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摘 要：介绍了一种基于PLC和以太环网的矿井泵房自动控制系统的组成、工作原理和运行方式。该系统采用PLC和工业以太环网技术，通过各种先进可靠的传感器、保护装置、电动闸阀、电动球阀等设备，完成对矿井泵房的自动化控制，实现无人值守和地面远程监控，提高了泵站系统的工作效率和安全性。
关键词：工业以太网 PLC 自动控制系统 矿井泵房
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0090-02
矿井排水系统承担着排出井下涌水的重要任务，是矿井安全生产的关键环节，排水系统各种设备能否安全、可靠、有效的运行，关系到整个矿井的生产与安全。国家安全生产监督管理总局2009年12月1日实施的《煤矿防治水规定》第118条规定：受水威胁严重的矿井，应当实现井下泵房无人值守和地面远程监控，本系统正是根据此规定进行设计的。
1 系统组成
该系统主排水泵3台，二条排水管路，监控系统主要由上位机、组态编程软件、工业以太环网交换机、PLC控制器、传感器、阻燃通信电缆、阻燃通信光缆、分线盒等设备组成。传感器部分包括水位传感器、超声流量传感器、正、负压力传感器、温度传感器等。井下控制系统采用SIMATIC S7-300 PLC，并采用系统组成以太网的机制，从而避免了生产的停机危险，它通过两个并行的中央控制器实现，它们的CPU通过光纤连接，并通过冗余的PROROFBUS-DP线路对远程I/O进行控制。
控制系统总体结构分为：地面上位机部分和井下泵房监控站部分。
上位机部分由工控机和工业组态软件WinCC V6.0构成，用以实现水泵控制系统的地面监控与数据上传功能。上位机部分安装于地面集控室，向上通过工业以太环网及组态软件自带的OPC Server 软件接口向综合自动化平台提供实时数据，向下通过工业以太环网及OPC Clinet或光端机（光纤）与井下监控站进行实时通讯。
井下泵房监控站部分采用1台PLC控制器、3台子控制器及各种传感器等设备组成；PLC控制器监控站安装在泵房控制室内，主要完成控制现场各传感器信息采集与处理，并经光信号接口或RJ45接口接入现场工业交换机将信息传至地面上位机，同时接收上位机的控制信息，实现地面遥控井下水泵系统。
每台子控制器可实现单台水泵的手动控制，并在自动方式下接收PLC控制器总站下发的控制命令实现多台水泵的自动控制。现场的各种反馈信号（高爆开关、电动闸阀等的返回点）接入各子控制器。系统结构图如图1所示。
2 系统功能及实现
2.1 控制功能及实现
系统根据水仓水位信号自动开启、停止水泵的运转，并对运行中的各种状态参数进行实时监控，同时通过以太网把数据上传至地面上位机。设计中考虑以水仓水位为主，结合自动轮换和“避峰填谷”的原则，确定开、停各水泵时间。
根据监视水位信号，可设定低水位、高水位、上限水位和危险水位。一般情况低水位时停泵，高水位时水泵运行，但在用电高峰期时暂缓运行，上限水位时备用水泵同时运行，危险水位时，起动所有水泵投入运行。
系统对于泵站具有自动、半自动、手动控制三种工作方式，根据具体情况设置不同的控制状态。另外，每台水泵可设置“运行”、“备用”、“检修”三种工作模式，以便在故障状态下对系统和水泵进行检修，而不影响其他水泵的联锁控制。
在自动控制方式时，按照检测水位的高低及根据高峰或低谷用电时间，自动选择是否开泵，根据每台泵的累积运行时间，判断优先开哪台泵，水泵开启后，根据水位变化率及判断是否达到告警水位，从而选择需要开几台泵。半自动控制工作方式时，操作人员利用井下触摸屏或地面监控中心的监控主机，通过开/关2个按钮就可以控制水泵完成启停的所有工作。手动控制方式时，操作人员可通过手动控制井下操作台面板按钮，控制各台水泵电机的起、停及各电动闸阀开关动作。
当出现水位超限、开关故障、压力下降、流量下降等故障时系统将自动停止运行，并发出声光报警信号。
2.2 显示及数据记录功能
系统能够实时动态模拟显示系统的整体运行状态，如水仓水位、水泵流量、水泵压力、电流及电动机、电动闸阀等的各种工作状态；可实时显示系统的故障信息，并发出报警；实时显示水位、流量、压力等模拟量的实时曲线，并将系统的各种参数状态、故障及开停时间统计等信息记录到数据库中。
2.3 检测与保护功能
