矿井水处理监控系统的设计与应用.pdf

2 0 0 7年第5期 煤矿机 电 1 9 矿井水处理监控系统 的设计与应用 崔东锋 ， 周如禄 ， 朱留生， 张义龙 煤炭科学研究总院 杭州环境保护研究所 ， 浙江 杭州 3 1 1 2 0 1 摘要 根据某煤矿矿井水处理工艺特点， 采用西门子 S 7 ． 3 0 0 P L C作为下位机、 Wi n c e 6 ． 0作为上 位机监控软件组成的监控系统， 实现了自动加药和 自 动排泥。重点分析了系统的工作原理、 硬件组 成、 软件设计及调试等。系统投入运行近一年， 稳定可靠、 效果 良好。 关键词 矿井水；P L C控制； Wi n c e组态软件 中图分类号 7 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 0 8 7 4 2 0 0 7 0 5 0 0 1 9 0 3 De s i g n a n d Ap p l ic a t i o n o f Mo n i t o r i n g S y s t e m t o Mi n e W a t e r T r e a t me n t C U ／ D o n g - f e n g， Z H O UR u l u ，Z H UL i u s h e n g ， Z H A N G Y i l o n g H a n g z h o u I n s t i t u t e o f E n v i r o n me n t a l P r o t e c t i o n ，C h i n a C o al R e s e a r c h I n s t i t u t e ，H a n g z h o u 3 1 1 2 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f mi n e w a t e r t r e a t me n t i n a c e r t a i n c o a l mi n e a n d b y u s i n g t h e mo n i t o rin g s y s t e m c o mp o s e d o f S i e me n s 7 - 3 0 0 P L C a s u p p e r ma c h i n e a n d Wi n c c 6 ． 0 a s mo n i t o ri n g s o f t wa r e f o r t h e u p p e r ma c h i n e，t h e p a pe r a n a l y z e s t h e wo r k i n g p rin c i p l e，hard ware c o mp o n e n t ，s o f t wa r e d e s i g n a n d d e b u g g i n g o f t h e s y s t e m ．T he s y s t e m p r o v e s s t a b l e a n d r e l i a b l e i n o p e r a t i o n a n d s h o ws a g o o d e f f e c t o f a p p l i c a t i o n． Ke y wo r d s mi n e w a t e r ；P L C c o n t r o l ；Wi n c c c o n f i g u r a t i o n s o ft w a r e 1 系统原理 矿井水是煤炭工业生产过程中产生的外排废 水 ， 未经处理直接外排会对环境造成污染 ， 对矿井水 进行处理利用 ， 具有明显的经济 、 环境 和社会效益。 在矿井水处理过程 中加药和排泥为关键技术 ， 设计 中通过 P L C和变频 系统实现 自动加 药和 自动排泥 功能， 减少人工干预。整个控制系统通过液位计、 浊 度仪、 流量计、 压力变送器和温度变送器等检测系统 的工艺参数， 为工艺过程控制提供依据， 同时 P L C 也采集现场设备的运行工况信号， 所有信号最终送 到中央控制室， 可以控制现场设备的启动与停止。 矿井水处理工艺流程如图 l所示 。矿井水通过 提升泵提升到澄清池， 在泵前加混凝剂， 加药采用 P I D变频调节系统， 根据检测到的进出水浊度、 流量 等指标及试验得出的数学模型， 通过在 P L C中预先 编制好的程序和变频系统 自动调节计量泵的转速 ， 从而调节计量泵的投加量， 加药后在澄清池中进行 反应。