基于S7-300PLC的泵房无人值守系统

方胜海 王本治 张 浩 金春雷 陈昌明

（安徽马钢矿业资源集团南山矿业有限公司）

南山矿和尚桥选矿厂清环水泵房包括1 个清水池、1 个环水池和8 台单极双吸离心泵，其中环水泵5台，驱动功率315 kW，清水泵3台，驱动功率200 kW，均为6 kV 高压三相异步电动机驱动。每台泵将对应泵池内的水打入主厂房以供生产需要，启动1台环水泵需要依次启动补水阀、排气阀、风机、主电机、出口阀一系列设备，泵启动前必须进行抽真空作业，时间长、效率低下。每台设备在现场有对应的操作箱，一套操作流程下来，1 名岗位工人需跑5 处地点。为保证清水池液位的平衡需岗位工人频繁调整清水补水阀，不仅操作过程复杂，劳动强度大，且容易发生操作失误导致启动故障。

S7-300PLC 系统根据逻辑关系编写FC 块，每台设备只需反复调用编写好的FC 块，输出模块连接驱动各设备电机的继电器，输入模块连接上位机操作画面的按钮变量，同时通过电机温度接线盒、压力计、流量计等设备，采集模拟量信号输入至模拟量输入模块，即可在上位机画面上实现远程监控与操作［1-2］。本项目通过S7-300PLC 系统和Wincc 上位机软件，完成了远程一键操作，实现了泵房无人值守［3-4］。

1 泵房无人值守系统的构成

1.1 泵房设备及启动流程

南山矿和尚桥选矿厂清环水泵房担负着选厂磨选工序和尾矿浓缩工序的生产清环水的保障供给和整个水系统平衡的任务，是和尚桥选矿厂的重要工序之一。清环水泵房的水泵型号为350S-44 单极双吸离心泵，均为6 kV 高压三相异步电动机驱动，双吸离心泵供输送清水或其他液体，适用于工厂、矿山、城市给排水、电站、农田排灌及各种水利工程。每当水泵需要作业时，启动前必须进行抽真空，打开抽真空用的补水泵阀门，抽真空完成后打开主电机冷却风机，打开进口阀、启动泵，延时30 s左右再打开出口阀门，最后关闭抽真空用补水阀，观察出口压力、电机运行电流等参数，若一切正常则启动完成。一台泵的启动流程见图1。

1.2 系统硬件设计

系统采用西门子S7-300 系列的CPU315-2PN/DP 为主，通过2 台IM153-2 接口模块以PROFIBUSDP 网络扩展2 个300 机架，选取16 点数字量输入模块，32点数字量输出模块，4通道模拟量输入模块和4通道模拟量输出量模块，累计共21 块。以上为PLC柜正面布置，为节省占地空间，设计了双面PLC 柜，背面设计安装4～20 mA信号隔离模块、端子型继电器以及输入输出端子，节省了空间，将所有元件都包含在1台控制柜中。AI模块负责采集电机温度、电机电流、出口压力、流量、泵池液位等模拟量信号。DI 模块接收阀门开关到位信号和风机、泵运行信号，DO模块连接输出继电器，控制一系列设备的启停。

1.3 系统软件设计

在软件设计上，由于现场8 台设备几乎相同，启动与停止的操作基本一致，所以只需编写1 个FC 程序块，多次调用，每台分配不同的地址，即可实现8台设备的控制。用基本指令编写梯形图是最常规的设计方法，不必掌握过多的指令［5］。对清水池的液位调节需通过超声波液位计采集清水池液位，以及用AO模块输出4～20 mA 信号来控制清水池补加水电动阀门的开度，通过程序计算，从而将液位稳定在合理区间。输入输出点均留有20%余量，方便日后扩展。

上位机画面使用西门子Wincc 画面组态软件对清环水泵房系统的控制工艺流程画面、操作记录、各设备运行数据进行统计，以及对关键参数等相关操作画面进行组态。通过以太网与西门子S7-300系列的CPU315-2PN/DP 模块进行通讯，将PLC 中的变量按要求关联到Wincc 组态画面中，若想操作某台设备，只需点击对应设备，就会弹出该设备的操作画面，按画面按钮进行操作即可。整个Wincc上位机画面系统可实现远程单独控制每台水泵的主体电机及辅助设备，也可以实现自动一键启停1个系列的所有设备；系统还可根据总管水流量及压力等参数自动调节相关电动阀门，实现清环水泵的自动投切，保障清环水供给的平衡。

清水泵池深度为5 m，为防止液位过高跑溢流，或液位过低供水不足，原现场采用的调整方式为通过监控摄像头观察液位情况，发现异常则人工前往现场手动调节水量，不仅操作频繁，还经常由于操作不及时对生产或者环境产生影响。现加装的自动调节系统通过超声波液位计采集液位，通过计算可令阀门开度在20%～30%调整，液位越高阀门的开度就越小，液位越低阀门的开度就越大，从而使清水泵池液位稳定在4.5 m左右。

