基于WinCC的矿井水泵远程监控.pdf

基于Wi n C C的矿井水泵远程监控 De s i gn o f Mi n e W a t e r Pu mp Re mo t e Mo n i t or i n g Sy s t e m Ba s e d o n W i n CC 1引言 煤矿 井下排水系统 是煤矿生产四大 条件之一，担负着将井下积水排出的重要 任务 ，是矿井安全生产的保障。在开采过 程中，由于地质结构遭破坏，出现岩层断 裂等情况，采区与储水层相贯通，就会发 生突水事故，瞬间涌水量剧增。如不能及 时采取有效措施，将这些涌水排至地面， 势必影响井下的生产和安全，严重时将 酿成淹井事故 ，带来巨大的人身和财产 损 失| 1 J 。因此 ，井下排 水系统在矿 井生 产过程中的作用就尤为突出。 1 0 2 { P L C F A 河南能源化工集团鹤煤九矿 梁修权 郭广生 L l ian g Xiuq uan GU O Guan g sh en g 摘委 本文研讨适用于煤矿井下的多水平智能排水自动控制系统 。利用可编程控制器PL C及其控 制网络构建监控平台 ，并在此基础上进行现场控制软件及Wi n CC远程监控软件的开发 ，从而实现 了煤矿井下多水平排水系统的自动控带 0 和集中监控 。 关键词 排水控制系统P L C W{n CC 远程监控 Abs t r act Ai min g at t h e dis adv a nt ag es of t r adit ion al dr a i n ag e co n t r ol s ys t em， a mult i l e v el i n t el li g en t a nd au t o ma t i c co al mi n e d r aina ge sy s t em is s t u died in our r es e ar c h b as ed o r ] t he mode r n c on t r ol t ec h niqu es a nd t h eor y． Mon it or i n g pla t f or m is c on s t r u c t ed b y u sing t he p r o g r a mma b l e lo g ic c o n t r o ll e r P L C a n d it s c o n t r o l n e t w o r k ． O n t h e b a s is o f mo n it o r in g pl a t f or m，loc al c on t r ol so f t war e and longdis t anc e monit or i ng s of t war e d evelope d by W 1 n CC ar e d esigne d t o r eali z e t he aut oc on t r ol an d c en t r al ize d m onit or of m ult i l ev el dr aina ge s y s t e m i n c oal mine Ke y wo r d s Dr a in a g e c o n t r o l s y s t e m P L C W i n CC R e mo t e c o n t r o l 【 中图分类号 】 TD 4 4 3 ． 2 【 文献标识码 】 B 文章编号1 6 0 6 - 5 1 2 3 2 0 1 4 0 9 0 01 0 2 - 0 4 本文设计 了基 于P L C的煤矿多水平 现场控制 系统和基于Wi n C C 的远程监控 系统，可以有效实现矿井多水平水泵的 智能控制 。 2 架构与功能设计 2 ． 1 系统网络结构 系统采用现场层 远程I o 、控制层 P L C 和管理层 远程工业计算机 组成的 三级控制系统来实现排水系统的自动控 制。