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【摘 要】 在煤矿安全生产中，水泵和局扇发挥着重要作用。新巨龙公司针对目前采区排水与局扇系统控制的现状，利用PLC自动控制技术，对井下采区分散的排水点水泵与局扇实施了自动化改造。本文介绍了西门子S7-300PLC在其自动化监测和控制中的实际应用情况，实现了系统运行状态的实时监测与远程操作，并通过形象的组态画面及时发布系统运行情况，实施诊断和报警，增加了系统的安全可靠性，提高了设备的维护质量，为煤矿创造了良好的安全与经济效益。
【关键词】 PLC；水泵局扇；自动化监控；组态画面
1、系统概况
采区开拓巷道及回采准备巷道均布置在煤层底板中，巷道容易积水，需要设置临时水窝进行排水。矿井采用对旋轴流局部通风机，主要用于煤矿井下作压入式局部通风机，用于采掘工作面的局部通风。两套系统均为独立控制，布局分散，控制方式比较单一，系统运行故障往往得不到及时发现并处理，留下了一定的安全隐患。鉴于此，实时监测井下采区排水和局扇系统也就显得至关重要，因而有必要增加一套辅助监测与控制系统，实时集中监视系统的运行状况，并在特殊情况发生时，可以对水泵和局扇进行远程操作，实现采区水泵和局扇的自动化控制，增加其安全性和可靠性。
2013年2月份对-700回风大巷1#、二采辅二下山、二采回风下山、2302下巷的排水局扇系统进行了自动化改造，在相关地点分别增加一台矿用隔爆型PLC控制柜，采用集中控制方式，实现系统的控制。系统配置以太网接口，接入千兆以太环网，实现信号的传输，控制信号通过光缆传输至地面。经OPC网络控制与井上集控中心进行联网并实时通讯，实现对采区潜泵、局扇的远程监测与控制。并针对排水系统在每个排水点增加一台摄像头，实时监视排水点的水位状况，配合PLC控制系统，共同完成采区水窝全方位监测与控制。
2、系统设计
2.1系统构成
该系统PLC选用西门子的S7-300系列，选用314C-2PN/DP的CPU模块、SM321型的32路数字量输入模块、SM321型的16路数字量输出模块、SM331型的8路模拟量输入模块，并采用MOXA的NPort5430型串口服务器模块以及具有4个电口1个光口的EDS-205A型的交换机模块。
上位机选用研华高性能工控机，安装WindowsXPSP3操作系统，PLC编程软件为STEP7V5.5SP3，HMI软件为WinCC7.0SP2。WinCC具有工艺流程仿真画面、数据趋势曲线、报警信息统计、实时报表与周期报表等、具备各种实时/历史查询等功能。所有数据可视化方式不仅能够以C/S模式在固定计算机上展示，也可以采用B/S模式实现信息的Web（IE）浏览。采用标准数据库存储底层工业数据。
2.2系统方案
经现场调研，我公司井下采区潜泵和局扇系统均为双机双电源供电，供电线路采用移变到馈电开关到启动器到设备的设计（如图一），潜泵使用QBZ-80、120、200系列智能型真空电磁启动器，风机使用QBZ-2X80、120/1140（660）SF系列双电源智能型真空电磁启动器，均由淮南万泰电子股份有限公司生产。
系统设计如下：
（1）开关控制接点接入系统，实现潜泵的远程启动和停止；
（2）开关保护器通过串口服务器接入系统，实时读取潜泵与局扇电压、电流等参数，也可通过通讯规约下达控制命令，实现潜泵与局扇的远程启动和停止；
（3）潜泵浮球开关触点接入系统，实时检测水位位置；
（4）局扇风筒传感器开关触点接入系统，实时检测风筒有风无风状态。
2.3系统接入