系统保护包括电动机故障保护、电动闸阀故障保护、水泵启动保护等。水泵自动控制系统主要通过各种传感器，对水仓水位、排水管路流量、真空压力、水泵压力等信号进行实时检测，同时通过以太网把数据送至地面工控机，通过对数据的判断，完成水泵系统的检测和控制功能。
2.4 采用工业以太环网设计
系统采用工业以太环网设计，即方便系统扩展应用，又可以接入数字化矿山系统，并且工业以太网优势独特，易于网络管理。
3 系统软件设计
3.1 PLC程序设计
本系统选用德国西门子公司的SIMATIC S7-300系列PLC系统。PLC所用的编程语言是西门子开发的STEP7，这是一种可运行于通用微机中，在WINDOWS环境下进行编程的语言。通过STEP7编程软件，不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，甚至可以在线修改程序中变量的值。
系统的软件流程图如图2所示，从图中可以看出，系统开始启动后，首先初始化设定值，然后判断系统处于自动运行、手动运行、半自动运行三种运行方式中的哪一种，然后根据判断得到的结果进行相应的操作。如PLC处于自动运行方式时，则PLC根据程序流程顺序执行，自动完成水泵的启动、轮换、用电峰谷段判断、故障报警、停止等工作。如处于半自动运行方式下，则由人工选择哪台水泵投入运行，PLC根据水泵的泵号自动完成该台水泵的自动启动、运行和停止。而手动方式下，PLC不参与任何操作控制，全部由人工通过控制按钮来控制整个系统的运行。 3.2 上位机程序设计
上位机软件采用WinCC V6.0组态和实时监控软件。WinCC V6.0采用标准Microsoft SQL Server 2000数据库进行生产数据归档，同时具有Web浏览功能，可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好的调度指挥生产。作为SIMATIC全集成自动化的重要组成部分，WinCC确保与SIMATIC S7等系列PLC连接的方便和通讯的高效，它提供生成复杂的可视化任务的组件和函数，生成画面、脚本、报警、趋势和报表的编辑器由最基本的WinCC系统组件建立。
上位机监控画面主要由主界面、单台泵监控界面、趋势界面、历史数据表格界面、故障报警界面、参数设置界面等组成。主界面直观显示整个排水系统，实时显示水泵的运行状态、入水口真空度、出水口压力、电机工作电流、电压、电机温度、轴承温度、水仓水位和管路流量等参数。单台泵监控界面单独显示每台水泵的工作状态、报警信息、运行参数，对水泵的启动和停止进行控制，并具有故障复位按钮。趋势界面是以曲线的形式显示水泵轴温、电机温度等重要参数。历史数据表格是以表格的形式显示保存历史数据。故障报警是对系统运行过程中出现的故障进行报警，并可以保存报警类型及时间，以便查询故障记录。参数设置界面主要对系统各参数进行设置管理。
3.3 工业以太环网的建构
根据煤矿需求，煤矿综合信息自动化监控网络系统包括井下网络和井上网络两部分，均为环型工业以太网，通过核心交换机相连接。环型以太网为1000MB工业以太网，作为全矿主干网，为全矿各个子系统提供方便灵活的工业以太网接口，地面、井下子系统均可以方便接入，形成一个煤矿综合信息自动化控制系统的综合传输平台，可有效保证数据传输的实时性、可靠性、安全性，使网络具有较强的适应性和开放性。
以西门子SCALANCE X-400型交换机为骨干网交换机，MACH4002型交换机为网关交换机，其示意图如图3所示。
4 结语
该文基于PLC和以太环网的矿井泵房自动控制系统，实现了水泵性能及状态的在线实时监测、远程控制，以水仓水位为主，结合分时计费和“移峰填谷”原则，确定开停水泵时间，自动实现水泵的轮换工作，大大延长了水泵寿命，达到了节能、降耗的目的，取得了良好的经济效益。该系统通过以太网接入到矿井综合自动化系统中，方便进行综合管理，为井下安全生产提供了有力保障。
参考文献
[1] 刘增辉，赖英旭，赵伟.西门子S7-300PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2011.
[2] 李志红，王峰，闫晓雷.基于PLC的矿井中央泵房自动控制系统设计[J].煤矿机械，2010（3）：150-152.
[3] 孟国胜，白国宝，袁海宾.工业以太环网+三层物理网络结构的煤矿自动化网络平台[J].煤矿机电，2014（1）：136-138.
[4] 刘海波，卓邦远.PLC在煤矿带式输送机电控装置中的设计与应用[J].安徽科技，2008（8）：47-48.
