S7-1200 PLC 在智能化矿山泵站中的应用

王贵根，莫州寒，付艳龙

（江西铜业集团有限公司 城门山铜矿，江西 九江 332100）

1 引言

城门山铜矿露天采场处于赛城湖湖畔，水文条件复杂，采区地下涌水并形成工业废水，需要及时排出以保障采矿作业的顺利进行。目前，采场各泵站的运行管理方式均为人工控制的方式。为改变现有状况，城门山铜矿正在推进智能化矿山建设，通过信息化和自动化［4］的融合，对采场各泵站进行智能化改造。

以+30排土场泵站为例进行自动控制系统［2］改造说明。如图1所示，排土场泵站排水系统由2套排水设备、1条排水管路及相应辅助设备组成。水泵由2台300WFB-AD4离心式自吸泵组成，泵吸水管安装DN200底阀，出水管安装DN200闸阀，管路由2根DN200玻璃钢管用三通连接汇成1路DN300钢骨架复合管，输送至选厂污水调节库，全程约1100m。为了防止管道泄漏，工业废水流入周边湖泊造成环境污染，在排水管道上安装一旁通管，当主管道破损泄漏时打开旁通管道闸阀，把工业废水导入排土场蓄水池。水泵启动采用软启动器。

2 系统改造方案设计

+30排土场泵站的自动控制系统改造，需要建立大量现场调控的控制顺序、逻辑以及各种故障自动处理机制。如何解决以上问题，保障泵站无人值守时的正常运行，是本次改造方案设计的重点。通过对软件实现功能与逻辑的精准定位，同时选择市面上成熟、可靠的硬件产品是比较好的解决方式。

为实现泵站无人值守的要求，系统需具备如下功能：

（1）建立全无人值守、定期专业巡检的构架，依据水仓水位、“移峰填谷”、“均匀磨损”等原则，远程控制启停水泵，减少泵房操作人员，规范水泵操作流程，降低生产运营成本，提高经济效益。

（2）具备液位变化分析功能，能实时分析水仓涌水情况，当涌水异常时，系统需发出预警信号并自动启动水泵排水，降低风险。

（3）具备实时监测泵组的运行状况，保护泵组正常运行的同时对泵组进行“故障诊断”，提供诊断结果，同时及时提醒使用人员进行相关的设备检修与维护，提高设备的使用寿命与运行效率。

为实现以上功能，该控制系统采用西门子S7-1200 PLC［1］为控制核心，采用TPC 1061Ti触摸屏做人机交互界面，对排土场排水泵、排水阀、潜水泵、排气阀等设备进行控制与监控，同时通过增加相应的检测仪表对水仓水位进行控制，并对泵组温度、振动、压力、流量、电流、pH值等数据进行监控。

3 控制系统硬件设计

本控制系统通过对现场的设备进行电气化改造，并增加必要的传感仪表进行参数的监测，通过现场过程控制柜内的PLC系统检测排水泵、排水阀、潜水泵、排气阀的状态信号，实时采集温度、振动、压力、流量、电流、pH值等信号，通过数据传输网络将现场数据传输至控制系统，并显示在触摸屏上。

3.1 检测仪表的选择

由于+30排土场泵站设备处于露天状态，外部环境比较恶劣，检测仪表必须满足输出信号线性好、精度高、防高温及雨雪等要求，本系统所采用的检测仪表的具体型号与测量范围如表1所示。

3.2 控制设备的选择

现场过程控制是实现泵组自动控制［3］的核心。由于泵组的启泵过程涉及到关闭闸阀、灌引水、开启启动柜、开启闸阀等一系列过程，在这些过程中还要及时的监视流量开关、压力、流量、电流、潜水泵状态、电机状态、闸阀状态一系列参数，用于判断泵组是否运行正常。现场过程控制站通过合理的电气设计，以及程序的编制，实现泵组的单体控制、联动控制与全自动控制。

表1 检测仪表选择

由于PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、功能完善、适应性强等特点，且本次设计的排水泵站控制系统控制需要实现无人值守的功能，对可靠性、稳定性要求较高，因此选用使用灵活、功能强大、可满足各种需求的西门子S7-1200 -CPU1214-AC/DC/RLY型PLC，可以满足控制的要求。

