引言

    矿井水灾，是煤矿常见的主要灾害之一，如果不及时把生产中产生的矿井水排放出矿井，将给整个矿井的生产安全带来严重的危害。目前大多数煤矿井下主排水系统的水泵开、停及选择切换均由人工完成，不具备根据水位或其它参数自动开停水泵以及远程监控等功能，少数安装了自动排水设备的矿井，由于所采用的自动排水系统与矿井实际情况相脱节，以及控制系统抗干扰性弱，稳定性差，调试复杂等缺陷，导致排水设备运转不理想，甚至有的已闲置或拆除。针对以上问题本设计采用模块结构，利用PROFIBUS．DP现场总线技术，包括PROFIBUS．DP主站PC、PROFIBUS-DP从站PLC和ET200及现场设备超声波液位传感器、ATS48软起动器等，实现了水仓水位的检测监控。水泵的软启动，节约了能源、降低生产成本、提高了经济效益，对防止水灾事故发生具有重大意义。

1 系统总体设计

    图1为矿井排水整体体示意图。超声波液位传感器安装在水仓顶部，水仓水位设低、中、高三个水位，PLC通过循环扫描的方式不断检测超声波液位传感器的数据，计算出水仓液位的实际高度，与编程设定的液位对比。当液位为低时，不动作继续检测，当液位达到中时，3个泵以时间为周期循环工作，防止了因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮出现故障；当达到高水位时，3个泵同时开启并触发声光报警，同时通过ET200关闭防水密闭门。以上启动过程中，任何一个泵发生故障将自动切换到下一个泵并将故障反应到监控画面。与此同时，安装在上位机上的组态软件WinCC实时显示并记录水位高度及泵的启停，并将记录的数据归档，为日后的统计作准备。另外系统控制还设有自动、半自动和手动检修3种工作方式，总体结构见图2。

图1矿井排水整体示意图

图2系统总体结构

    通讯上采用PROFIBUS．DP现场总线的主从方式，整个系统由PROFIBUS．DP主站安装了WinCC的上位机、PROFIBUS．DP从站S7．200PLC、ET200及现场设备组成。上位机采用PC作为主站，主要实现监控功能和对水泵启、停控制功能。上位机采用两台PC机互为备份，一台作为主监控机，另一台作为从监控机。当主监控机出现问题可以立即切换到另一台作为主监控机。提高了系统的稳定性。下位机采用PLC加EM277通讯模块和ET200作为现场控制站，即从站，实现对现场设备的控制、数据采集和反馈控制功能。上位机通过在普通PC机PCI插槽内增加CP561 1通讯卡与下位机通讯。

2系统硬件设计

    该系统硬件主要包括：上位机主站PC、从站S7．200和ET200、本安防爆超声波位传感器、EM235模拟量扩展模块、EM277通讯模块、PROFIBUS电缆及接头、ATS48软起动器等。

2．1 S7．200PLC

    可编程逻辑控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式模块式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

本系统从站采用西门子公司的S7—200 CPU222，CPU222具有180 mA输出，集成8输A／6输出共14个数字量I／O点，可连接2个扩展模块。6 K字节程序和数据存储空间，4个独立的30 kHz高速计数器，2路独立的20 kHz高速脉冲输出。1个RS485通讯／编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。

2．2本安防爆超声波液位传感器

    采用两线制本安防爆超声波液位计，该传感器不必安装在液体中，彻底解决一般传感器的漏水短路、腐蚀、波浪干扰等普遍的液面检测问题，适合测量腐蚀的泥浆、污水、盐酸等各种腐蚀性介质。量程为15 cm～5．48m，精度为正负0．25％满量程，分辨率为3mm。其量程、精度满足了监测高度为4 m的水仓要求。

2．3 EM235模拟量输入模块

    EM235是最常用的模拟鼍扩展模块，它实现了4路模拟量输入和1路模拟量输出功能。图3为传感器和EM235的接线图。

图3传感器与EM235接线图

超声波液位传感器信号输出是4~20 mA，DIP开关设置见表1。

表1 超声波液位传感器DIP开关设置

传感器输出电流为4～20 mA，模拟量的标准电信号是A0-Am(如：4-20 mA)，A／D转换后数值为△0-A0(如：6 400-32000)，设模拟量的标准电信号是A，A／D转换后的相应数值为△，由于是线性关系，可以表示为

