西门子S7-300 PLC在泵房水泵自动监控系统中的实际应用

1  引言   
随着煤矿近年来现代化的管理水平迅速提高，信息化建设的步伐也不断加快。为保障煤炭的安全生产、提高全矿的生产效益，必须保证排水系统可靠、稳定、合理的运行。某采区泵房是主要采区泵房，担负着几个采区每小时300m3的排水任务，及时发现水泵运行系统中存在的隐患，对水泵实行数字化监控水泵的运行，同时监控泵房水仓的水位，为矿各级领导和职能管理部门及时准确地掌握水泵实时运行状态，对采区泵房水泵建立一套水泵监控系统十分必要。
2  系统的主要组成部分和实现的功能
泵房共有4台型号为200D43X8的多级泵，每台轴功率为334kW，扬程为344m，流量为280立方米/小时，转速为1480rpm，配套电机功率为500kW，供电电压为6000V;4台真空泵，用于水泵启动是抽真空用(自动灌引水)，极限真空为8000Pa，流量:3m3/min，转速为1450rpm，功率5.5kW，配套电机功率为5.5kW，转速1440rpm。
系统主要设备组成如图1所示。

图1     系统主要设备
2.1  PLC隔爆控制箱  
本系统选用西门子公司的S7-300型可编程控制器。
S7-300是模块化的中小型PLC，采用模块式结构,它具有系统容量大、扩充方便、各种功能模块齐全、指令功能强、高速、坚固、通信能力强、操作方便等特点,特别适合于工业环境及电气干扰环境。本系统PLC由电源模块、中央处理单元CPU313C-2DP、以太网通信模块CP343-1、模拟量输入模块SM331、数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322等组成。PLC自动检测水位信号，根据水位的不同位置，自动投入和退出水泵运行台数，合理地调度水泵运行，并根据排水压力和流量、电流、电压、振动、温度等信息判断水泵、电机等运行是否正常。
2.2  高压开关微机保护单元
高压开关采用GSB-2型综合保护装置，该装置以DSP芯片TMS320F240为CPU，采用交流采样直接测量电网二次测交流信号,具有遥测、遥信、遥控功能，配置的人机接口，可远程设置综合保护整定参数，LED数码管实时显示监测的电压、电流、有功功率、功率因数和电度参数，指示灯实时显示运行状态、分闸状态、故障状态等信息。
2.3  地面监控站
选用研华IPC610计算机，并配以上位机组态软件，动态监控水泵及其附属设备的运行状况，实时显示水位、流量、压力、温度、电流、电压等参数，超限报警，故障点自动闪烁。具有故障记录，历史数据查询等功能，并可实现遥测、遥控功能。并配置一台UPS电源，以保证系统的连续运行。
2.4  变送器
将现场实时参数转化为可以采集的电信号。在本系统中设置有液位、温度、振动、电量、流量和压力等变送器。
2.5  通讯网络
第一个通讯网络LC与人机界面间的通讯。通讯采用MPI方式，速率为:187.5kbps两者可以周期性的交换少量的数据，在本系统中该通讯完成将PLC中处理后的现场的各种运行数据送就地人机界面显示，同时可以将人机界面输入的控制命令送到PLC，控制设备的运行。
第二个通讯网络:由于现场接线比较多，将控制箱分为主控制箱与分控制箱(ET200远程终端)，两者采用Prifobus总线通讯。PROFIBUS是为全集成自动化定制的开放的现场总线系统，他将现场设备连接到控制装置，并保证在各个部件之间的高速通信，从I/O传送信号到PLC的CPU模块只需毫秒级的时间。
第三个通讯网络LC与矿调度室间通讯。在PLC上扩展一个工业以太网模块CP343-1，并在监控计算机上安装通讯卡，如CP5613等。两者连接可组成一个比较简单的工业以太网。在本系统中该通讯完成将现场的设备状态、运行数据、故障信息等所有设备信息参数通过矿信息化的千兆以太网送到总调度室上位机，同时将上位机的控制指令送PLC。
2.6  其它执行元件
电动阀门、电磁阀、急停开关、按钮等。
3  软件设计
本系统的软件主要由2大部分组成:上位机监控软件和现场PLC监控软件。
3.1  上位机监控软件设计
上位机监控软件选用西门子公司的组态软件—Wincc6.0版，该组态软件运行于Windows环境，结合了西门子在自动化领域的先进技术和微软公司领先的软件技术，为我们提供了一种高效、开放的组态开发环境。在本系统中它完成实时数据处理、显示并定时记录泵房控制PLC和高压开关微机保护装置的数据，并能够自动生成运行参数的日报表、月报表和年报表;当现场设备有动作或出现故障时能够自动弹出报警画面并语音提示，给值班人员警示。允许远程控制操作时，在紧急情况下值班人员可以用自己的操作密码远程控制各水泵的运行。
3.2  下位机监控软件设计
下位机软件设计主要为PLC监控软件的设计,在本系统中为重要软件设计部分。该系统软件的开发环境为SIEMENS SIMATIC STEP7 V5.2编程软件，用模块式结构程序方式编程，这样既可增强程序的可读性，方便调试和维护工作，又能使数据库结构统一，方便WINCC组态时变量标签的统一编制和设备状态的统一。程序主要分为:通讯子程序、水泵控制子程序、数据处理子程序、保护功能处理子程序等。其中水泵启停子程序简要流程如图2所示:

图2     水泵启停子程序简要流程图
4  结束语
本控制系统投入运行来，一直稳定可靠，故障率低，维修量小，并具有如下的优点:
(1) 自动化程度高，同时具有自动、手动控制方式, 两种方式互为备用。
(2) 合理的使用4台电机，使其循环工作，在保证有备用的情况下，延长了每台电机的使用寿命。
(3) 设备有完善的故障判断功能，可为操作人员迅速排除故障提供方便。
(4) 系统的输出数据完整，准确，极大的方便了管理。