制器的模块化泵房排水控制系统。模拟量模块、数字量模块独立供电，使得模拟量，数字量采集结果精确、可靠。并采用了触摸屏、组态王软件以图像、报表数据、文字等方式直观的反应了系统状态，具有良好的人机界面，同时实现了远程控制。利用PLC自带的PROFIBUS-DP，可方便的与其他现场总线通讯，并实现网络化，加快了企业信息化发展。
关键词：PLC；触摸屏；组态王；PROFIBUS-DP
引言
阳城煤矿属于多水平煤矿，各水平泵房控制为传统的人工控制方式，即人工停送高压电启动泵排水，弊端颇多。为提高生产效率、提高安全系数，实现节能减排，提高对突发事件的应对能力，阳城首先对-920泵房系统进行了自动化改造。阳城煤矿-920泵房为双管路排水，泵房配有五台防爆电机、五台水泵、两台真空泵。改造后实现了多种方式控制、地上监控与地下监控双保险，基本达到了自动化水平，大大提高了工作效率与安全系数。考虑到其他水平，本水平控制系统的设计均有冗余量，以备其他水平接入，组成总控制系统。
1.系统组成及原理
本控制系统主要功能是控制五台泵启停进行排水，两台真空泵抽真空（一台使用，一台备用）。选用西门子314C-2 DP型PLC为主控制器，由PLC机架、电源、PLC、模拟量输入、数字量I/O、通讯等模块构成，集成在一个控制柜内，柜上装有西门子触摸屏实现现场监控，通过光缆连接组态王主机实现远程监控及网络发布等[1]。同时采用基于TCP/IP的工业以太网传输数据，实时性好，效率高。控制柜是泵房自动监控系统的核心,完成整个系统的数据采集、设备控制、信息传输及远程通信，其中PLC是控制柜的核心。控制系统组成图如图1所示，虚线内为柜内系统，虚线外模拟量检测为温度传感器、电压、电流互感器、压力传感器、液位计、流量计等，数字量检测为各数字量对应的触点。
图1控制系统组成图
2.数据采集
根据现场实际，需要检测的模拟参数主要有电机前轴、后轴、绕组温度、电压、电流、水泵出水压力、真空度、电动闸阀的开度、实时流量（两管道）、水位、过转矩等信号。
2.1温度的检测
采用5块西门子模拟输入模块AI8×13bit分别对5台泵的模拟量采集。该模块分辨率为13位，精度为4/4096=0.09%，达到控制要求。该模块有8路通道，每个通道的测量类型可编程为电压、电流、电阻、温度四种形式。电机内部大都在绕组内预埋热电阻用来测量绕组温度，对电机进行温度监测与控制，进而保护电机。阳城-920泵房电机预埋pt100热电阻，将模拟模块的前三路通道的测量类型配置成RTD，测量范围配置为pt100标准，即额定测量温度范围-200oC~850oC。根据pt100的特性，不难算出对应电阻范围为77.6~329.8Ω。对应模拟模块采集到的数值为-2000~8500。这样在程序中只要采集到的温度值除以10就是所求的电机温度值。
2.2电压电流检测
电机电压标准值为6300V，电流标准值为200A,分别采用电压电流互感器进行采集，得到较小的电压电流信号，经电压变送器将电压转换成4~20mA的信号，经电流变送器将电流转换成4~20mA的信号。这样将模拟模块的第四第五通道的测量型号配置成电流输入，测量范围配置为4~20mA，即对应的模块采集的数字量范围为0~27648。程序中
实现 ，即得电压值，同理编程实现
即得电流值，由此完成对电压、电流的采集。
2.3出水压力、真空度等模拟量检测
水泵距水仓水面最大为6m，即最大压力约为0.06Mpa，大气压力约为0.1Mpa。可以采用抽真空方式调水，即依靠大气压力把水先压上来再启动电机抽水。采用-0.1Mpa~0.5Mpa、输出为4~20mA的压阻式压力传感器测量真空度可满足要求。矿井深度约为900m，根据公式得知出水压力约为9Mpa，可采用0~10Mpa、输出为4~20mA的压阻式压力传感器测量出水压力。将压力传感器按两线制接入模拟量模块，并将模拟量模块的第六、第七通道测量型号配置成电流输入，测量范围配置为4~20mA，程序中根据公式及即可得到真空
度及出水压力。将闸阀控制箱中阀门开度配置为0~24mA的输出信号，同理在模拟量模块的第八通道可检测阀门开度。
采用超声波流量计实现对两路瞬时流量的检测，程序中实现对流量的累积；采用西门子超声波液位计实现对液位的检测，按电流形式接入314C-2 DP自带的模拟模块进行处理，原理同上。
2.4数字量的检测