2．4 EM277通讯模块

    S7-200CPU必须通过PROFIBUS．DP模块EM277连接到网络，不能直接接入PROFIBUS网络进行通信。EM277模块在PRoFIBUS网络中只能作为PROFIBUS从站出现。作为DP从站，EM277模块接受从主站来的多种不同的I／O配置，向主站发送和接收不同数量的数据。这种特性使用户能修改所传输的数据量，以满足实际应用的需要。与许多DP站不同的是，EM277模块不仅仅传输FO数据。EM277能读写S7-200CPU中定义的变量数据块。这样，使用户能与主站交换任何类型的数据。

    组态时从站地址与EM277模块设置对应，EM277模块通过上面的旋转开关设定的。在变动旋转开关之后，用户必须重新起动CPU电源，以便使新的从站地址起作用。

2．5软启动器

    为了避免电机全压启动时对电网的冲击，延长电机使用寿命，该设计采用施奈德公司生产的ATS48软起动器。该装置可靠性高，性能完善，还具有电机综合保护功能，采取了特殊的抗干扰措施，动作准确可靠，具有良好的过载、过流保护、断相保护及漏电闭锁保护等功能。

3 软件设计

    系统程序设计采用模块化、功能化结构，便于调试和扩展，主要由控制主程序、模拟量采集和计算、电机运行时间统计、3台泵轮换、报警等子程序组成，重点在于控制主程序和轮换判断程序，确保3台泵的启／停及相互间轮换。以3台油泵的运行时间作为工作和备用泵轮换的判据，时间较长的2台作为工作泵，时间较短的l台作为备用泵。主要有西门子PLC编程软件STEP7 MicroWINV4．0和西门子组态软件WnCC。

3．1通信及网络

    PROFIBUS是当前最为流行的现场总线技术之一，PRoFmUS．DP是经过优化的高速、廉价的通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I／O之间通信设计，多用于分布式控制系统数据传输。

    系统采用SIEMENS S7．200系列PLC，加装EM277模块接入井下PROFIBUS主干网，采用2芯屏蔽双绞线PROFIBUS电缆作为传输介质。上位机软件STEP7 MicrowIN V4．0通过PROFIBUS电缆和PLC进行串口通信，可以方便的实现程序的上载、下载、运行、停止等功能。组态软件WinCC建立友好的实时操作界面，通过在普通PC机PCI插槽内增加CP561l通讯卡与下位机PLC通讯，实现对水仓水位实时监控。

3．2软件设置

(1)组态

    打开SIMATIC NETCOM Profibus，新加一个组态，主站为SOFTNET-DP，从站是EM277Profibus—DP。主站的地址选择从1到126，从站的地址选择从3到99，这里主站地址为设置1，从站地址3与EM277的地址一致。然后用该软件对从站进行配置：打开从站属性，在Configure选项中，选择8bytes in／8bytes out(可根据实际需要选定)，在Parameterize中可以选择偏移地址，地址对应于S7．200系列PLC的数据区(即V区)，默认为0，即从VB0开始。组态完成后，导出(Export)NCM

图4 实时趋势画面

图5 实时报表界面

    图4和图5为实时趋势及报表画面实时显示水仓水位、CPU及RAM的利用率，并把这些数据归档记录。

5结论

    实验室模拟证明采用PLC.现场总线和监控组态技术设计的矿井水仓水位监测监控系统是可行的。

    采用先进的PRQFIBUS现场总线技术实现分布式控制，网络速度快、可靠性高、开放性好、抗干扰能力强。以组态软件WinCC编写的人机界面友好直观、功能完善、易操作。利用软启动器启动电机，提高了安全性、延长了电机的使用寿命。另外，由于软硬件均采用模块化结构，安装、调试和设备维护简单方便。应用于煤矿一定能够提高生产效率和管理水平，为煤矿安全高效运行提供保证。