S7-1200 PLC 在智能化礦山泵站中的應(yīng)用

王貴根，莫州寒，付艷龍

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

城門山銅礦露天采場(chǎng)處于賽城湖湖畔，水文條件復(fù)雜，采區(qū)地下涌水并形成工業(yè)廢水，需要及時(shí)排出以保障采礦作業(yè)的順利進(jìn)行。目前，采場(chǎng)各泵站的運(yùn)行管理方式均為人工控制的方式。為改變現(xiàn)有狀況，城門山銅礦正在推進(jìn)智能化礦山建設(shè)，通過信息化和自動(dòng)化［4］的融合，對(duì)采場(chǎng)各泵站進(jìn)行智能化改造。

以+30排土場(chǎng)泵站為例進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)［2］改造說明。如圖1所示，排土場(chǎng)泵站排水系統(tǒng)由2套排水設(shè)備、1條排水管路及相應(yīng)輔助設(shè)備組成。水泵由2臺(tái)300WFB-AD4離心式自吸泵組成，泵吸水管安裝DN200底閥，出水管安裝DN200閘閥，管路由2根DN200玻璃鋼管用三通連接匯成1路DN300鋼骨架復(fù)合管，輸送至選廠污水調(diào)節(jié)庫，全程約1100m。為了防止管道泄漏，工業(yè)廢水流入周邊湖泊造成環(huán)境污染，在排水管道上安裝一旁通管，當(dāng)主管道破損泄漏時(shí)打開旁通管道閘閥，把工業(yè)廢水導(dǎo)入排土場(chǎng)蓄水池。水泵啟動(dòng)采用軟啟動(dòng)器。

2 系統(tǒng)改造方案設(shè)計(jì)

+30排土場(chǎng)泵站的自動(dòng)控制系統(tǒng)改造，需要建立大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控的控制順序、邏輯以及各種故障自動(dòng)處理機(jī)制。如何解決以上問題，保障泵站無人值守時(shí)的正常運(yùn)行，是本次改造方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。通過對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)功能與邏輯的精準(zhǔn)定位，同時(shí)選擇市面上成熟、可靠的硬件產(chǎn)品是比較好的解決方式。

為實(shí)現(xiàn)泵站無人值守的要求，系統(tǒng)需具備如下功能：

（1）建立全無人值守、定期專業(yè)巡檢的構(gòu)架，依據(jù)水倉水位、“移峰填谷”、“均勻磨損”等原則，遠(yuǎn)程控制啟停水泵，減少泵房操作人員，規(guī)范水泵操作流程，降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

（2）具備液位變化分析功能，能實(shí)時(shí)分析水倉涌水情況，當(dāng)涌水異常時(shí)，系統(tǒng)需發(fā)出預(yù)警信號(hào)并自動(dòng)啟動(dòng)水泵排水，降低風(fēng)險(xiǎn)。

（3）具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泵組的運(yùn)行狀況，保護(hù)泵組正常運(yùn)行的同時(shí)對(duì)泵組進(jìn)行“故障診斷”，提供診斷結(jié)果，同時(shí)及時(shí)提醒使用人員進(jìn)行相關(guān)的設(shè)備檢修與維護(hù)，提高設(shè)備的使用壽命與運(yùn)行效率。

為實(shí)現(xiàn)以上功能，該控制系統(tǒng)采用西門子S7-1200 PLC［1］為控制核心，采用TPC 1061Ti觸摸屏做人機(jī)交互界面，對(duì)排土場(chǎng)排水泵、排水閥、潛水泵、排氣閥等設(shè)備進(jìn)行控制與監(jiān)控，同時(shí)通過增加相應(yīng)的檢測(cè)儀表對(duì)水倉水位進(jìn)行控制，并對(duì)泵組溫度、振動(dòng)、壓力、流量、電流、pH值等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行電氣化改造，并增加必要的傳感儀表進(jìn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，通過現(xiàn)場(chǎng)過程控制柜內(nèi)的PLC系統(tǒng)檢測(cè)排水泵、排水閥、潛水泵、排氣閥的狀態(tài)信號(hào)，實(shí)時(shí)采集溫度、振動(dòng)、壓力、流量、電流、pH值等信號(hào)，通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)，并顯示在觸摸屏上。