需要采集的数字量有球阀开关到位、阀门开关到位、断路器状态、高压柜转换开关状态、控制柜上开关按钮等。主要是各触点24V/0V电压的采集，可直接接入DI模块。
3.工作方式
系统工作方式分为检修、手动、全自动、远程四种方式。每台电机配有一个高压柜，高压柜安有就地/集控转换开关。当电机高压柜的转换开关打到就“地时”，即为检修状态。该状态下只能通过高压柜启动电机，为传统的泵房人工控制方式。可与新设控制系统互为备用系统，确保了控制系统在故障状态时仍可以正常启停水泵。方式转换开关达到“集控”时即可通过控制柜实现控制。通过触摸屏或者位于调度中心组态王监控画面可改变每台泵的工作方式、启停水泵，并根据需要设置优先级别。
手动工作方式为半自动方式，即“一键启停”方式。在控制柜上安有5个启动按钮和5个停止按钮，分别控制五台泵的启停。按钮自带指示灯。按下启动按钮，在满足启动泵的条件下，自动开球阀、开真空泵抽真空,达到真空度并保持一定时间，自动开电机、开电动阀门、关球阀、关真空泵。若不满足条件，提示故障报警禁止开机。这种控制方式可以大大简化操作流程,降低现场操作人员的劳动强度,提高生产效率。
全自动方式为系统根据水位自动启动水泵排水，最多启动两台泵。为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未经及时发现,全自动方式下，五台泵自动轮换工作。程序中自动记录每台泵的运行时间及停止时间，根据泵的启停时间、水位、水位上升速度、用电峰谷段等参数[2]，综合判断是否启动泵。当有启动信号发出时，程序自动判断应启动哪台泵，然后发出启动信号，真正实现了无人值守。有故障时，将泵切除启动下台泵，并通过触摸屏或柜上指示灯显示故障。做到有故障早发现、早处理，达到安全生产的目的。
远程控制方式为调度中心控制。调度中心根据组态王监控画面可实现监控泵房状态、更改工作方式、启停泵等操作。打破了以往只能就地启停泵的方式。当井下有危险时，可撤离泵房工作人员，通过此方式控制。
4.人机界面的设计
为更好的实现人机交互功能，井下监控采用西门子触摸屏MP 277-10"Touch,安装在控制柜上，便于现场监视控制。通过图形与数字配合形象动态的表示水位、瞬时流量、累计流量、真空度、出水压力值、真空泵开关、球阀开关、管路开通、电动闸阀开度、电机的运行等情况，1#泵触摸屏监控图如图2。采用黄色等闪烁报警配合报警信息，使工作人员方便快捷的找到故障，极大的提高了工作效率。为提高安全性，设有用户及密码，不同用户权限不同，点击图2右侧的工作方式，弹出工作方式设定界面，正确输入用户名及密码后可完成工作方式设定，同理点击参数设置可设置液位、温度、电压、电流报警值、启停泵的液位值（全自动方式下）。点实时报警可查看报警信息等。
图2 1#泵触摸屏监控图
地面监控系统采用工业计算机构成的C/S数据服务系统，工业计算机装有组态王软件实现远程监控，系统监视图如图3所示。
图3 系统运行组态王监视图
每台泵设有监控图，如图4为1#泵监控图。用户能实现工作方式转换、故障复位、启停泵等操作。设有不同的用户及其权限，以免引起误操作，用户登陆后方能操作。并自动生成实时曲线、历史曲线、实时报表、历史报表、日报表、月报表、记录历史报警等信息以供查询，点击图3右侧对应项可查看。根据需要还可配置Web网络信息发布，实现网络查看。
图4 1#泵组态王监控图
5.通讯设计
PROFIBUS-DP使用了ISO/OSI模型的第一层、第二层，这种精简的结构保证了数据的高速传送，适合可编程控制器与分散的I/O设备之间的通讯[3]。该系统利用PLC自带的PROFIBUS-DP协议实现PLC、触摸屏、组态王之间的通讯。将PLC配置成DP主站，触摸屏和组态王配置成从站，并根据矿IP地址段分配相应的地址。这样操作人员对触摸屏、组态王的操作传送到PLC控制泵的运行；PLC运行中采集到的数字、模拟参数传送到触摸屏和组态王显示。系统具有良好的可扩展性，可实现与电力监测系统、矿其它水平系统联网并通过组态软件实现网络密码监控等功能。使得在互联网上能查看矿泵房运行情况。
6.结束语
通过模拟分析，结果表明该系统具有良好的稳定性和可靠性，不仅提高了泵的使用效率、节省了成本，大大降低了工人的劳动强度、避免了直接停送高压电带来的潜在危险，而且具有良好的可灵活性和扩展性。根据不同的矿井，适当修改参数或扩充模块即可满足要求。
参考文献：
[1]北京亚控科技发展有限公司.组态王version6.5使用手册.2003:975-998.