澄清池 的排泥系统采用定时 自动排泥 ， 当提 升泵的运行时间到达设定时间时 ， P L C程序 自动打 开澄清池上的电动阀门， 并在运行设 定的排泥时间 后关闭阀门。澄清池 的出水进入滤池后经过过滤 ， 最终消毒后进出清水池， 通过供水泵供到用户。澄 清池排 出的煤泥通过压滤系统进行压滤 ， 清水 回流 ， 泥饼外运。 矿井水 图 1 矿井水处理工艺流程图 2 系统构成 本控制 系统采用集散控制 的方式 ， 系统包括硬 件部分和软件部分。硬件包括工业控制计算机 上 位机 、 P L C电气控制柜、 仪表控制柜、 变频控制柜、 激光打印机。上位机操作系统采用 Wi n d o w s 2 0 0 0 ， 监控软件采用西门子 Wi n c c 组态软件， 下位机采用 西门子 S 7 3 0 0可编程控制器及专用的编程软件， 两 者之间通过 MP I协议 进行数据传输。控 制系统结 维普资讯 2 O 煤矿机 电 2 0 0 7年第5期 构如图 2所示。 1 可编程控制器 采用高性能的s 7 - 3 0 0 P L C提高了系统的控制能 力。P L C系统 由电源模块 P S 3 0 7 、 中央处理单元 C P U 3 1 3 C - 2 D P 、 数字量输入模块 S M 3 2 1 、 数字量输出 模块 S M 3 2 2 、 模拟量输入模块 S M 3 3 1 、 模拟量输出模 块 S M 3 3 2以及以太网通信模块 C P 3 4 3 ． 1 等组成。 2 中央控制室的工业控制计算机 中央控制计算机通过 M P I 总线与 s 7 -3 0 0 P L C 通信组成集散控 制系统。显示器 、 鼠标 和键盘作为 人机交互界面， 使用 Wi n c e 组态软件将矿井水处理 工艺过程以动态画面的方式显示 ， 动态 画面上具有 相关工艺参数值和设备状态的显示， 真实的模拟现 场实际情况 。 3 变频控制系统 变频器通过给定值的变化来调节其输出频率， 控制计量泵的转速， 使之控制计量泵的投药量， 从而 实现加药量 的自动调节。 4 仪表检测系统 通过现场安装的液位 、 压力 、 流量、 浊度、 温度等 检测仪表来测量系统的各种工艺参数， 为系统的控 制功能提供参数 。 薯 藕 菜 祟 燕 竺 蠢 蠢 婆 婆 婆 婆 流 流 麓 麓 位 位 位 位 位 量 量 量 ’ ’ 图 2 控 制系统结构图 3 软件设计 1 P L C程序 系统采用梯形 图编程 ， P L C主要完成下述 4项 功能 过程信号采集、 过程信号输出、 过程自动控制、 数据传输等。P L C程序流程见图3 。 1 过程信号采集和输出程序 F C 1 ～ F C 9 过程信号采集包括 设备运行的工况信号及工 艺参数信号， 例如设备的控制状态， 运行状态， 故障 状态等， 液位、 压力、 流量、 浊度、 温度等模拟量。 过程信号的输出功能包括 模拟控制变量的设 定、 报警信号设定、 开关信号指令， 例如实际启动和 停止设备。 2 过程 自动控制程序 F C I O～F C 1 1 包括需要的闭环控制 ， 顺序控制 的程序 ， 例如加 l l l P A M 计 量 剩 l l I ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． -_ J 药控制的 P I D闭环控制程序 F C I O ， 及泵与阀门联动 运行的顺序控制程序 F C 1 1 。 启动块OB1 0 0 循 环 程 序 OBl 程序块 F CI ～F C9 程序 块 F CI O ～ F C1 1 程序块F C 1 2 图 3 P LC 程 序 流 程 图 3 数据传输程序 F C 1 2 数据传输程序主要是将采集到的数据传送到监 控系统以及矿中心调度室 ， 利用 以太 网通讯模块 和 D B I O 数据块进行数据传送。 下转第 2 3页 维普资讯 2 0 0 7年第 5 期 煤矿机电 2 3 脚定时发送电压翻转信号。M A X 8 1 3 L芯片监视 8 0 5 1内部程序运行状态。当系统正常运行时， 微处 理器触发监控器芯片 M A X 8 1 3 L的输入端， 使定时 器清零而重新计数。当系统受到干扰使程序失控或 进入死循环， “ 看门狗” 定时器输出端变为低电平， 二极管导通， M A X 8 1 3 L 产生复位信号。单片机检测 到掉电信号后产生外部中断， 使系统及时反应。