3.1 檢測(cè)儀表的選擇

由于+30排土場(chǎng)泵站設(shè)備處于露天狀態(tài)，外部環(huán)境比較惡劣，檢測(cè)儀表必須滿足輸出信號(hào)線性好、精度高、防高溫及雨雪等要求，本系統(tǒng)所采用的檢測(cè)儀表的具體型號(hào)與測(cè)量范圍如表1所示。

3.2 控制設(shè)備的選擇

現(xiàn)場(chǎng)過程控制是實(shí)現(xiàn)泵組自動(dòng)控制［3］的核心。由于泵組的啟泵過程涉及到關(guān)閉閘閥、灌引水、開啟啟動(dòng)柜、開啟閘閥等一系列過程，在這些過程中還要及時(shí)的監(jiān)視流量開關(guān)、壓力、流量、電流、潛水泵狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)、閘閥狀態(tài)一系列參數(shù)，用于判斷泵組是否運(yùn)行正常?，F(xiàn)場(chǎng)過程控制站通過合理的電氣設(shè)計(jì)，以及程序的編制，實(shí)現(xiàn)泵組的單體控制、聯(lián)動(dòng)控制與全自動(dòng)控制。

表1 檢測(cè)儀表選擇

由于PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能完善、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，且本次設(shè)計(jì)的排水泵站控制系統(tǒng)控制需要實(shí)現(xiàn)無人值守的功能，對(duì)可靠性、穩(wěn)定性要求較高，因此選用使用靈活、功能強(qiáng)大、可滿足各種需求的西門子S7-1200 -CPU1214-AC/DC/RLY型PLC，可以滿足控制的要求。

根據(jù)所控制的對(duì)象與需采集的參數(shù)，需配備相應(yīng)的采集模塊、通訊模塊，同時(shí)對(duì)原有電氣控制回路，實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與控制，表2是本次S7-1200系列模塊配置數(shù)量。

表2 S7-1200系列模塊配置

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 程序控制邏輯

為實(shí)現(xiàn)+30排土場(chǎng)泵站的無人值守，系統(tǒng)需在實(shí)現(xiàn)各單體設(shè)備控制的基礎(chǔ)上，采用順序控制實(shí)現(xiàn)單泵組的聯(lián)動(dòng)啟停，再根據(jù)水倉水位與pH值的高低實(shí)現(xiàn)泵組的全自動(dòng)控制。

單體設(shè)備的控制主要是指對(duì)補(bǔ)水潛水泵、排氣電動(dòng)球閥、主排水泵、排水閘閥的控制。

順序控制是指先啟動(dòng)補(bǔ)水潛水泵、打開排氣電動(dòng)球閥對(duì)主排水泵進(jìn)行補(bǔ)水。當(dāng)補(bǔ)水完成泵腔內(nèi)充滿水后，關(guān)閉排氣電動(dòng)球閥，啟動(dòng)主排水泵；當(dāng)排水泵正常上水，建立起排水壓力后，關(guān)閉補(bǔ)水潛水泵，打開排水閘閥；當(dāng)排水閘閥全開到位，電機(jī)電流、排水流量數(shù)據(jù)正常后，泵組進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)，在運(yùn)行過程中接收到停泵信號(hào)后，先關(guān)閉排水閘閥，再停止主排水泵。

全自動(dòng)控制［5］是指系統(tǒng)根據(jù)兩臺(tái)泵組的狀況，根據(jù)水位情況以及泵組的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，自動(dòng)選擇相對(duì)時(shí)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)間較短的泵，當(dāng)泵組故障時(shí)能自動(dòng)切除故障泵組，并投入后備泵組進(jìn)行排水。

4.2 功能塊FB的設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)共有模擬量處理、電機(jī)控制塊、閘閥控制塊、球閥控制塊、時(shí)間累加，流量累加等子功能塊，主要介紹以下幾個(gè)功能塊。