远程工业计算机利用友好的人机界 面 实现人机对话和远程监 控功能 ，P L C 作 为控制器 完成逻辑 处理和控制任务 ， 远程1 0实现现场数据的采集和上传 ，各 水平之间通过专门的控制网络实现数据 交换和统一调度控制。控制系统总体结 构如图 1 所示 。 2 - 2 系统功能 考虑到系统控制的灵活性 ，需具 备三种控制 方式 ，分别为就地方式 、半 自动方 式和全 自动方式。就地方式下 ， 要求实现对 高压柜 及电动阀等执行机构 进行一对一的单独操作，这种方式为故 障检修和手动试车时使用；半自动方式 网络打印机 远程监控终端 、 酲 两 ， 一■■ 远程监控中心交换扎 ‘■_■一 6 0 0 排水自控分系统 工业以太网 堡 _ - ． 堡 ■ 目 _ | ．⋯ 一 I】_I1■ 『 口I lⅡ 一 水 自 控 分 系 统 、 l I 、 ＼ ＼P r 。仃 bu s DP R s 4 85 、 ⋯ 。 ⋯ r r1 ■ ■ 【 一 j 水 枣 机 组 集 型 目 - 1■ 时，要求实现操作人员利用井下操作终端 触摸屏 或地面监控 中心的监控主机可以控制水泵完成启、停、故障复位等所有操 作全自动方式下，要求系统无需操作人员的参与就可以根据 水位情况自动完成启泵 、停泵的一系列操作。 要 求设备运行的所有重 要参数 ，如水泵流量 、压力、负 压 、轴温、电机温度、电机启动与工作电流、效率等均实现远 程 实时监测 ，为系统实现无人值守打下基础 。 系统具备故障报警 及保 护功能 。这是 实现 自动控制及无 人值守的保障，根据设备的运行参数进行故障保护，可以有效 保证系统运行的安全可靠性，延长设备使用寿命。 在各水平排水系统具备自动控制功能的基础上，通过专 用高速 网络进行数据交换 ，实现各水平排水系统的统一管理 ， 合理调度多水平排水系统 ，提高排水效率和矿井生产安全性。 誓 i 0 3． 1 P L C模块 系统 的核 心 部分 ，完 成对 于监测 量 的处理 、运算 和存 储 ，并根据监 测结果进行逻辑 处理 ，控制水泵 及附属设备启 停。系统选用德 国西 门子生产 j s 7 3 0 0 系 IJ P L C，两层排水控 制分系统采用相 同硬件配置 1 C P U 模块 考虑到现场设备比较分散，采用远程l ／ O的 方式进行数据采集及控制，系统选择C P U 3 1 5 - 2 DP ，集成一个 用于远程1 ／ O 分站组态的D P [Z I ； 2 开 关量 输入模块 主要完成对设备状态 以及就地控 制 P L C＆ F A 2 0 1 4 年 9 月 命令的采集。系统的开关量主要包括就地控制命令、球阀到位 状态、闸阀到位状 态、水泵电机运行状态等 ，考虑到备用及 系 统扩展 ，控制P L C 配置2 块3 2 路开关量输 入模块 ，远程1 ／ O 部分 配置 1 J 3 2 路开关量输入模块 ； 3 开关量输出模块 输出P L C 控制指令 ，完成对设备的逻 辑控制。需要进行逻辑控制的设备主要包括电动球阀、电动闸 阀、水泵电机控制高压柜、真空泵及防水门等，考虑到备用及 系统扩展，控制P L c 配置2 块1 6 路继电器输出模块，远程1 ／ 0 部 分配置1 块1 6 路继电器输出模块 4 模拟量输入模块 完成参控模拟量 的实时采 集及处理 工作 。该系统参控模 拟量主要涉及到水位、流量、压 力及负压 等，根据需要 ，控 Jj P L C 配置1 块模拟量采集模块完成对水位 的监测 ，远程1 ／ O部分配置1 块模拟量采集模块 完成对压力、负 压及流量的监测 ； 5 串行通信模块在现场应用中，一些第三方的设备和 仪表只有简单 的串行通信接 口 ， 13 R S 2 3 2 、R S 4 8 5 ，通过串行 通信模块可与之通信。系统中的串行通信设备包括电动机微机 综合保护器和温度巡检仪，配置2 块CP 3 4 0 分别与之进行数据 交换 ； 6 P R O F 1 B US D P 通讯模块 选择C P 3 4 5 2 通信模块完成两 个控制层P L C 之 间的数据交换。 