2 泵房无人值守系统技术方案

2.1 管道与阀门设计

在每台环水泵连接环水泵池的进口原弯头处安装φ600 mm 的水上底阀，此阀门为单向阀门，启动环水泵前利用水上底阀阀板的自重及反力弹簧的作用，将水上底阀关闭，保证注引水时水不能流入到泵池，水泵正常运行时水流将阀门自动完全打开，水泵停止后阀门自动关闭为下一次启动做准备。

敷设安装一路φ108 mm 清水总管道，从泵房总清水管道引入水源，分别引至5 台环水泵的进口管道，通过对应的补水电动阀门给每台环水泵启动前补加清水，排除水泵及管道系统内的空气，为水泵顺利启动做准备；安装排气电磁阀和流量开关，水泵系统注水时电磁阀同时打开排气，双路同时运行增加排气效率，当流量开关检测到水流时，说明系统内空气已经排净，为保证系统一次启动成功，延时启动水泵主电机；水封水电磁阀在水泵运行时同步打开，确保轴承体运行过程中能够得到充分冷却，出口压力检测传感器检测泵的出口压力，当出口压力低于设定值时发出报警，当泵流量、压力低于设定值时自动停机并报警。

2.2 电气系统

整个泵房系统均有手动和自动2种启动模式，保留了原现场操作的功能。若选择手动模式，将现场所有操作箱的转换开关均打到手动，启动时需人工在泵房按照原流程依次启动。若选择自动模式，则将现场所有操作箱的转换开关打到自动，此时现场将无法操作，待所有自动信号到来后，计算机画面的备妥指示灯变绿，则代表可远程启动。在远程启动模式下又分为远程单动启动和远程联动启动，区分方式为Wincc电脑画面上的操作按钮，设置了单击可转换单动和联动的功能。远程单动模式下，可在操作电脑上独立操作补水电动阀、进出口电动阀、排气电磁阀、主电机冷却风机、主电机等设备。远程自动模式下，鼠标左键单击画面上所需启动水泵的联动启动按钮，补水电动阀自动打开从清水池向对应水泵系统内引水，同步打开排气电磁阀将水泵系统内的空气外排，当流量开关检测到水流信号后，说明空气已排空，延时5 s启动主电机冷却风机和主电机，打开水封水电磁阀，同步关闭补水电动阀和排气电磁阀，20 s 后系统压力建立并超过设定压力值时，自动打开出口电动阀，整个水泵系统启动完成并正常运行。联动停止水泵时，按下联动停止按钮，水泵主电机自动停止，水封水电磁阀自动关闭，延时30 s 停止主电机冷却风机后，自动关闭出口电动阀，系统恢复初始状态。当泵房无人值守自动化系统出现故障时，可临时手动运行维持生产，杜绝了因无人值守自动化系统故障对整个产线的影响。

主电机、风机、进出口电动阀、补水电动阀等设备的启停电路几乎相同，以出口电动阀门为例，阀门操作箱上的转换开关打到手动时，由现场按钮控制开关阀，当转换开关打到自动时，由远程电脑画面上的按钮进行控制。由于在自动回路中，PLC 输出为1时，对应的输出继电器常开点闭合，回路导通，开关阀门到达限位后，会因为限位的作用自动将阀门动作停止以保护电机，并断开PLC 输出。阀门控制电路如图2所示。

在每台水泵的操作箱箱门上安装1 台多回路温度巡检仪，循环检测高压电动机的绕组、前后轴承及水泵轴承体前后轴承的温度，当某点的温度超过设定值时系统自动报警，并在系统运行画面上实时显示。采用多回路温度巡检仪是为了减少价格昂贵的西门子S7-300PLC 模拟量输入模块的用量，降低项目投资成本。

在8 台高压水泵的中置柜下柜门上各安装1 台ZZGJK-II 型高压电机绕组绝缘在线监控仪用于实时监测热备用水泵高压电动机的绝缘电阻，当电动机绝缘电阻低于设定值30 MΩ 时后台上位机发出声光报警，值班电工及时对绝缘电阻不合格的高压电动机采取绝缘干燥处理，确保备用电动机始终处于热备用状态，为系统自动倒泵提供技术保障，同时该装置还可监控运行水泵系统的泄漏电流。

3 结语

（1）泵房无人值守系统使用后优化了泵房每班人数3 人，减轻了岗位工人的工作压力，改善了工作环境。

（2）系统采用当今矿山广泛使用的西门子S7-300PLC，适用度高，在工业现场无论是用于检测或者控制，都能很好地完成目标任务。另一方面，Wincc的一个主要特点是开放性，它能和所有主要厂商的PLC进行通讯。可通过交换机、网线、光纤等设备，与选厂西门子S7-400 大系统进行通讯继承，接入主控系统当中，可实现在集控中心对所有设备的集中控制和数据实时监控。

（3）系统完成后投入运行，可根据清水池液位自动调整补水电动阀门，保障清水池液位稳定在正常的范围内。拥有实时监控运行参数和记录每台水泵的累计运行时间功能，为设备检修计划提供可靠的数据支撑。

（4）系统设计简单精巧，操作通俗易懂，利用大部分现场原设备及经济实用型的PLC 模块，实用性较强，在各大矿山的泵房具有较强的推广作用。