关键词：工业以太网 PLC 自动控制系统 矿井泵房
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）10（a）-0090-02
矿井排水系统承担着排出井下涌水的重要任务，是矿井安全生产的关键环节，排水系统各种设备能否安全、可靠、有效的运行，关系到整个矿井的生产与安全。国家安全生产监督管理总局2009年12月1日实施的《煤矿防治水规定》第118条规定：受水威胁严重的矿井，应当实现井下泵房无人值守和地面远程监控，本系统正是根据此规定进行设计的。
1 系统组成
该系统主排水泵3台，二条排水管路，监控系统主要由上位机、组态编程软件、工业以太环网交换机、PLC控制器、传感器、阻燃通信电缆、阻燃通信光缆、分线盒等设备组成。传感器部分包括水位传感器、超声流量传感器、正、负压力传感器、温度传感器等。井下控制系统采用SIMATIC S7-300 PLC，并采用系统组成以太网的机制，从而避免了生产的停机危险，它通过两个并行的中央控制器实现，它们的CPU通过光纤连接，并通过冗余的PROROFBUS-DP线路对远程I/O进行控制。
控制系统总体结构分为：地面上位机部分和井下泵房监控站部分。
上位机部分由工控机和工业组态软件WinCC V6.0构成，用以实现水泵控制系统的地面监控与数据上传功能。上位机部分安装于地面集控室，向上通过工业以太环网及组态软件自带的OPC Server 软件接口向综合自动化平台提供实时数据，向下通过工业以太环网及OPC Clinet或光端机（光纤）与井下监控站进行实时通讯。
井下泵房监控站部分采用1台PLC控制器、3台子控制器及各种传感器等设备组成；PLC控制器监控站安装在泵房控制室内，主要完成控制现场各传感器信息采集与处理，并经光信号接口或RJ45接口接入现场工业交换机将信息传至地面上位机，同时接收上位机的控制信息，实现地面遥控井下水泵系统。
每台子控制器可实现单台水泵的手动控制，并在自动方式下接收PLC控制器总站下发的控制命令实现多台水泵的自动控制。现场的各种反馈信号（高爆开关、电动闸阀等的返回点）接入各子控制器。系统结构图如图1所示。
2 系统功能及实现
2.1 控制功能及实现
系统根据水仓水位信号自动开启、停止水泵的运转，并对运行中的各种状态参数进行实时监控，同时通过以太网把数据上传至地面上位机。设计中考虑以水仓水位为主，结合自动轮换和“避峰填谷”的原则，确定开、停各水泵时间。
根据监视水位信号，可设定低水位、高水位、上限水位和危险水位。一般情况低水位时停泵，高水位时水泵运行，但在用电高峰期时暂缓运行，上限水位时备用水泵同时运行，危险水位时，起动所有水泵投入运行。
系统对于泵站具有自动、半自动、手动控制三种工作方式，根据具体情况设置不同的控制状态。另外，每台水泵可设置“运行”、“备用”、“检修”三种工作模式，以便在故障状态下对系统和水泵进行检修，而不影响其他水泵的联锁控制。
在自动控制方式时，按照检测水位的高低及根据高峰或低谷用电时间，自动选择是否开泵，根据每台泵的累积运行时间，判断优先开哪台泵，水泵开启后，根据水位变化率及判断是否达到告警水位，从而选择需要开几台泵。半自动控制工作方式时，操作人员利用井下触摸屏或地面监控中心的监控主机，通过开/关2个按钮就可以控制水泵完成启停的所有工作。手动控制方式时，操作人员可通过手动控制井下操作台面板按钮，控制各台水泵电机的起、停及各电动闸阀开关动作。
当出现水位超限、开关故障、压力下降、流量下降等故障时系统将自动停止运行，并发出声光报警信号。
2.2 显示及数据记录功能
系统能够实时动态模拟显示系统的整体运行状态，如水仓水位、水泵流量、水泵压力、电流及电动机、电动闸阀等的各种工作状态；可实时显示系统的故障信息，并发出报警；实时显示水位、流量、压力等模拟量的实时曲线，并将系统的各种参数状态、故障及开停时间统计等信息记录到数据库中。
2.3 检测与保护功能
系统保护包括电动机故障保护、电动闸阀故障保护、水泵启动保护等。水泵自动控制系统主要通过各种传感器，对水仓水位、排水管路流量、真空压力、水泵压力等信号进行实时检测，同时通过以太网把数据送至地面工控机，通过对数据的判断，完成水泵系统的检测和控制功能。