P L C 硬件配置如 图2 所示。 3 _ 2 触摸屏 P L C fl J 延伸外围设备，实时生动的显示水泵当前状态，并 为用户提供水泵控制的平台。 3 ． 3 模拟量和开关量的检测部分 I 模拟量检测部分。主要完成对监控需要的模拟量的采 集和处理 ，并送人P L C 。主要包括 以下几类传感器 水仓水位 传感器、流量传感器 、压力传感器、负压传感器 、温度巡检仪 WWW．C A1 6 8C OM I 1 0 3 及传感器。 2 开关量检测部分。完成对于现场设备运行状态的监 测 ，信号主要来自控制继电器的辅助接点以及执行机构的行程 开关及到位开关。 4 P e程序结枸 系统软件采用模块化结构 ，各控 制模块 之间相互嵌套 ， 可以满足复杂的监控要求。宏观上可以将P L C 软件程 序分 为两 层 ，最高层为主轮循环程序 ，主要包括水泵半自动控制程序模 块以及放水门控制程序模块，主轮循环程序优先级最高，在程 序的每个循环周期中逐条运行，条件满足时调用专门功能的监 控模块另一层为主轮循环程序调用的具有专门功能的子功能 监控模块，可以分为无条件调用和条件调用两大类。无条件调 用模块主要包括模拟量处理，站间通信模块等。条件调用模块 主要有故障监控模块，全自动控制以及就地控制模块等。 5远 程监 控 系统 远程 监控系统采用西 f - ] -7 - 公司开发 的 ，开放的过程可视 化组态软件Wi n C C 实现 。根据煤矿 多水平水泵远程监控的需 要 ，设计了水泵系统主监控、设备运行数据、设备辅助管理、 参数设置等界面。 通过C P U 模块上的标准化D P 接口，P L C 可通过P R O F I B US 总线与在上位机上运行的Wi n C C 进行数据传输。WmC C 提供与 各种不同类型的P L C 进行通讯所需要的驱动程序，Wi n C C 通讯 驱动程序连接数据管理器和P L C 。Wi n C C与P L C之间的过程通 讯结构如图3 所示。 }W in C C 应 用 程 序 I ___。。。。。。一 了水泵房的整体结构 ，参数显示以及其他功能菜单的切人按钮。 图4 上位机主界面图 系统远程监控软件最大特色是具备设备辅助管理功能 ， 根据历史数据库中存储的累积运行时间及故障信息等参数进行 逻辑处理，给出维护建议。设备管理界面如图5 所示。 图5 设备辅助管理界面图 6结柬谣 本论文所设计的矿井多水平智能排水自动控制系统已成 功应用于煤矿现场，各项指标均达到设计要求，运行结果可靠 稳定 ，在提高多水平矿井排水的经济性和可靠性 方面发挥了很 大作用。 圈 3 wi n c c 与P L c 的 通讯 结构 作者简介 上位机主界面如图4 所示。作为上位机界面的核心，它包含 梁修权 1 9 7 5 ． 男 工学学士助理工程师，现就职于 下转9 6 页 1 0 4 I { P L E F A 况 ，这样 计算系统吞吐量就要考 虑分组平均时延与分组数据 的丢失两因素。下面是对系统时延、分组丢失率、吞吐量等 性能的仿真。 图3 是在取 参数A 0 ． 6，p 0 ． 0 l ，p 0 ． 8 ，t p l 时对 S G、 S R、G B N个系统的时延性能所做的仿真，从图中曲线可看 出，无论窗口长度怎么变化 ，S G系统时延始终是在S R 系统时 延 a GB N系统时延之间取值 ，且S R系统时延 明显小于GB N系 统时延 ，这也在理论上符合本文所提出传输机制的特点。 图4 所 示的是 不 同的门限值n 对 S G系统 时延的 影响 ，其 中 、P 、P 、t 各参数取值与图3 中相同。s G系统要高效率工 作，必须满足 1 式的条件N n 2 t D ，从图中可看出，对每一 个门限值n ，当窗口N n 2 t 时，系统时延最小，随着窗口增 大系统时延也随之增大 ，所以窗口的选择要综合考虑门限值 与系统其它参数而定，以此来保障系统稳定高效的运行。 