引言

    礦井水災，是煤礦常見的主要災害之一，如果不及時把生產中產生的礦井水排放出礦井，將給整個礦井的生產安全帶來嚴重的危害。目前大多數煤礦井下主排水系統的水泵開、停及選擇切換均由人工完成，不具備根據水位或其它參數自動開停水泵以及遠程監控等功能，少數安裝了自動排水設備的礦井，由于所采用的自動排水系統與礦井實際情況相脫節，以及控制系統抗干擾性弱，穩定性差，調試復雜等缺陷，導致排水設備運轉不理想，甚至有的已閑置或拆除。針對以上問題本設計采用模塊結構，利用PROFIBUS．DP現場總線技術，包括PROFIBUS．DP主站PC、PROFIBUS-DP從站PLC和ET200及現場設備超聲波液位傳感器、ATS48軟起動器等，實現了水倉水位的檢測監控。水泵的軟啟動，節約了能源、降低生產成本、提高了經濟效益，對防止水災事故發生具有重大意義。

1 系統總體設計

    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頂部，水倉水位設低、中、高三個水位，PLC通過循環掃描的方式不斷檢測超聲波液位傳感器的數據，計算出水倉液位的實際高度，與編程設定的液位對比。當液位為低時，不動作繼續檢測，當液位達到中時，3個泵以時間為周期循環工作，防止了因備用泵及其電氣設備或備用管路長期不用而使電機和電氣設備受潮出現故障；當達到高水位時，3個泵同時開啟并觸發聲光報警，同時通過ET200關閉防水密閉門。以上啟動過程中，任何一個泵發生故障將自動切換到下一個泵并將故障反應到監控畫面。與此同時，安裝在上位機上的組態軟件WinCC實時顯示并記錄水位高度及泵的啟停，并將記錄的數據歸檔，為日后的統計作準備。另外系統控制還設有自動、半自動和手動檢修3種工作方式，總體結構見圖2。

圖1礦井排水整體示意圖

圖2系統總體結構

    通訊上采用PROFIBUS．DP現場總線的主從方式，整個系統由PROFIBUS．DP主站安裝了WinCC的上位機、PROFIBUS．DP從站S7．200PLC、ET200及現場設備組成。上位機采用PC作為主站，主要實現監控功能和對水泵啟、停控制功能。上位機采用兩臺PC機互為備份，一臺作為主監控機，另一臺作為從監控機。當主監控機出現問題可以立即切換到另一臺作為主監控機。提高了系統的穩定性。下位機采用PLC加EM277通訊模塊和ET200作為現場控制站，即從站，實現對現場設備的控制、數據采集和反饋控制功能。上位機通過在普通PC機PCI插槽內增加CP561 1通訊卡與下位機通訊。

2系統硬件設計

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

2．1 S7．200PLC

    可編程邏輯控制器(PLC)是一種數字運算操作的電子系統，專為工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字式模塊式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。

本系統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個數字量I／O點，可連接2個擴展模塊。6 K字節程序和數據存儲空間，4個獨立的30 kHz高速計數器，2路獨立的20 kHz高速脈沖輸出。1個RS485通訊／編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協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，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問題，適合測量腐蝕的泥漿、污水、鹽酸等各種腐蝕性介質。量程為15 cm～5．48m，精度為正負0．25％滿量程，分辨率為3mm。其量程、精度滿足了監測高度為4 m的水倉要求。

2．3 EM235模擬量輸入模塊

    EM235是最常用的模擬鼉擴展模塊，它實現了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輸出是4~20 mA，DIP開關設置見表1。

表1 超聲波液位傳感器DIP開關設置

傳感器輸出電流為4～20 mA，模擬量的標準電信號是A0-Am(如：4-20 mA)，A／D轉換后數值為△0-A0(如：6 400-32000)，設模擬量的標準電信號是A，A／D轉換后的相應數值為△，由于是線性關系，可以表示為

