介绍了矿山井下中央泵房排水自动化系统模块化设计的构思 。 应用西门子S7- - 200PLC 对水泵进行模块化 设计， ， S7- - 300PLC 作为主站统一采集数据并跟上位机进行通讯 。提高了矿山井下中央泵房排水自动化系统的安全性 。

　　0 前言

　　现有国内矿山井下中央泵房排水自动化系统多采用集中控制方式，多台水泵综合信息统一传送至 PLC 的 CPU，由 CPU 处理信息然后发出控制指令，一旦 CPU 出现故障，则整个自动化系统瘫痪，无法达到自动控制的目的。我公司研发的模块化设计是基于每台水泵为一个分站控制系统，单独的 CPU，水泵的控制及信号采集为模块化程序，单台水泵系统出现问题不会影响整个系统的运行，为矿山中央泵房排水自动运行排除了重大隐患。

　　1 系统硬件方案设计

　　1.1 方案的设计与比较

　　(1)传统设计：集中式

　　现场所有信号，包括水仓水位、主管流量、水泵温度、电机温度、水泵振动、真空度、出口压力、电机电参数(包括三相电压、电流、有功功率、效率、功率因素)、启动柜状态反馈、各阀门状态反馈、启动柜控制信号、各阀门控制信号等全部接入一台集中控制柜，系统示意图见图 1;

　　图 1(以 2 台水泵为例)

　　自动控制上位机

　　PLC集中控制柜

　　现场传感器信号

　　1#泵启动柜 1#电动闸阀 2#泵启动柜

　　多线制

　　开关量

　　多线制开关量接口

　　网络交换机

　　光纤

　　现场传感器信号

　　此类设计方式采用集中控制方式,所有信号进入集中控制柜,由 PLC 分析处理信号并与井上上位机通讯,成本稍低,但是因电缆进入/出数量巨大,柜内线束很多,尤其是过了一段时间后由于井下环境恶劣,柜内线号都难以分清,检修维护极其不便;由于只是一套 PLC在参与控制,当任一模块或 CPU 出现故障时整套自动化系统都将瘫痪,存在巨大的隐患。

　　(2)新采用方式：模块化设计

　　此类设计方法核心为以单台水泵为控制核心，每台就地控制柜内均设有西门子S7-200系列 PLC，内含 CPU 及信号模块，集中控制柜内设另一 CPU，功能为与就地控制柜 CPU 及井上上位机通讯，每台水泵的所有信号全部进入对应的就地控制柜。当集中控制柜 CPU 出现故障或通讯回路故障时，单台水泵自动运行仍然不会受影响，不影响水仓正常排水，大大减小了自动化系统的故障隐患。系统示意图见图 2。

　　图 2(以 2 台水泵为例)

　　此种方式虽然多加了 CPU 数量，但是由于降级采用了 S7-200 系列的 CPU 及模块，成本相对于集中式反而降低了，由于每台水泵的数据采集及控制均为单独控制，互不干扰，且因为模块化设计，每台就地控制柜设计均为一致，可以互换，极大的提高检修及维护效率。

　　2 系统的软件设计

　　2.1 自动控制逻辑程序

　　工业电视监控系统

　　自动控制上位机

　　以太网交换机

　　井下光纤环网

　　水仓液位信号

　　1#现场传感器信号 1#出水闸阀

　　1#就地控制柜

　　1#高压电抗柜

　　2#现场传感器信号 2#出水闸阀

　　2#就地控制柜

　　2#高压电抗柜

　　485通讯信号

　　Profibus通讯信号

　　硬连接 硬连接

　　1#现场摄像机 2#现场摄像机

　　3#现场摄像机

　　4#现场摄像机

　　2.1.1 组网

　　每台水泵就地控制柜内装有 EM277 profibus 通讯模块,他们与集中控制柜内的S7-300CPU 组成一个 profibus 网络,可以互相采集数据及发送命令;

　　2.1.2 控制

　　单台水泵信号: 水泵温度、电机温度、水泵振动、真空度、出口压力、电机电参数(包括三相电压、电流、有功功率、效率、功率因素)、启动柜状态反馈、水泵各相关阀门状态反馈、启动柜控制信号、各阀门控制信号全部通过 profibus 通讯送入集中控制柜;在集中控制柜内CPU没有出现故障情况下,由此CPU控制所有水泵及阀门的自动开停,此控制程序为标准化程序。当集中控制柜 CPU 出现故障时，就地控制柜内 CPU 检测到主 CPU 故障后，默认1#水泵就地控制柜内 CPU 为主 CPU，每台水泵就地控制柜内自动控制程序均相同，此时由 1#水泵控制柜内 PLC 控制整个自动控制流程;如果 1#水泵就地控制柜内 PLC 也出现问题，则系统自动转到下一个就地控制柜担任主控;这样就实现了自动控制不会因为系统的故障而停止运行;

　　2.2 其他标准功能

　　一下功能为标准功能块程序，全部存在于集中控制柜内CPU 及各就地控制柜内 CPU 内，由主 CPU 调取。共分为：避峰就谷、均匀磨损、故障自诊断及语音报警、紧急情况预警及处理部分;

　　2.2.1 避峰就谷

　　避峰填谷原则是指煤矿生产过程中，针对不同时段采用不同电价的区别电价政策。一般来说在白天用电高峰的时候电价比较高;夜间则电价比较低。针对这一实际情况在高电价时间段将一台、两台水泵的启动水位增加一个修正值：△H，△H>0，即将水位向上修正，这样就达到了在白天减少水泵启动时间的作用 。

　　2.2.2 均匀磨损

　　由于水泵、阀门等机械产品对使用频率是有要求的，即不可以长期连续使用，也不可以长期不使用。如果长期连续使用会造成设备疲劳，如果长期不使用可能造成设备锈蚀。这样就提出了一个均匀磨损的概念，根据每台泵组的使用情况做到循环运行，实现均匀磨损的运行原则;

　　2.2.3 故障自诊断及语音报警

　　(1)一级语音报警显示功能：当故障为重故障，如：电气控制开关跳闸时主菜单必须有报警功能，判断故障大概位置，是水泵机械问题引起，还是电气故障引起。属电气故障时，

　　二级子菜单应弹出是市电失电，还是馈电柜、启动柜、PLC 柜故障引起跳闸。三级子菜单应给出具体的元器件损坏部位，如：是馈电柜跳闸时，应播报馈电柜跳闸故障类型，即属过流、速断、失电、漏电、开关闭合不好等故障引起。

　　(2)二级显示功能：当机械及电气设备元器件出现轻故障，暂时不影响设备正常运转，

　　不需要立刻停机时，可通过显示屏幕上弹出故障类别及具体故障元器件位置，如：真空度不够，电机绝缘程度降低，闸阀关不密等轻故障。

　　(3)三级一般提示功能：属日常维护、检修等自诊断功能。如：轴承温度过高、水泵运转效率偏低等故障出现，以及定期加油提醒，只在屏幕上提示即可。

　　2.2.4 急情况预警及处理

　　通过检测本水平水仓进水量的变化率，对本水平的透水事故进行预警，在确认进入紧急状态模式后，系统以最快速度将允许启动的所有水泵开启，以最大排水量进行排水。

　　3 结语

　　通过对矿山井下中央泵房排水自动化系统进行模块化设计后,极大的提高了故障的应对能力,使自动化在井下的应用更加成熟可靠,同时也极大的方便了检修就维护。总之，模块化设计的使用必将提高煤矿自动化水平，对矿井安全生产具有极大的意义。