图5 不同信道环境下 图6 窗口长度对系统吞吐量 系统平均分组丢失率对比 的影响 根据上面 的分析结果 ，从解析结果来 看影 响S G系统分组 丢失率的因素主要是分组错误率与门限值的大小 ，而实际上 门限值 是判断信道环境是否 恶化 或是否需要转换传输机 制的 标志 ，从所传输的数据可靠性上看，就是数据出错的概率。 因此 ，最终影响系统分组丢失率的因素就是分组错误率。如 图5 所示 ，门限值一定的情况下 ，随着分组错误率P 的增大， S G系统 的分组丢失率也随之增大。 图6 所示是在参 数入 0 ． 6 ，p 0 ． 0 l ，t 1 ，n 3 时系统吞吐 量 的仿真 图。可以看出在S R 子系统的使用概率从0 1 变化的过 程中，系统吞吐量的最终趋势是增大的，因为S R 子系统启动 的频率越 高 ，S G系统的平均时延会随之减小 ，继而系统吞 吐 量增大；中间之所以会出现吞吐量增速放缓甚至暂时下降情 况 ，则是由于系统所传输分组的丢失而引起的。此外 ，由图 可知 ，窗口大小也会对系统吞吐量产生影响 ，窗 口的增大反 而使吞吐量下降。因此，窗口大小的设置必须参考门限值， 在满足 1 式关系的情况下，使系统拥有比较好的性能。 5绪柬语 本文提 出的改进型S G AR Q传输机 制是 针对 多媒体 通信 实时性强、数据量大的特点而设计的一种自适应机制，此机 制利用门限值与连续出现错误的分组数目的对比实现了S R 与 GB N两种机制的灵活转换 ，使所传输数据的时延与数据的丢 失可以控制在一个可以接受的范围之内，从而保障多媒体通 信的通信质量。通过仿真验证 ，对于多媒体通信，S G系统的 综合性能优于S R 和GB N两系统中的任一系统在单独工作时的 性能 。 作者简介 滕国宝 1 9 8 3 一 男工学硕士助理工程师，现就职于同 方电子科技有限公司，主要研究方向为无线移动自组网技术。 参考文献 l 1 】张曾科． 计算机网络 第2 版 【 M】 ．北京清华大学出版社，2 0 0 5 【 2 】J o n C h i u n g S h i e n Wu A Re a l T i me T r a n s p o r t S c h e me f o r Wi r e l e s s M u l t i me d i a Comm u n i c a t i o n s ．M o b i l e N e t w o r k s a n d Ap p l i c a t i o n s ， 2 0 0 1 ， 6 5 3 5 -5 4 6 ． [ 3 】No r i y u k i F u k u i ， Ak i h i r o S h i b u y a ， K e i s h i Mu r a k a mi ． S R a n d GB N f o r Br o a d b a nd W ir e l e s s S y s t e ms o n a 4 0 GHz Ba n d Ra d i o Ch a n n e 1 ． I EE E Commu n i c a t i o n M a g a z i n e ， 2 0 01 ， 1 2 21 26 ． [ 4 】黎锁平 ，刘存明，何志鹏 ，等． 无线数据传输的G B N A RQ Il S R A RQ系统时延性 能研究 卟 信号处理 ，2 0 0 5 ，2 5 3 3 8 4 3 8 8 上接1 0 4 页 河南能源化工集团鹤煤九矿 ，主要研究方向为机电控制工程 领域 。 参考文献 【 t 】用晓峰 ，王结实，阚恒，等． 我同煤矿安全现状的思考U I 中卅 1 煤 9 6 1 P L C F A 炭，2 0 0 9 5 1 1 0 1 1 2 ． f2 ]刘华波，何文雪，王雪，等．西门子s 7 3 0 0 ／ 4 X P L C 编程与应用[ MI ． 北京 棚械工业出版社，2 0 0 9 ． 『 3 1王永华．现代电气控制及P L c 应用技术【 M】 北京北京航空航天大 学 出版社 ，2 0 0 9 ． l l l l l 。 一 斟水 咐 求霜 睁嚣 学 一