张红伟，夏 辉

（1.枣矿集团田陈煤矿，山东 枣庄 277000；2.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）

基于PLC和WinCC的井下水泵监控系统

张红伟1，夏 辉2

（1.枣矿集团田陈煤矿，山东 枣庄 277000；2.中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）

为了确保煤矿井下排水的安全可靠运行，根据系统的控制要求，设计了以西门子S7-300系列PLC为控制器，结合工业以太网、传感器和上位机等技术的一套较完备的煤矿井下水泵监控系统。应用结果表明，该系统运行效果良好，提高了排水工作的可靠性和稳定性。

离心式水泵；PLC；WinCC；工业以太网

0 前言

在煤矿建设和生产过程中，由于地层中含水的涌出等原因，将有大量的水汇集于井下[1-3]。如果不及时地将这些积水排至地表，井下的生产会受到阻碍，威胁到井下工人和设备的安全。因此，井下水泵监控系统的可靠运行对矿井安全生产起着非常重要的作用。

目前，我国大多数煤矿井下水泵控制系统主要由离心式水泵、电动机、起动设备、仪表、管路及管路附件等组成[4-5]，如图1所示。其中离心式水泵是排水系统的核心部分。

图1 水泵控制系统组成结构图

水泵的工作，分四个环节：水位监测、射流抽真空控制、电机和闸阀控制、设备运行参数监测。水泵的启动、停止过程需要综合真空、压力等因素，按照操作规程依次动作。具体流程如下：开泵时，首先判断是否满足开泵条件，当满足开泵条件时，开启真空阀、射流阀进行抽真空；随着泵腔内真空度的降低，水仓的水在大气压力的作用下进入泵体。同时，观测真空表的读数，待真空值达到要求后，启动电机；然后监测出水口的出口压力，待其达到要求并稳定后，开启出水闸阀，同时关闭真空阀与射流阀，水泵启动完成。停泵流程则逆序操作，当水泵收到停泵命令，先关闭出水闸阀，待出水闸阀完全关闭后，停止电机。若需急停，则同时关闭电机和出水闸阀。

目前国内矿井的水泵控制系统多采用传统的继电器控制方法，用人工进行监测。传统方法控制线路复杂，设备运行的可靠性低，工人劳动强度大。为了改善这一现状，要在原有设施基础上进行自动化改造，实现煤矿井下排水的自动控制，通过对电机、阀门的控制和传感器信号的采集实现水泵控制系统的远程监控。

1 系统的总体设计

设计的水泵监控系统主要由PLC控制器、传感器、通讯系统、上位机、视频监控系统和电动（磁）阀等电动设备组成。整个系统按所处位置，可分为地面监控和井下控制两个部分。系统结构如图2所示。

图2 系统总体结构示意图

1.1 地面监控

地面监控系统包括工控机、工业监视器和光端机。工控机通过上位机软件和井下PLC系统通过工业以太网进行通信，对水泵自动控制系统进行监控，实时读取现场关键数据，并记录保存。工业监视器用于显示井下水泵的实时画面，让操作人员更方便的观察水泵运行情况。

1.2 井下控制

井下水泵控制主要以PLC为控制核心，通过传感器进行相关参数采集，实现水泵以及其他电器设备的正常运行，并将控制信息利用光缆通过工业以太网传入上位机。

2 系统的硬件设计

硬件系统主要包括传感器采集开关量、模拟量信号，PLC控制器对信号检测和处理以及水泵阀门等电动设备控制和控制网络的构成及通信。

2.1 传感器的选用

在本系统中，使用的传感器主要包括真空传感器、压力传感器、温度传感器和液位传感器。真空传感器在射流抽真空的过程中，检测泵腔真空度，进而判断开启水泵电机的时机。压力传感器测量出口压力，看其是否达到排水要求，避免水锤等事故的出现。温度传感器测量水泵轴温和电机的温度。液位传感器检测的是水仓水位，是直接反应被控对象特征的物理量，关系到控制决策制定。所以，本系统采用超声波水位传感器与浮球式开关水位传感器相结合的办法来检测水位。

