作者：杨平 （南京万德斯环保科技股份有限公司，江苏 南京 211100）


摘要：为了提高煤矿矿井水的利用率，降低其排放污染环境，本文讨论了西门子 S7－400PLC 技术在煤矿矿 井水零排放深度处理中的应用，分析了煤矿矿井水的处理工艺流程及其特点，并探讨了西门子 S7－400PLC 自动控制系统的功能及应用。实践证明，在煤矿矿井水零排放处理中，PLC 控制系统具有操作简便、故障率低 等优点，可大大降低劳动强度，使系统的可靠性更高。

关键词：PLC 控制系统；煤矿矿井水；S7－400 PLC；零排放

传统的矿井水处理就将其排到地面，之后通 过沉淀、混凝、澄清等过滤掉悬浮物，在进行电渗 析或者膜处理等方式达到浓缩脱盐的效果，该方 式耗能大，处理系统繁琐。而实现矿井水基于 PLC 的 S7－400PLC 西门子系统自动化控制处理，可以 有效实现矿井水处理工艺的自动化，更好的提高水 处理效率。

1 处理煤矿矿井水的流程和系统框架

矿井水处理流程对应的控制系统架构详见图 1 所示。先将处理后的矿井水提上来放入调节池内， 其中调节池内安装曝气系统，出水时在 V 型滤池 中将氧化水加入铁锰离子，将水中的残留悬浮 物、铁锰沉淀物和胶体过滤掉，出水进行一级预处 理操作。 一级膜浓度预处理是通过超滤和自清洗过滤 器实现操作的，这样可以提高进水反渗透的水质 情况，降低污染物造成的堵塞，从而保证膜的长久 使用。一级膜的浓缩回收率是 70％，一级膜进入二 级膜，需要对该浓水进行钙、镁、硅等成分继续你 那个咬肌软化去除，而这些去除的沉淀物会经过 管式实现微滤的目的，这样就可以进入二级膜浓 度反渗透单元了，二级膜浓缩回收率达到 80％。 浓水经过二级膜浓缩后含盐量在 40000mg ／ L 左右，这时还需要通过咬肌进行钙、镁的软化去 除，在进行管式微滤将镁沉淀物转入到离子小环 系统，将钡离子去除，脱碳之后进入三级膜浓缩，回收率是 55％，其中含盐量 100000mg ／ L 以上，等 待蒸发结晶。 之后将三级膜浓缩后的水转移到产品水池 中，等待回收利用。经过管式微滤出的离子、浓缩 液等废液储存到经管式中，进行化学沉淀，之后将 产生的泥渣压滤处理，在将上清液分配到各级浓 水预处理中，实现循环处理效果，并委托给固废相 关部门进行处理。澄清处理的滤池反冲洗水在调 节池，而污泥水返给洗煤厂中的浓缩池进行处理。

2 自动控制系统程序设计

自动控制系统分为主程序和子程序，其中主 要功能程序包括：自动反冲洗过滤程序、模拟工艺 量处理程序、自动加药子程序、自动消毒程序、煤 泥处理程序，恒压供水程序等。 自动反冲洗过滤程序：就是根据原水池液位 变化实现自动原水泵启停调整，从进行过滤系统 前后压差和压差设定的数据进行数据分析，在触 动反冲洗阀门自动开启，实现反冲洗操作。 模拟工艺量处理：模拟工艺参数是通过安装在 线检测仪器来记录系统运行的过程，主要记录数据 包括：液压、液位、pH 值、流量和电导率等参数。先 进行数据的采集在传输给自动控制系统进行分析， 得出结论实现结果控制，完成操作。 自动加药程序：主要是控制处理水的药剂调和 投放自动化。系统工作原理是先进行运行水量和 水质变化情况进行检测分析，在自动实现药剂的投 放。另外，加药泵的计量系统和对应的要想是也液 位连锁的。 恒压供水程序：主要实现供水泵变频速度自动 控制。先进行供水管网水压监测分析，之后通过变 频器中的 PID 控制环进行恒压供水。 自动消毒程序：该程序需要是调节加氯量，通 过控制二氧化氯发生器和加氯增压泵两者，检测 出水量情况实现氯添加量控制。在根据氯量情况 利用电磁脉冲实现对氯酸钠和盐酸泵数量的控制 调节。 煤泥处理程序：主要负责判断和分析煤泥水池 液位的变化，通过煤泥压过滤系统启动压滤机和煤 泥泵，从而实现处理煤泥水问题。 3 S7－400PLC 西门子系统在矿井水零排放深 度处理中系统设计