系统以减人提效为最终目标，实现水泵、局扇机组的启停操作、故障诊断的辅助监测与控制功能，减少人工干预，使设备能够长时间连续稳定地工作，达到节约能源和人力资源的功能。系统根据信号传输原理可分为三大部分：
1）井下监控单元
井下监控单元由PLC控制柜、传感器、信号传输设备等组成。PLC控制柜作为主控制站，是系统控制核心，负责完成状态信号、模拟量信号的采集，以及控制指令的下发。系统设计在相关地点分别增加一台矿用隔爆型PLC控制柜，采用集中控制方式，控制核心使用S7-300系列PLC，负责完成状态信号、模拟量信号的采集，以及控制指令的下发，分析处理由服务器下达的控制命令，将针对指定设备的命令确定后发出指令，控制各个地点的水泵或局扇配电开关，实现系统的控制；控制柜内配置一台协议处理器，与水泵配电开关通讯，实现水泵配电开关的远程操作，并读取开关的电压、电流等相关参数；系统配置以太网接口，接入以太环网，实现信号的传输，控制信号通过光缆传输至地面，所有控制命令和设备的运行状态及传感器信号均通过工业环网实现地面控制中心与井下监控单元的信息交换。
2）信号传输路由
信号传输包括控制信号的传输和配电开关保护器通讯参数的传输。利用交换机、串口服务器作为系统的主要信号传输设备，完成控制信号以及的转换，通过光缆传输至地面。系统在实施过程中并没有专门敷设相关的数据上传线路，而是借助井下WLAN数据传输平台，通过阻燃网线就近接入无线AP基站预留的RJ45网口，通过其网口转光口模块传输到工业环网交换机，再通过光缆上传至地面控制中心。
3）地面控制中心
地面控制中心作为采区排水辅助监测与控制系统的调度中心，设置工作站，负责管理汇总井下各分散地点水泵与局扇的运行情况，并可以向井下下达启动停止命令。主要由高性能服务器工控机、显示器及音箱等构成，实现对现场实时数据的监测与控制。工控机实时动画显示井下各个地点的水泵、风机运行状态和故障信息，通过先进的上位机软件WinCC实现与井下PLC的通信，管理人员在地面即可掌握井下系统设备的所有检测数据及工作状态（如图二），工作站可动态显示系统运行的模拟图、运行参数图表，记录系统运行数据，能自动分析水泵的运行参数并判断故障，报警信息实时显示并具备历史报警存储功能。 图二
2.4系统软件
1）PLC程序
系统是利用STEP7进行编程，采用模块化结构编程，包括监视模块、数据模块、控制模块、显示模块、通信模块等，此种方法能够使系统运行安全可靠，修改方便易于扩展。
2）上位机程序
上位机采用组态软件WinCC进行开发，该应用软件为用户提供了厂级的可视化过程、数据获取和监视控制功能。采用面向目标的开发方法，可以快速容易的按照操作人员的设计处理、显示生产过程的数据。使用WinCC组态软件还可以根据矿生产系统及工艺流程的变化，由用户制作和修改监控画面，也可以随时修改界面上设备的颜色、形状、尺寸和位置。系统采用动画图形对设备进行描述，当设备是停止状态时，代表该设备的图形是静态的，当设备是运行状态时，系统就会以动画的形式对设备进行模拟、效果形象逼真、富有动感；图中也可以以不同的颜色表示设备的不同运行状态，不填色表示设备未投入运行；红色表示设备故障；所有的流程采用不同的线条进行描述，当系统要发生一些重大变化时伴随声光预告或报警。
3、系统实现功能
1）监测显示功能
（1）对水窝排水情况进行实时监测，监测点包括水泵是否排水、水位情况、水泵配电点供电情况；
（2）对局扇运行情况进行实时监测，监测点包括风机是否运行、投入运行的风机、风机配电点供电情况。
2）应急启动