2.2 PLC的输入输出点统计及选型

PLC控制器是整个控制系统的核心，其硬件设计的可靠性关系到整个控制系统的平稳运行。根据控制系统的功能要求，统计出PLC所需模拟量、开关量输入输出点数。此外，在设计过程中还应考虑裕量，以便于系统日后扩展应用。

根据输入输出点数的统计，选择PLC模块。在具体的模块类型选取时，通常基于两点考虑：所选择模块能满足系统设计的功能要求，并有很强的安全、可靠性；为了方便系统的维护和改进，通常选择预留20%～40%的备用点数。依据以上两点，选择主站内PLC相关模块及数量（如表1所示）和3个分站内PLC模块型号和数量。

表1 主站模块选择

2.3 控制网络设计

在本系统中，控制网络是由PLC与上位机通过交换机构成的星形拓扑的工业以太网。每个设备均带有RJ45接头的8芯屏蔽双绞线接入交换机。完成硬件连接后，然后IP地址分配，将上位机与PLC的IP地址设在同一个网段。另外由于控制网络之间相互遵循TCP/IP协议，使得系统更具开放性。如果通过路由器与Internet进行连接，还可以将系统网络划分为办公网络和工业网络，并实现远程控制。其中，以太网交换机采用SCALANCE X-400高性能模块化的交换机，适用于高速光学/电气总线型拓扑结构，具有模块化结构和扩展模块多的特点。

3 系统软件设计

本控制系统的软件设计包括上位机部分和下位机部分。

上位机配置包括PC机和组态软件，组态软件选用西门子公司的WinCC V6.2.该软件除了具有组态软件的基本功能外，还采用标准Microsoft SQL Server 2000数据库进行生产数据的归档，同时具有Web浏览功能。上位机软件的作用概括起来有两点：一是通过与PLC的通信，将PLC采集的和处理过的数据进行显示；二是接受操作员的调度命令，通过工业以太网，对现场的设备进行远程操作。该系统上位机监控画面包括主画面、实时数据画面、报警画面、输入状态画面、输出状态画面、运行时间及参数设置画面。主画面如图3所示。

图3 监控主画面

下位机软件设计主要是PLC监控程序的设计，PLC下位机软件的开发环境为SIEMENS SIMATIC STEP7 V5.3编程软件，采用模块化结构程序方式编程，这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作，又能使数据库结构统一。根据系统设计要求，系统软件包括以下几个功能：设计自动、远控、近控、手动和检修五种控制操作方式对系统的控制；建立数学模型，根据涌水量大小和节电原则，自动控制运行的水泵台数；记录各台水泵的运行时间，实现轮班工作制，保护水泵运行性能良好；水位实时在线检测与显示，并同步显示系统的水位、压力、温度参数及泵阀的运行状态。程序主要包括操作方式选择程序、排水模型及“避峰就谷”程序、水泵的轮换工作程序、开启水泵台数程序、水泵自动运行控制程序等。操作方式选择程序流程图如图4所示。

图4 操作方式选择流程图

4 应用

本文设计的井下水泵监控系统根据系统功能要求和设计原则，给出了整体的系统构架，设计了完善的故障监测和保护措施，实现了水泵的自动化监控，具有系统稳定可靠、故障率低、维修量小等特点。本系统已在大屯煤电公司投入使用，现场运行良好，工作效率比以往有明显的提高，解决了各台水泵独立运行的缺点，延长了水泵的使用寿命，实现了无人值守，为煤矿安全生产带来了可靠保障。

[1]朱华兴，吴昊.井下分散式排水汇集点潜水泵集控系统设计[J].工矿自动化，2012（08）：118-120.

[2]王志国，郭峰.煤矿中央水泵房自动控制系统的应用[J].工矿自动化，2011（06）：76-78.

[3]姜秀柱，徐钊，冯东芹.基于EPA的煤矿井下水泵控制系统[J].工矿自动化，2008（05）：62-65.

[4]徐广明，毛君，王大力等.刮板输送机链条张力分析与计算研究[J].煤矿机械，2007（07）：1-2.

[5]槐利，谭一川，徐育军.煤矿井下主排水自动控制系统的应用[J].工矿自动化，2012（03）：63-65.

张红伟（1976—），男，2010年1月毕业于中国矿业大学大学机械电子工程专业，从事机电设备运行维护和管理工作。