引言

    礦井水災(zāi)，是煤礦常見的主要災(zāi)害之一，如果不及時(shí)把生產(chǎn)中產(chǎn)生的礦井水排放出礦井，將給整個(gè)礦井的生產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的危害。目前大多數(shù)煤礦井下主排水系統(tǒng)的水泵開、停及選擇切換均由人工完成，不具備根據(jù)水位或其它參數(shù)自動(dòng)開停水泵以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，少數(shù)安裝了自動(dòng)排水設(shè)備的礦井，由于所采用的自動(dòng)排水系統(tǒng)與礦井實(shí)際情況相脫節(jié)，以及控制系統(tǒng)抗干擾性弱，穩(wěn)定性差，調(diào)試復(fù)雜等缺陷，導(dǎo)致排水設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不理想，甚至有的已閑置或拆除。針對(duì)以上問題本設(shè)計(jì)采用模塊結(jié)構(gòu)，利用PROFIBUS．DP現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，包括PROFIBUS．DP主站PC、PROFIBUS-DP從站PLC和ET200及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備超聲波液位傳感器、ATS48軟起動(dòng)器等，實(shí)現(xiàn)了水倉(cāng)水位的檢測(cè)監(jiān)控。水泵的軟啟動(dòng)，節(jié)約了能源、降低生產(chǎn)成本、提高了經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)防止水災(zāi)事故發(fā)生具有重大意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    圖1為礦井排水整體體示意圖。超聲波液位傳感器安裝在水倉(cāng)頂部，水倉(cāng)水位設(shè)低、中、高三個(gè)水位，PLC通過循環(huán)掃描的方式不斷檢測(cè)超聲波液位傳感器的數(shù)據(jù)，計(jì)算出水倉(cāng)液位的實(shí)際高度，與編程設(shè)定的液位對(duì)比。當(dāng)液位為低時(shí)，不動(dòng)作繼續(xù)檢測(cè)，當(dāng)液位達(dá)到中時(shí)，3個(gè)泵以時(shí)間為周期循環(huán)工作，防止了因備用泵及其電氣設(shè)備或備用管路長(zhǎng)期不用而使電機(jī)和電氣設(shè)備受潮出現(xiàn)故障；當(dāng)達(dá)到高水位時(shí)，3個(gè)泵同時(shí)開啟并觸發(fā)聲光報(bào)警，同時(shí)通過ET200關(guān)閉防水密閉門。以上啟動(dòng)過程中，任何一個(gè)泵發(fā)生故障將自動(dòng)切換到下一個(gè)泵并將故障反應(yīng)到監(jiān)控畫面。與此同時(shí)，安裝在上位機(jī)上的組態(tài)軟件WinCC實(shí)時(shí)顯示并記錄水位高度及泵的啟停，并將記錄的數(shù)據(jù)歸檔，為日后的統(tǒng)計(jì)作準(zhǔn)備。另外系統(tǒng)控制還設(shè)有自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)檢修3種工作方式，總體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1礦井排水整體示意圖

圖2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

    通訊上采用PROFIBUS．DP現(xiàn)場(chǎng)總線的主從方式，整個(gè)系統(tǒng)由PROFIBUS．DP主站安裝了WinCC的上位機(jī)、PROFIBUS．DP從站S7．200PLC、ET200及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成。上位機(jī)采用PC作為主站，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能和對(duì)水泵啟、?？刂乒δ?。上位機(jī)采用兩臺(tái)PC機(jī)互為備份，一臺(tái)作為主監(jiān)控機(jī)，另一臺(tái)作為從監(jiān)控機(jī)。當(dāng)主監(jiān)控機(jī)出現(xiàn)問題可以立即切換到另一臺(tái)作為主監(jiān)控機(jī)。提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。下位機(jī)采用PLC加EM277通訊模塊和ET200作為現(xiàn)場(chǎng)控制站，即從站，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制、數(shù)據(jù)采集和反饋控制功能。上位機(jī)通過在普通PC機(jī)PCI插槽內(nèi)增加CP561 1通訊卡與下位機(jī)通訊。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

    該系統(tǒng)硬件主要包括：上位機(jī)主站PC、從站S7．200和ET200、本安防爆超聲波位傳感器、EM235模擬量擴(kuò)展模塊、EM277通訊模塊、PROFIBUS電纜及接頭、ATS48軟起動(dòng)器等。

2．1 S7．200PLC

    可編程邏輯控制器(PLC)是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字式模塊式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。

本系統(tǒng)從站采用西門子公司的S7—200 CPU222，CPU222具有180 mA輸出，集成8輸A／6輸出共14個(gè)數(shù)字量I／O點(diǎn)，可連接2個(gè)擴(kuò)展模塊。6 K字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，4個(gè)獨(dú)立的30 kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20 kHz高速脈沖輸出。1個(gè)RS485通訊／編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。

2．2本安防爆超聲波液位傳感器

    采用兩線制本安防爆超聲波液位計(jì)，該傳感器不必安裝在液體中，徹底解決一般傳感器的漏水短路、腐蝕、波浪干擾等普遍的液面檢測(cè)問題，適合測(cè)量腐蝕的泥漿、污水、鹽酸等各種腐蝕性介質(zhì)。量程為15 cm～5．48m，精度為正負(fù)0．25％滿量程，分辨率為3mm。其量程、精度滿足了監(jiān)測(cè)高度為4 m的水倉(cāng)要求。