（1）模擬量處理。

模擬量處理主要是將PLC采集的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成工程量，該程序塊主要是用到模擬量處理公式：

OUT = [(HI_LIM - LO_LIM)*(IN - Isl)/(Ish - Isl)]+ LO_LIM；

其中：OUT: 換算結(jié)果、IN: 換算對(duì)象、HI_LIM: 換算結(jié)果的高限、LO_LIM: 換算結(jié)果的低限、Ish: 換算對(duì)象的高限、Isl: 換算對(duì)象的低限。

在此基礎(chǔ)上，通過增加模擬量高高、高、低、低低報(bào)警參數(shù)設(shè)置可實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警功能，通過增加零點(diǎn)設(shè)置可實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)校準(zhǔn)功能。

（2）閘閥控制塊。

圖1 閥閥控制IO引腳

閘閥控制塊主要是在采集閘閥全開、全關(guān)、過矩、跳閘、閃動(dòng)信號(hào)以及閘閥開關(guān)一次的時(shí)長(zhǎng)，通過程序的邏輯控制，實(shí)現(xiàn)閘閥的打開與關(guān)閉，同時(shí)將閘閥的狀態(tài)信號(hào)與控制信號(hào)打包傳輸至上位監(jiān)控系統(tǒng)。

（3）時(shí)間累加。

時(shí)間累加程序主要是利用Kahan求和公式進(jìn)行計(jì)算，用來避免大數(shù)吃小數(shù)的情況發(fā)生。

圖2 Kahan求和公式

4.3 全自動(dòng)控制功能塊

全自動(dòng)控制主要通過時(shí)間排序、泵組順控、自動(dòng)控制等功能塊來實(shí)現(xiàn)。

時(shí)間排序功能塊主要是指通過采集泵站內(nèi)泵組在一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行時(shí)間，通過冒泡計(jì)算，將泵組的運(yùn)行時(shí)間從大到小排序，同時(shí)根據(jù)泵組的遠(yuǎn)程、運(yùn)行、投切、故障狀態(tài)，輸出啟泵號(hào)與停泵號(hào)。

泵組順控是指通過順序控制邏輯，實(shí)現(xiàn)泵組的一鍵啟動(dòng)與泵組的一鍵停止功能，在此過程中只需點(diǎn)擊一個(gè)按鈕，即可完成單泵組的啟停功能。

自動(dòng)控制是指通過采集水位信號(hào)，根據(jù)所設(shè)置的停泵水位、單泵水位、雙泵水位、超限水位等參數(shù)，根據(jù)不同的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)泵組的全自動(dòng)運(yùn)行。

5 應(yīng)用效果

城門山智能化礦山各泵站實(shí)施自動(dòng)化改造以后，取得了比較好的應(yīng)用效果。一是可以從根本上解決生產(chǎn)效率不高、人員不足等問題；二是可以完善原有系統(tǒng)設(shè)備的檢測(cè)缺陷，通過遠(yuǎn)程及時(shí)判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)在線狀態(tài)檢測(cè)，可以有效地推進(jìn)設(shè)備預(yù)防維修，避免設(shè)備故障的擴(kuò)大化，減少系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)的影響程度；三是可以改善職工的工作環(huán)境，取消部分現(xiàn)場(chǎng)崗位工，降低設(shè)備運(yùn)行成本，同時(shí)提升設(shè)備自動(dòng)化、信息化的水平。

圖3 城門山無人值守子系統(tǒng)主畫面

6 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用西門子S7-1200系列PLC，采用博途V14 SP1編程軟件編程，采用觸摸屏［6］TPC 1061Ti對(duì)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控與調(diào)節(jié)，使用順序控制邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)排水泵站的聯(lián)動(dòng)啟停，其于S7-1200的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)了礦山泵站設(shè)備的集中管控、達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)無人值守，減少了操作人員，改善了職工的工作環(huán)境，提升了設(shè)備自動(dòng)化、信息化的管理水平，給企業(yè)帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)城門山銅礦后續(xù)泵站的智能化改造具有借鑒意義。