当 由于外部干扰或其它原因导致死机时， 看门狗电路 会 自 动发出复位信号。 3 控制输出通道 单片机经软件对前、 后轮的转速差及变化率分 析后， 确定最佳工作等级， 控制差速系统的工作。系 统选用的数模转换芯片是 D A C 0 8 3 2 ， 它是双缓冲器 的 8位 D ／ A转换 芯片， 有 2 O个 引脚 。由于需要 同 时控制前后两个差速器 ， 故采用双缓冲同步方式接 法， 数字量的输入锁存和 D ／ A转换输出分两步完 成。C P U的数据总线首先分时向各路 D ／ A转换器 输入要转换的数字量并锁存， 然后 C P U发出控制信 号， 使各个 D ／ A转换器实现同步转换输出。8 0 5 1 与D A C 0 8 0 2 连接时， P 1 ． 3 和 P 1 ． 4分别选择两路 D ／ A转换器的输入寄存器， 控制输入锁存； P 1 ． 5连到两 路 D ／ A转换器的X F E R端， 控制同步转换输出。 4I ／ O扩展电路 考虑到外 围设备较多， 故选用 8 7 5 5 A扩展 I ／ O 口。8 7 5 5 A芯片含 2 K％8 E P R O M， 有两个 通用 8位 I ／ O口， 每一个 I ／ O线可单独规定为输入或输出， 具 地址锁存。在按 1 6位二进制数编址时， 其高8位的 地址需计及 C E端接法对地址值的影响。片内 A 、 B 两个通用 I／ O接 口的口地址， 其最低 2位 由A D 1 、 A D O的值确定。另有两个数据方向寄存器 D D R A、 D D R B ， 分别用于规定 A口、 B口每一位是输入还是 输出。D D R A 、 D D R B的口地址也由 A D 1 、 A DO 的值 确定。A口、 B口寄存器可写、 可读， D D R A 、 D D R B 寄存器则只可写。当选中 8 7 5 5 A I／ O写时， D D R A、 D D R B寄存器的位分别与 8 A口、 B口的相应位一一 对应。 8 7 5 5 A的地址／ 数据总线 A D ， 一A D 。 都与单片 机的 P 一 P 。 ． 。 一一对应， 以分时传送数据或低 8 位 地址信息。 4结语 这套粘性式限滑差速系统能实现扭矩在左右车 轮问的不等分配， 在左右轮转速差较小时， 与普通差 速器基本没什么分别， 但一旦有转速差产生， 它就随 转速差增大而增大限滑转矩 ， 甚至可将差速器锁死 ， 并在转速差减小时 自行松开 。用于轮间差速器时能 明显减少车轮急转 弯时左右轮之间的滑转 ， 这样不 仅可提高轮胎的寿命， 并能更好地控制车辆， 从而提 高运行的安全性。 上接第 2 O页 2 过程监控 H MI 系统的组态 本过程监控 H M I 采用研华 的工控机， 配备 C R T 、 鼠标和键盘组成中央控制室的人机交互界面。 操作 系统 为 Wi n d o w s 2 0 0 0 系统 ， 采 用 西 门 子 的 Wi n c e 6 ． 0组态软件进行组态。系统软件 为实时操 作软件 ， 提供密码功能， 具有不同的权限功能。其主 要功能有 过程数据处理 、 报表生成 、 过程显示和过 程的指令界面。 1 过程数据处理功能包括 过程变量 的监视和 记录， 报警信号， 模拟量和开关量的输入输出。 2 报表生 成功能包 括 日报 表 、 月报表 、 年报 表、 报警等信息。 3 过程显示功能包括 动态 的流程画面 、 历史 数据的显示 、 实时趋势的显示 、 信息的显示 。 4 指令由操作员输入并具有以下功能 控制系 统的设定点、 启停设备、 故障和错误信息的确认。 4结语 本设计采用 P L C和上位机构成的集散监控系 统在某煤矿已经投入运行近一年， 运行结果表明 系 统运行稳定可靠、 效果良好， 完全满足矿井水处理的 环保要求。 参考文献 [ 1 ] 崔监． 西门子工业网络通信指南[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 [ 2 ] 廖常初． 7 - 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C应用技术[ M] ． 北京 机械工业 出版 社 ． 2 0 0 5 作者简介 崔东锋 1 9 8 2一 ， 男， 助理Z - 程师。2 0 0 4年毕业于西安 建筑科技大学 ， 现主要从 事矿 井水处 理 自动 控制系 统的研 究与设计 工作。 收稿日期 2 0 0 7 0 5 一l 】 ； 责任编辑 姚克 维普资讯