2．3 EM235模擬量輸入模塊

    EM235是最常用的模擬鼉擴(kuò)展模塊，它實(shí)現(xiàn)了4路模擬量輸入和1路模擬量輸出功能。圖3為傳感器和EM235的接線圖。

圖3傳感器與EM235接線圖

超聲波液位傳感器信號(hào)輸出是4~20 mA，DIP開關(guān)設(shè)置見表1。

表1 超聲波液位傳感器DIP開關(guān)設(shè)置

傳感器輸出電流為4～20 mA，模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是A0-Am(如：4-20 mA)，A／D轉(zhuǎn)換后數(shù)值為△0-A0(如：6 400-32000)，設(shè)模擬量的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)是A，A／D轉(zhuǎn)換后的相應(yīng)數(shù)值為△，由于是線性關(guān)系，可以表示為

2．4 EM277通訊模塊

    S7-200CPU必須通過PROFIBUS．DP模塊EM277連接到網(wǎng)絡(luò)，不能直接接入PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。EM277模塊在PRoFIBUS網(wǎng)絡(luò)中只能作為PROFIBUS從站出現(xiàn)。作為DP從站，EM277模塊接受從主站來的多種不同的I／O配置，向主站發(fā)送和接收不同數(shù)量的數(shù)據(jù)。這種特性使用戶能修改所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。與許多DP站不同的是，EM277模塊不僅僅傳輸FO數(shù)據(jù)。EM277能讀寫S7-200CPU中定義的變量數(shù)據(jù)塊。這樣，使用戶能與主站交換任何類型的數(shù)據(jù)。

    組態(tài)時(shí)從站地址與EM277模塊設(shè)置對(duì)應(yīng)，EM277模塊通過上面的旋轉(zhuǎn)開關(guān)設(shè)定的。在變動(dòng)旋轉(zhuǎn)開關(guān)之后，用戶必須重新起動(dòng)CPU電源，以便使新的從站地址起作用。

2．5軟啟動(dòng)器

    為了避免電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，該設(shè)計(jì)采用施奈德公司生產(chǎn)的ATS48軟起動(dòng)器。該裝置可靠性高，性能完善，還具有電機(jī)綜合保護(hù)功能，采取了特殊的抗干擾措施，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠，具有良好的過載、過流保護(hù)、斷相保護(hù)及漏電閉鎖保護(hù)等功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用模塊化、功能化結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試和擴(kuò)展，主要由控制主程序、模擬量采集和計(jì)算、電機(jī)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)、3臺(tái)泵輪換、報(bào)警等子程序組成，重點(diǎn)在于控制主程序和輪換判斷程序，確保3臺(tái)泵的啟／停及相互間輪換。以3臺(tái)油泵的運(yùn)行時(shí)間作為工作和備用泵輪換的判據(jù)，時(shí)間較長(zhǎng)的2臺(tái)作為工作泵，時(shí)間較短的l臺(tái)作為備用泵。主要有西門子PLC編程軟件STEP7 MicroWINV4．0和西門子組態(tài)軟件WnCC。

3．1通信及網(wǎng)絡(luò)

    PROFIBUS是當(dāng)前最為流行的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一，PRoFmUS．DP是經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)的通信連接，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I／O之間通信設(shè)計(jì)，多用于分布式控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸。

    系統(tǒng)采用SIEMENS S7．200系列PLC，加裝EM277模塊接入井下PROFIBUS主干網(wǎng)，采用2芯屏蔽雙絞線PROFIBUS電纜作為傳輸介質(zhì)。上位機(jī)軟件STEP7 MicrowIN V4．0通過PROFIBUS電纜和PLC進(jìn)行串口通信，可以方便的實(shí)現(xiàn)程序的上載、下載、運(yùn)行、停止等功能。組態(tài)軟件WinCC建立友好的實(shí)時(shí)操作界面，通過在普通PC機(jī)PCI插槽內(nèi)增加CP561l通訊卡與下位機(jī)PLC通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)水倉(cāng)水位實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3．2軟件設(shè)置

(1)組態(tài)

    打開SIMATIC NETCOM Profibus，新加一個(gè)組態(tài)，主站為SOFTNET-DP，從站是EM277Profibus—DP。主站的地址選擇從1到126，從站的地址選擇從3到99，這里主站地址為設(shè)置1，從站地址3與EM277的地址一致。然后用該軟件對(duì)從站進(jìn)行配置：打開從站屬性，在Configure選項(xiàng)中，選擇8bytes in／8bytes out(可根據(jù)實(shí)際需要選定)，在Parameterize中可以選擇偏移地址，地址對(duì)應(yīng)于S7．200系列PLC的數(shù)據(jù)區(qū)(即V區(qū))，默認(rèn)為0，即從VB0開始。組態(tài)完成后，導(dǎo)出(Export)NCM

圖4 實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面

圖5 實(shí)時(shí)報(bào)表界面

    圖4和圖5為實(shí)時(shí)趨勢(shì)及報(bào)表畫面實(shí)時(shí)顯示水倉(cāng)水位、CPU及RAM的利用率，并把這些數(shù)據(jù)歸檔記錄。

5結(jié)論

    實(shí)驗(yàn)室模擬證明采用PLC.現(xiàn)場(chǎng)總線和監(jiān)控組態(tài)技術(shù)設(shè)計(jì)的礦井水倉(cāng)水位監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是可行的。

    采用先進(jìn)的PRQFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式控制，網(wǎng)絡(luò)速度快、可靠性高、開放性好、抗干擾能力強(qiáng)。以組態(tài)軟件WinCC編寫的人機(jī)界面友好直觀、功能完善、易操作。利用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電機(jī)，提高了安全性、延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。另外，由于軟硬件均采用模塊化結(jié)構(gòu)，安裝、調(diào)試和設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)單方便。應(yīng)用于煤礦一定能夠提高生產(chǎn)效率和管理水平，為煤礦安全高效運(yùn)行提供保證。