2．4 EM277通訊模塊

    S7-200CPU必須通過PROFIBUS．DP模塊EM277連接到網絡，不能直接接入PROFIBUS網絡進行通信。EM277模塊在PRoFIBUS網絡中只能作為PROFIBUS從站出現。作為DP從站，EM277模塊接受從主站來的多種不同的I／O配置，向主站發送和接收不同數量的數據。這種特性使用戶能修改所傳輸的數據量，以滿足實際應用的需要。與許多DP站不同的是，EM277模塊不僅僅傳輸FO數據。EM277能讀寫S7-200CPU中定義的變量數據塊。這樣，使用戶能與主站交換任何類型的數據。

    組態時從站地址與EM277模塊設置對應，EM277模塊通過上面的旋轉開關設定的。在變動旋轉開關之后，用戶必須重新起動CPU電源，以便使新的從站地址起作用。

2．5軟啟動器

    為了避免電機全壓啟動時對電網的沖擊，延長電機使用壽命，該設計采用施奈德公司生產的ATS48軟起動器。該裝置可靠性高，性能完善，還具有電機綜合保護功能，采取了特殊的抗干擾措施，動作準確可靠，具有良好的過載、過流保護、斷相保護及漏電閉鎖保護等功能。

3 軟件設計

    系統程序設計采用模塊化、功能化結構，便于調試和擴展，主要由控制主程序、模擬量采集和計算、電機運行時間統計、3臺泵輪換、報警等子程序組成，重點在于控制主程序和輪換判斷程序，確保3臺泵的啟／停及相互間輪換。以3臺油泵的運行時間作為工作和備用泵輪換的判據，時間較長的2臺作為工作泵，時間較短的l臺作為備用泵。主要有西門子PLC編程軟件STEP7 MicroWINV4．0和西門子組態軟件WnCC。

3．1通信及網絡

    PROFIBUS是當前最為流行的現場總線技術之一，PRoFmUS．DP是經過優化的高速、廉價的通信連接，專為自動控制系統和設備級分散I／O之間通信設計，多用于分布式控制系統數據傳輸。

    系統采用SIEMENS S7．200系列PLC，加裝EM277模塊接入井下PROFIBUS主干網，采用2芯屏蔽雙絞線PROFIBUS電纜作為傳輸介質。上位機軟件STEP7 MicrowIN V4．0通過PROFIBUS電纜和PLC進行串口通信，可以方便的實現程序的上載、下載、運行、停止等功能。組態軟件WinCC建立友好的實時操作界面，通過在普通PC機PCI插槽內增加CP561l通訊卡與下位機PLC通訊，實現對水倉水位實時監控。

3．2軟件設置

(1)組態

    打開SIMATIC NETCOM Profibus，新加一個組態，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，這里主站地址為設置1，從站地址3與EM277的地址一致。然后用該軟件對從站進行配置：打開從站屬性，在Configure選項中，選擇8bytes in／8bytes out(可根據實際需要選定)，在Parameterize中可以選擇偏移地址，地址對應于S7．200系列PLC的數據區(即V區)，默認為0，即從VB0開始。組態完成后，導出(Export)NCM

圖4 實時趨勢畫面

圖5 實時報表界面

    圖4和圖5為實時趨勢及報表畫面實時顯示水倉水位、CPU及RAM的利用率，并把這些數據歸檔記錄。

5結論

    實驗室模擬證明采用PLC.現場總線和監控組態技術設計的礦井水倉水位監測監控系統是可行的。

    采用先進的PRQFIBUS現場總線技術實現分布式控制，網絡速度快、可靠性高、開放性好、抗干擾能力強。以組態軟件WinCC編寫的人機界面友好直觀、功能完善、易操作。利用軟啟動器啟動電機，提高了安全性、延長了電機的使用壽命。另外，由于軟硬件均采用模塊化結構，安裝、調試和設備維護簡單方便。應用于煤礦一定能夠提高生產效率和管理水平，為煤礦安全高效運行提供保證。