当系统发生故障时，会以信号显示并伴有声光报警，提示值班人员采取相应措施。如当水位急剧增加或液位控制器不起作用的情况下启用此应预案强制排水；当主风机掉电无法切换到副风机的情况下启用此应预案强制远程启动风机。
3）视频监视
对水窝水位进行不间断监视，实现水位变化的监测可视化。
4）报表管理及打印功能
进行生产管理，包括事件记录、运行日志、水泵、局扇运行时间，开停时间等，实现各种报表的打印。
4、效益分析
1、安全效益
（1）在地面集中监测监控，井下减员，减少井下人员伤亡的可能性；
（2）减少人工操作失误，延长设备使用寿命；
（3）提高对设备的故障分析和判断能力，减少停机事故。
2、经济效益
（1）采区排水、局扇监测与控制系统的完成，可对潜泵、局扇运行情况进行实时监测，使设备长时间连续稳定地工作，保证了采区生产的安全，延长了设备的使用寿命，达到了节约能源和人力资源的功能，具有一定的经济效益；
（2）PLC控制柜配置相同，并配置标准网络接口，可以扩展并能够重复利用，减少了资金投入，系统可与全矿综合自动化系统连接到一个环网平台，具有一定的经济效益；
（3）通过WLAN的无线传输平台进行数据接入，节约了通讯线缆及光缆的使用量，不仅极大地缩短了施工周期，对我们改变目前多种系统各自为政，难以维护的情况具有积极重要的意义，同时对验证WLAN无线传输平台性能和进一步推广奠定了基础。
参考文献：
【1】何凤有.谷善茂.PLC在煤矿风机自控系统中的应用.电工技术，2005，（12）
【2】廖常初.PLC基础应用.北京：机械工业出版社，2003，6
【3】张万忠.刘明芹.电器与PLC控制技术[M].北京：化学工业出版社，2007.93～217.
【4】柴瑞娟，陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用[M].北京：机械工业出版社，2007.
【5】吕卫阳，徐昌荣.PLC工程应用实例解析[M].北京：中国电力出版社，2007.
作者简介：
王廷华：山东新巨龙能源有限责任公司机电部信息管理科科长，网络工程师、机电工程师。
王恩标：山东新巨龙能源有限责任公司机电部，副科级科员，助理工程师。
姚辉博：山东新巨龙能源有限责任公司，副总师，助理工程师。
【关键词】 PLC；水泵局扇；自动化监控；组态画面
1、系统概况
采区开拓巷道及回采准备巷道均布置在煤层底板中，巷道容易积水，需要设置临时水窝进行排水。矿井采用对旋轴流局部通风机，主要用于煤矿井下作压入式局部通风机，用于采掘工作面的局部通风。两套系统均为独立控制，布局分散，控制方式比较单一，系统运行故障往往得不到及时发现并处理，留下了一定的安全隐患。鉴于此，实时监测井下采区排水和局扇系统也就显得至关重要，因而有必要增加一套辅助监测与控制系统，实时集中监视系统的运行状况，并在特殊情况发生时，可以对水泵和局扇进行远程操作，实现采区水泵和局扇的自动化控制，增加其安全性和可靠性。
2013年2月份对-700回风大巷1#、二采辅二下山、二采回风下山、2302下巷的排水局扇系统进行了自动化改造，在相关地点分别增加一台矿用隔爆型PLC控制柜，采用集中控制方式，实现系统的控制。系统配置以太网接口，接入千兆以太环网，实现信号的传输，控制信号通过光缆传输至地面。经OPC网络控制与井上集控中心进行联网并实时通讯，实现对采区潜泵、局扇的远程监测与控制。并针对排水系统在每个排水点增加一台摄像头，实时监视排水点的水位状况，配合PLC控制系统，共同完成采区水窝全方位监测与控制。
2、系统设计
2.1系统构成