[2]刘生建，邱晓芬.基于PLC矿井排水控制系统的设计. 矿山机械,2006，（08）：97.
[3]西门子（中国）有限公司.深入浅出西门子S7-300PLC.北京航空航天大学出版社，2005:199-209.
关键词：PLC；触摸屏；组态王；PROFIBUS-DP
引言
阳城煤矿属于多水平煤矿，各水平泵房控制为传统的人工控制方式，即人工停送高压电启动泵排水，弊端颇多。为提高生产效率、提高安全系数，实现节能减排，提高对突发事件的应对能力，阳城首先对-920泵房系统进行了自动化改造。阳城煤矿-920泵房为双管路排水，泵房配有五台防爆电机、五台水泵、两台真空泵。改造后实现了多种方式控制、地上监控与地下监控双保险，基本达到了自动化水平，大大提高了工作效率与安全系数。考虑到其他水平，本水平控制系统的设计均有冗余量，以备其他水平接入，组成总控制系统。
1.系统组成及原理
本控制系统主要功能是控制五台泵启停进行排水，两台真空泵抽真空（一台使用，一台备用）。选用西门子314C-2 DP型PLC为主控制器，由PLC机架、电源、PLC、模拟量输入、数字量I/O、通讯等模块构成，集成在一个控制柜内，柜上装有西门子触摸屏实现现场监控，通过光缆连接组态王主机实现远程监控及网络发布等[1]。同时采用基于TCP/IP的工业以太网传输数据，实时性好，效率高。控制柜是泵房自动监控系统的核心,完成整个系统的数据采集、设备控制、信息传输及远程通信，其中PLC是控制柜的核心。控制系统组成图如图1所示，虚线内为柜内系统，虚线外模拟量检测为温度传感器、电压、电流互感器、压力传感器、液位计、流量计等，数字量检测为各数字量对应的触点。
图1控制系统组成图
2.数据采集
根据现场实际，需要检测的模拟参数主要有电机前轴、后轴、绕组温度、电压、电流、水泵出水压力、真空度、电动闸阀的开度、实时流量（两管道）、水位、过转矩等信号。
2.1温度的检测
采用5块西门子模拟输入模块AI8×13bit分别对5台泵的模拟量采集。该模块分辨率为13位，精度为4/4096=0.09%，达到控制要求。该模块有8路通道，每个通道的测量类型可编程为电压、电流、电阻、温度四种形式。电机内部大都在绕组内预埋热电阻用来测量绕组温度，对电机进行温度监测与控制，进而保护电机。阳城-920泵房电机预埋pt100热电阻，将模拟模块的前三路通道的测量类型配置成RTD，测量范围配置为pt100标准，即额定测量温度范围-200oC~850oC。根据pt100的特性，不难算出对应电阻范围为77.6~329.8Ω。对应模拟模块采集到的数值为-2000~8500。这样在程序中只要采集到的温度值除以10就是所求的电机温度值。
2.2电压电流检测
电机电压标准值为6300V，电流标准值为200A,分别采用电压电流互感器进行采集，得到较小的电压电流信号，经电压变送器将电压转换成4~20mA的信号，经电流变送器将电流转换成4~20mA的信号。这样将模拟模块的第四第五通道的测量型号配置成电流输入，测量范围配置为4~20mA，即对应的模块采集的数字量范围为0~27648。程序中
实现 ，即得电压值，同理编程实现
即得电流值，由此完成对电压、电流的采集。
2.3出水压力、真空度等模拟量检测
水泵距水仓水面最大为6m，即最大压力约为0.06Mpa，大气压力约为0.1Mpa。可以采用抽真空方式调水，即依靠大气压力把水先压上来再启动电机抽水。采用-0.1Mpa~0.5Mpa、输出为4~20mA的压阻式压力传感器测量真空度可满足要求。矿井深度约为900m，根据公式得知出水压力约为9Mpa，可采用0~10Mpa、输出为4~20mA的压阻式压力传感器测量出水压力。将压力传感器按两线制接入模拟量模块，并将模拟量模块的第六、第七通道测量型号配置成电流输入，测量范围配置为4~20mA，程序中根据公式及即可得到真空
度及出水压力。将闸阀控制箱中阀门开度配置为0~24mA的输出信号，同理在模拟量模块的第八通道可检测阀门开度。
采用超声波流量计实现对两路瞬时流量的检测，程序中实现对流量的累积；采用西门子超声波液位计实现对液位的检测，按电流形式接入314C-2 DP自带的模拟模块进行处理，原理同上。
2.4数字量的检测
需要采集的数字量有球阀开关到位、阀门开关到位、断路器状态、高压柜转换开关状态、控制柜上开关按钮等。主要是各触点24V/0V电压的采集，可直接接入DI模块。
3.工作方式