2.4 采用工业以太环网设计
系统采用工业以太环网设计，即方便系统扩展应用，又可以接入数字化矿山系统，并且工业以太网优势独特，易于网络管理。
3 系统软件设计
3.1 PLC程序设计
本系统选用德国西门子公司的SIMATIC S7-300系列PLC系统。PLC所用的编程语言是西门子开发的STEP7，这是一种可运行于通用微机中，在WINDOWS环境下进行编程的语言。通过STEP7编程软件，不仅可以非常方便地使用梯形图和语句表等形式进行离线编程，而且在调试运行时，还可以在线监视程序中各个输入输出或状态点的通断状况，甚至可以在线修改程序中变量的值。
系统的软件流程图如图2所示，从图中可以看出，系统开始启动后，首先初始化设定值，然后判断系统处于自动运行、手动运行、半自动运行三种运行方式中的哪一种，然后根据判断得到的结果进行相应的操作。如PLC处于自动运行方式时，则PLC根据程序流程顺序执行，自动完成水泵的启动、轮换、用电峰谷段判断、故障报警、停止等工作。如处于半自动运行方式下，则由人工选择哪台水泵投入运行，PLC根据水泵的泵号自动完成该台水泵的自动启动、运行和停止。而手动方式下，PLC不参与任何操作控制，全部由人工通过控制按钮来控制整个系统的运行。 3.2 上位机程序设计
上位机软件采用WinCC V6.0组态和实时监控软件。WinCC V6.0采用标准Microsoft SQL Server 2000数据库进行生产数据归档，同时具有Web浏览功能，可使经理、厂长在办公室内看到生产流程的动态画面，从而更好的调度指挥生产。作为SIMATIC全集成自动化的重要组成部分，WinCC确保与SIMATIC S7等系列PLC连接的方便和通讯的高效，它提供生成复杂的可视化任务的组件和函数，生成画面、脚本、报警、趋势和报表的编辑器由最基本的WinCC系统组件建立。
上位机监控画面主要由主界面、单台泵监控界面、趋势界面、历史数据表格界面、故障报警界面、参数设置界面等组成。主界面直观显示整个排水系统，实时显示水泵的运行状态、入水口真空度、出水口压力、电机工作电流、电压、电机温度、轴承温度、水仓水位和管路流量等参数。单台泵监控界面单独显示每台水泵的工作状态、报警信息、运行参数，对水泵的启动和停止进行控制，并具有故障复位按钮。趋势界面是以曲线的形式显示水泵轴温、电机温度等重要参数。历史数据表格是以表格的形式显示保存历史数据。故障报警是对系统运行过程中出现的故障进行报警，并可以保存报警类型及时间，以便查询故障记录。参数设置界面主要对系统各参数进行设置管理。
3.3 工业以太环网的建构
根据煤矿需求，煤矿综合信息自动化监控网络系统包括井下网络和井上网络两部分，均为环型工业以太网，通过核心交换机相连接。环型以太网为1000MB工业以太网，作为全矿主干网，为全矿各个子系统提供方便灵活的工业以太网接口，地面、井下子系统均可以方便接入，形成一个煤矿综合信息自动化控制系统的综合传输平台，可有效保证数据传输的实时性、可靠性、安全性，使网络具有较强的适应性和开放性。
以西门子SCALANCE X-400型交换机为骨干网交换机，MACH4002型交换机为网关交换机，其示意图如图3所示。
4 结语
该文基于PLC和以太环网的矿井泵房自动控制系统，实现了水泵性能及状态的在线实时监测、远程控制，以水仓水位为主，结合分时计费和“移峰填谷”原则，确定开停水泵时间，自动实现水泵的轮换工作，大大延长了水泵寿命，达到了节能、降耗的目的，取得了良好的经济效益。该系统通过以太网接入到矿井综合自动化系统中，方便进行综合管理，为井下安全生产提供了有力保障。
参考文献
[1] 刘增辉，赖英旭，赵伟.西门子S7-300PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2011.
[2] 李志红，王峰，闫晓雷.基于PLC的矿井中央泵房自动控制系统设计[J].煤矿机械，2010（3）：150-152.
[3] 孟国胜，白国宝，袁海宾.工业以太环网+三层物理网络结构的煤矿自动化网络平台[J].煤矿机电，2014（1）：136-138.
[4] 刘海波，卓邦远.PLC在煤矿带式输送机电控装置中的设计与应用[J].安徽科技，2008（8）：47-48.