该系统PLC选用西门子的S7-300系列，选用314C-2PN/DP的CPU模块、SM321型的32路数字量输入模块、SM321型的16路数字量输出模块、SM331型的8路模拟量输入模块，并采用MOXA的NPort5430型串口服务器模块以及具有4个电口1个光口的EDS-205A型的交换机模块。
上位机选用研华高性能工控机，安装WindowsXPSP3操作系统，PLC编程软件为STEP7V5.5SP3，HMI软件为WinCC7.0SP2。WinCC具有工艺流程仿真画面、数据趋势曲线、报警信息统计、实时报表与周期报表等、具备各种实时/历史查询等功能。所有数据可视化方式不仅能够以C/S模式在固定计算机上展示，也可以采用B/S模式实现信息的Web（IE）浏览。采用标准数据库存储底层工业数据。
2.2系统方案
经现场调研，我公司井下采区潜泵和局扇系统均为双机双电源供电，供电线路采用移变到馈电开关到启动器到设备的设计（如图一），潜泵使用QBZ-80、120、200系列智能型真空电磁启动器，风机使用QBZ-2X80、120/1140（660）SF系列双电源智能型真空电磁启动器，均由淮南万泰电子股份有限公司生产。
系统设计如下：
（1）开关控制接点接入系统，实现潜泵的远程启动和停止；
（2）开关保护器通过串口服务器接入系统，实时读取潜泵与局扇电压、电流等参数，也可通过通讯规约下达控制命令，实现潜泵与局扇的远程启动和停止；
（3）潜泵浮球开关触点接入系统，实时检测水位位置；
（4）局扇风筒传感器开关触点接入系统，实时检测风筒有风无风状态。
2.3系统接入
系统以减人提效为最终目标，实现水泵、局扇机组的启停操作、故障诊断的辅助监测与控制功能，减少人工干预，使设备能够长时间连续稳定地工作，达到节约能源和人力资源的功能。系统根据信号传输原理可分为三大部分：
1）井下监控单元
井下监控单元由PLC控制柜、传感器、信号传输设备等组成。PLC控制柜作为主控制站，是系统控制核心，负责完成状态信号、模拟量信号的采集，以及控制指令的下发。系统设计在相关地点分别增加一台矿用隔爆型PLC控制柜，采用集中控制方式，控制核心使用S7-300系列PLC，负责完成状态信号、模拟量信号的采集，以及控制指令的下发，分析处理由服务器下达的控制命令，将针对指定设备的命令确定后发出指令，控制各个地点的水泵或局扇配电开关，实现系统的控制；控制柜内配置一台协议处理器，与水泵配电开关通讯，实现水泵配电开关的远程操作，并读取开关的电压、电流等相关参数；系统配置以太网接口，接入以太环网，实现信号的传输，控制信号通过光缆传输至地面，所有控制命令和设备的运行状态及传感器信号均通过工业环网实现地面控制中心与井下监控单元的信息交换。
2）信号传输路由
信号传输包括控制信号的传输和配电开关保护器通讯参数的传输。利用交换机、串口服务器作为系统的主要信号传输设备，完成控制信号以及的转换，通过光缆传输至地面。系统在实施过程中并没有专门敷设相关的数据上传线路，而是借助井下WLAN数据传输平台，通过阻燃网线就近接入无线AP基站预留的RJ45网口，通过其网口转光口模块传输到工业环网交换机，再通过光缆上传至地面控制中心。
3）地面控制中心
地面控制中心作为采区排水辅助监测与控制系统的调度中心，设置工作站，负责管理汇总井下各分散地点水泵与局扇的运行情况，并可以向井下下达启动停止命令。主要由高性能服务器工控机、显示器及音箱等构成，实现对现场实时数据的监测与控制。工控机实时动画显示井下各个地点的水泵、风机运行状态和故障信息，通过先进的上位机软件WinCC实现与井下PLC的通信，管理人员在地面即可掌握井下系统设备的所有检测数据及工作状态（如图二），工作站可动态显示系统运行的模拟图、运行参数图表，记录系统运行数据，能自动分析水泵的运行参数并判断故障，报警信息实时显示并具备历史报警存储功能。 图二