系统工作方式分为检修、手动、全自动、远程四种方式。每台电机配有一个高压柜，高压柜安有就地/集控转换开关。当电机高压柜的转换开关打到就“地时”，即为检修状态。该状态下只能通过高压柜启动电机，为传统的泵房人工控制方式。可与新设控制系统互为备用系统，确保了控制系统在故障状态时仍可以正常启停水泵。方式转换开关达到“集控”时即可通过控制柜实现控制。通过触摸屏或者位于调度中心组态王监控画面可改变每台泵的工作方式、启停水泵，并根据需要设置优先级别。
手动工作方式为半自动方式，即“一键启停”方式。在控制柜上安有5个启动按钮和5个停止按钮，分别控制五台泵的启停。按钮自带指示灯。按下启动按钮，在满足启动泵的条件下，自动开球阀、开真空泵抽真空,达到真空度并保持一定时间，自动开电机、开电动阀门、关球阀、关真空泵。若不满足条件，提示故障报警禁止开机。这种控制方式可以大大简化操作流程,降低现场操作人员的劳动强度,提高生产效率。
全自动方式为系统根据水位自动启动水泵排水，最多启动两台泵。为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未经及时发现,全自动方式下，五台泵自动轮换工作。程序中自动记录每台泵的运行时间及停止时间，根据泵的启停时间、水位、水位上升速度、用电峰谷段等参数[2]，综合判断是否启动泵。当有启动信号发出时，程序自动判断应启动哪台泵，然后发出启动信号，真正实现了无人值守。有故障时，将泵切除启动下台泵，并通过触摸屏或柜上指示灯显示故障。做到有故障早发现、早处理，达到安全生产的目的。
远程控制方式为调度中心控制。调度中心根据组态王监控画面可实现监控泵房状态、更改工作方式、启停泵等操作。打破了以往只能就地启停泵的方式。当井下有危险时，可撤离泵房工作人员，通过此方式控制。
4.人机界面的设计
为更好的实现人机交互功能，井下监控采用西门子触摸屏MP 277-10"Touch,安装在控制柜上，便于现场监视控制。通过图形与数字配合形象动态的表示水位、瞬时流量、累计流量、真空度、出水压力值、真空泵开关、球阀开关、管路开通、电动闸阀开度、电机的运行等情况，1#泵触摸屏监控图如图2。采用黄色等闪烁报警配合报警信息，使工作人员方便快捷的找到故障，极大的提高了工作效率。为提高安全性，设有用户及密码，不同用户权限不同，点击图2右侧的工作方式，弹出工作方式设定界面，正确输入用户名及密码后可完成工作方式设定，同理点击参数设置可设置液位、温度、电压、电流报警值、启停泵的液位值（全自动方式下）。点实时报警可查看报警信息等。
图2 1#泵触摸屏监控图
地面监控系统采用工业计算机构成的C/S数据服务系统，工业计算机装有组态王软件实现远程监控，系统监视图如图3所示。
图3 系统运行组态王监视图
每台泵设有监控图，如图4为1#泵监控图。用户能实现工作方式转换、故障复位、启停泵等操作。设有不同的用户及其权限，以免引起误操作，用户登陆后方能操作。并自动生成实时曲线、历史曲线、实时报表、历史报表、日报表、月报表、记录历史报警等信息以供查询，点击图3右侧对应项可查看。根据需要还可配置Web网络信息发布，实现网络查看。
图4 1#泵组态王监控图
5.通讯设计
PROFIBUS-DP使用了ISO/OSI模型的第一层、第二层，这种精简的结构保证了数据的高速传送，适合可编程控制器与分散的I/O设备之间的通讯[3]。该系统利用PLC自带的PROFIBUS-DP协议实现PLC、触摸屏、组态王之间的通讯。将PLC配置成DP主站，触摸屏和组态王配置成从站，并根据矿IP地址段分配相应的地址。这样操作人员对触摸屏、组态王的操作传送到PLC控制泵的运行；PLC运行中采集到的数字、模拟参数传送到触摸屏和组态王显示。系统具有良好的可扩展性，可实现与电力监测系统、矿其它水平系统联网并通过组态软件实现网络密码监控等功能。使得在互联网上能查看矿泵房运行情况。
6.结束语
通过模拟分析，结果表明该系统具有良好的稳定性和可靠性，不仅提高了泵的使用效率、节省了成本，大大降低了工人的劳动强度、避免了直接停送高压电带来的潜在危险，而且具有良好的可灵活性和扩展性。根据不同的矿井，适当修改参数或扩充模块即可满足要求。
参考文献：
[1]北京亚控科技发展有限公司.组态王version6.5使用手册.2003:975-998.
[2]刘生建，邱晓芬.基于PLC矿井排水控制系统的设计. 矿山机械,2006，（08）：97.
[3]西门子（中国）有限公司.深入浅出西门子S7-300PLC.北京航空航天大学出版社，2005:199-209.