S7-300 PLC在泵房水泵自動監控系統中的應用

1 引言
隨著煤礦近年來現代化的管理水平迅速提高，信息化建設的步伐也不斷加快。為保障煤炭的安全生產、提高全礦的生產效益，必須保證排水系統可靠、穩定、合理的運行。某采區泵房是主要采區泵房，擔負著幾個采區每小時300m3的排水任務，及時發現水泵運行系統中存在的隱患，對水泵實行數字化監控水泵的運行，同時監控泵房水倉的水位，為礦各級領導和職能管理部門及時準確地掌握水泵實時運行狀態，對采區泵房水泵建立一套水泵監控系統十分必要。

2 系統的主要組成部分和實現的功能
泵房共有4臺型號為200D43X8的多級泵，每臺軸功率為334kW，揚程為344m，流量為280立方米/小時，轉速為1480rpm，配套電機功率為500kW，供電電壓為6000V;4臺真空泵，用于水泵啟動是抽真空用(自動灌引水)，極限真空為8000Pa，流量:3m3/min，轉速為1450rpm，功率5.5kW，配套電機功率為5.5kW，轉速1440rpm。
系統主要設備組成如圖1所示。

圖1 系統主要設備
2.1 PLC隔爆控制箱
本系統選用西門子公司的S7-300型可編程控制器。
S7-300是模塊化的中小型PLC，采用模塊式結構,它具有系統容量大、擴充方便、各種功能模塊齊全、指令功能強、高速、堅固、通信能力強、操作方便等特點,特別適合于工業環境及電氣干擾環境。本系統PLC由電源模塊、中央處理單元CPU313C-2DP、以太網通信模塊CP343-1、模擬量輸入模塊SM331、數字量輸入模塊SM321和數字量輸出模塊SM322等組成。PLC自動檢測水位信號，根據水位的不同位置，自動投入和退出水泵運行臺數，合理地調度水泵運行，并根據排水壓力和流量、電流、電壓、振動、溫度等信息判斷水泵、電機等運行是否正常。
2.2 高壓開關微機保護單元
高壓開關采用GSB-2型綜合保護裝置，該裝置以DSP芯片TMS320F240為CPU，采用交流采樣直接測量電網二次測交流信號,具有遙測、遙信、遙控功能，配置的人機接口，可遠程設置綜合保護整定參數，LED數碼管實時顯示監測的電壓、電流、有功功率、功率因數和電度參數，指示燈實時顯示運行狀態、分閘狀態、故障狀態等信息。
2.3 地面監控站
選用研華IPC610計算機，并配以上位機組態軟件，動態監控水泵及其附屬設備的運行狀況，實時顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數，超限報警，故障點自動閃爍。具有故障記錄，歷史數據查詢等功能，并可實現遙測、遙控功能。并配置一臺UPS電源，以保證系統的連續運行。
2.4 變送器
將現場實時參數轉化為可以采集的電信號。在本系統中設置有液位、溫度、振動、電量、流量和壓力等變送器。
2.5 通訊網絡
第一個通訊網絡:PLC與人機界面間的通訊。通訊采用MPI方式，速率為:187.5kbps兩者可以周期性的交換少量的數據，在本系統中該通訊完成將PLC中處理后的現場的各種運行數據送就地人機界面顯示，同時可以將人機界面輸入的控制命令送到PLC，控制設備的運行。
第二個通訊網絡:由于現場接線比較多，將控制箱分為主控制箱與分控制箱(ET200遠程終端)，兩者采用Prifobus總線通訊。PROFIBUS是為全集成自動化定制的開放的現場總線系統，他將現場設備連接到控制裝置，并保證在各個部件之間的高速通信，從I/O傳送信號到PLC的CPU模塊只需毫秒級的時間。
第三個通訊網絡:PLC與礦調度室間通訊。在PLC上擴展一個工業以太網模塊CP343-1，并在監控計算機上安裝通訊卡，如CP5613等。兩者連接可組成一個比較簡單的工業以太網。在本系統中該通訊完成將現場的設備狀態、運行數據、故障信息等所有設備信息參數通過礦信息化的千兆以太網送到總調度室上位機，同時將上位機的控制指令送PLC。
2.6 其它執行元件
電動閥門、電磁閥、急停開關、按鈕等。

3 軟件設計
本系統的軟件主要由2大部分組成:上位機監控軟件和現場PLC監控軟件。
3.1 上位機監控軟件設計
上位機監控軟件選用西門子公司的組態軟件—Wincc6.0版，該組態軟件運行于Windows環境，結合了西門子在自動化領域的先進技術和微軟公司領先的軟件技術，為我們提供了一種高效、開放的組態開發環境。在本系統中它完成實時數據處理、顯示并定時記錄泵房控制PLC和高壓開關微機保護裝置的數據，并能夠自動生成運行參數的日報表、月報表和年報表;當現場設備有動作或出現故障時能夠自動彈出報警畫面并語音提示，給值班人員警示。允許遠程控制操作時，在緊急情況下值班人員可以用自己的操作密碼遠程控制各水泵的運行。
3.2 下位機監控軟件設計
下位機軟件設計主要為PLC監控軟件的設計,在本系統中為重要軟件設計部分。該系統軟件的開發環境為SIEMENS SIMATIC STEP7 V5.2編程軟件，用模塊式結構程序方式編程，這樣既可增強程序的可讀性，方便調試和維護工作，又能使數據庫結構統一，方便WINCC組態時變量標簽的統一編制和設備狀態的統一。程序主要分為:通訊子程序、水泵控制子程序、數據處理子程序、保護功能處理子程序等。其中水泵啟停子程序簡要流程如圖2所示:

圖2 水泵啟停子程序簡要流程圖

4 結束語
本控制系統投入運行來，一直穩定可靠，故障率低，維修量小，并具有如下的優點:
(1) 自動化程度高，同時具有自動、手動控制方式, 兩種方式互為備用。
(2) 合理的使用4臺電機，使其循環工作，在保證有備用的情況下，延長了每臺電機的使用壽命。
(3) 設備有完善的故障判斷功能，可為操作人員迅速排除故障提供方便。
(4) 系統的輸出數據完整，準確，極大的方便了管理。