2.4系统软件
1）PLC程序
系统是利用STEP7进行编程，采用模块化结构编程，包括监视模块、数据模块、控制模块、显示模块、通信模块等，此种方法能够使系统运行安全可靠，修改方便易于扩展。
2）上位机程序
上位机采用组态软件WinCC进行开发，该应用软件为用户提供了厂级的可视化过程、数据获取和监视控制功能。采用面向目标的开发方法，可以快速容易的按照操作人员的设计处理、显示生产过程的数据。使用WinCC组态软件还可以根据矿生产系统及工艺流程的变化，由用户制作和修改监控画面，也可以随时修改界面上设备的颜色、形状、尺寸和位置。系统采用动画图形对设备进行描述，当设备是停止状态时，代表该设备的图形是静态的，当设备是运行状态时，系统就会以动画的形式对设备进行模拟、效果形象逼真、富有动感；图中也可以以不同的颜色表示设备的不同运行状态，不填色表示设备未投入运行；红色表示设备故障；所有的流程采用不同的线条进行描述，当系统要发生一些重大变化时伴随声光预告或报警。
3、系统实现功能
1）监测显示功能
（1）对水窝排水情况进行实时监测，监测点包括水泵是否排水、水位情况、水泵配电点供电情况；
（2）对局扇运行情况进行实时监测，监测点包括风机是否运行、投入运行的风机、风机配电点供电情况。
2）应急启动
当系统发生故障时，会以信号显示并伴有声光报警，提示值班人员采取相应措施。如当水位急剧增加或液位控制器不起作用的情况下启用此应预案强制排水；当主风机掉电无法切换到副风机的情况下启用此应预案强制远程启动风机。
3）视频监视
对水窝水位进行不间断监视，实现水位变化的监测可视化。
4）报表管理及打印功能
进行生产管理，包括事件记录、运行日志、水泵、局扇运行时间，开停时间等，实现各种报表的打印。
4、效益分析
1、安全效益
（1）在地面集中监测监控，井下减员，减少井下人员伤亡的可能性；
（2）减少人工操作失误，延长设备使用寿命；
（3）提高对设备的故障分析和判断能力，减少停机事故。
2、经济效益
（1）采区排水、局扇监测与控制系统的完成，可对潜泵、局扇运行情况进行实时监测，使设备长时间连续稳定地工作，保证了采区生产的安全，延长了设备的使用寿命，达到了节约能源和人力资源的功能，具有一定的经济效益；
（2）PLC控制柜配置相同，并配置标准网络接口，可以扩展并能够重复利用，减少了资金投入，系统可与全矿综合自动化系统连接到一个环网平台，具有一定的经济效益；
（3）通过WLAN的无线传输平台进行数据接入，节约了通讯线缆及光缆的使用量，不仅极大地缩短了施工周期，对我们改变目前多种系统各自为政，难以维护的情况具有积极重要的意义，同时对验证WLAN无线传输平台性能和进一步推广奠定了基础。
参考文献：
【1】何凤有.谷善茂.PLC在煤矿风机自控系统中的应用.电工技术，2005，（12）
【2】廖常初.PLC基础应用.北京：机械工业出版社，2003，6
【3】张万忠.刘明芹.电器与PLC控制技术[M].北京：化学工业出版社，2007.93～217.
【4】柴瑞娟，陈海霞.西门子PLC编程技术及工程应用[M].北京：机械工业出版社，2007.
【5】吕卫阳，徐昌荣.PLC工程应用实例解析[M].北京：中国电力出版社，2007.
作者简介：
王廷华：山东新巨龙能源有限责任公司机电部信息管理科科长，网络工程师、机电工程师。
王恩标：山东新巨龙能源有限责任公司机电部，副科级科员，助理工程师。
姚辉博：山东新巨龙能源有限责任公司，副总师，助理工程师。