根据所控制的对象与需采集的参数，需配备相应的采集模块、通讯模块，同时对原有电气控制回路，实现相关数据的采集与控制，表2是本次S7-1200系列模块配置数量。

表2 S7-1200系列模块配置

4 控制系统软件设计

4.1 程序控制逻辑

为实现+30排土场泵站的无人值守，系统需在实现各单体设备控制的基础上，采用顺序控制实现单泵组的联动启停，再根据水仓水位与pH值的高低实现泵组的全自动控制。

单体设备的控制主要是指对补水潜水泵、排气电动球阀、主排水泵、排水闸阀的控制。

顺序控制是指先启动补水潜水泵、打开排气电动球阀对主排水泵进行补水。当补水完成泵腔内充满水后，关闭排气电动球阀，启动主排水泵；当排水泵正常上水，建立起排水压力后，关闭补水潜水泵，打开排水闸阀；当排水闸阀全开到位，电机电流、排水流量数据正常后，泵组进行运行状态，在运行过程中接收到停泵信号后，先关闭排水闸阀，再停止主排水泵。

全自动控制［5］是指系统根据两台泵组的状况，根据水位情况以及泵组的运行时长，自动选择相对时间内运行时间较短的泵，当泵组故障时能自动切除故障泵组，并投入后备泵组进行排水。

4.2 功能块FB的设计

本控制系统共有模拟量处理、电机控制块、闸阀控制块、球阀控制块、时间累加，流量累加等子功能块，主要介绍以下几个功能块。

（1）模拟量处理。

模拟量处理主要是将PLC采集的数字量转换成工程量，该程序块主要是用到模拟量处理公式：

OUT = [(HI_LIM - LO_LIM)*(IN - Isl)/(Ish - Isl)]+ LO_LIM；

其中：OUT: 换算结果、IN: 换算对象、HI_LIM: 换算结果的高限、LO_LIM: 换算结果的低限、Ish: 换算对象的高限、Isl: 换算对象的低限。

在此基础上，通过增加模拟量高高、高、低、低低报警参数设置可实现超限报警功能，通过增加零点设置可实现零点校准功能。

（2）闸阀控制块。

图1 阀阀控制IO引脚

闸阀控制块主要是在采集闸阀全开、全关、过矩、跳闸、闪动信号以及闸阀开关一次的时长，通过程序的逻辑控制，实现闸阀的打开与关闭，同时将闸阀的状态信号与控制信号打包传输至上位监控系统。

（3）时间累加。

时间累加程序主要是利用Kahan求和公式进行计算，用来避免大数吃小数的情况发生。

图2 Kahan求和公式

4.3 全自动控制功能块

全自动控制主要通过时间排序、泵组顺控、自动控制等功能块来实现。

时间排序功能块主要是指通过采集泵站内泵组在一段时间内的运行时间，通过冒泡计算，将泵组的运行时间从大到小排序，同时根据泵组的远程、运行、投切、故障状态，输出启泵号与停泵号。

泵组顺控是指通过顺序控制逻辑，实现泵组的一键启动与泵组的一键停止功能，在此过程中只需点击一个按钮，即可完成单泵组的启停功能。

自动控制是指通过采集水位信号，根据所设置的停泵水位、单泵水位、双泵水位、超限水位等参数，根据不同的控制逻辑，实现泵组的全自动运行。

5 应用效果

城门山智能化矿山各泵站实施自动化改造以后，取得了比较好的应用效果。一是可以从根本上解决生产效率不高、人员不足等问题；二是可以完善原有系统设备的检测缺陷，通过远程及时判断设备运行状态，实时在线状态检测，可以有效地推进设备预防维修，避免设备故障的扩大化，减少系统对生产的影响程度；三是可以改善职工的工作环境，取消部分现场岗位工，降低设备运行成本，同时提升设备自动化、信息化的水平。

图3 城门山无人值守子系统主画面

6 结语

本系统设计采用西门子S7-1200系列PLC，采用博途V14 SP1编程软件编程，采用触摸屏［6］TPC 1061Ti对现场参数进行监控与调节，使用顺序控制逻辑实现对排水泵站的联动启停，其于S7-1200的强大功能，实现了矿山泵站设备的集中管控、达到现场无人值守，减少了操作人员，改善了职工的工作环境，提升了设备自动化、信息化的管理水平，给企业带来了良好的经济效益和社会效益，对城门山铜矿后续泵站的智能化改造具有借鉴意义。