3．1 系统构成

整个系统是在 PLC 网络监控下实现自动化操 作，该组成部分分为：视频监控系统、PLC 控制系 统，Wince 是负责监控这 2 个系统上位机的组态软 件，其主要负责采集现场离散数据和核心，进行可 编程 S7－400PLC 西门子系统控制，同时监控管理 沉淀、加药、过滤和压泥系统设备，同时记录相关 的检测数据，比如：浊度、氨氮、流量 pH 值等，以及 事故报警、历史记录和报表日志等数据，最后将数 据收录到上位机处进行寄存备份。

3．2 PLC 控制系统

PLC 控制系统它是一种可编程的储存器，可以 实现顺序控制、逻辑运算、算术操作、定时和计算等 图 1 工艺流程 面向用户的指令，同时该程序可以实现数字模拟控制系统的机械生产过程信息输出／输入。PLC 控制 系统也称可编程逻辑控制器，是一种专门服务于 工业生产的数字运算操作电子设备，它的可编程 功能可以时刻储存内部程序。本文系统主从站结 构以 S7－400PLC 西门子系统控制系统为主，从站 是 S7－200PLC，主站是 S7－300PLC，主站、从站和 I／ O 模块都在系统的总线上链接，每一个站点都是通 过 CP 模块与实时交换机相连接，同时共存在以太 网上。各站点之间的通信，是先通过编程软件进行 每个 PLC 站点硬件组态，给网络系统设置 IP 地 址，比如：192．157．0．3，子网掩码 255．255．255．3，这 就进行 WinCC 组态与 TCP ／ IP 驱动实现连接通信， 最后生成监控变量，从而实现监控 PLC 系统数据， 以及生产控制。

3．3 视频监控系统

监控设备采用的是可控制普通摄像机和一体 球机，其都是在 TCP ／ IP 协议网络环境中，实现视频 监控。在以太网环境下，将多个摄像机和 POE 供电 交换机进行连接，之后与实时环交换机相连。每个监 控设备都和 S7－400PLC 西门子系统有相同的 IP 段，但是 IP 地址不同，比如：192．166．0．0，子网掩码是 255．255．255．0，进行 WinCC 组态时利用 IP 地址与摄 像机监控画面进行连接。这时可以通过 NVR 录像机 来监控网络摄像机的动态，也要设置相应的 IP 地址 和子网掩码，这样才能在 WinCC 组态中查找录像。

3．3 监控中心

在工业以太网中，将一台高性能工控计算机安 装到监控中心，之后将其与实时环交换机相连接入 网上，同时将西门子组态软件 WinCC 安装在计算机 系统中。PLC 系统、监控视频系统、网络计算机都是 相同 IP 段，不同的 IP 地址，也是在 TCP／IP 协议中 将 WinCC 组态软件和视频监控、S7－400PLC 西门 子系统实现数据通信。 4 数据库的构成

采集设备现场的数据是哟传感器来实现，有些 传感器的数据是通过通信接口 RS485 余本安型 IO 分站链接，实现数据传输。其中 S7－400PLC 西门子 系统控制柜负责将电动配水阀和电动闸阀数据通 过数字量采集卡实现数据传送，而压力传感器和 液位传感器是在 S7－400PLC 西门子系统控制柜模 拟量采集卡中将数据传给 PLC 控制器。 数据库的构成包括两个部分：数据监测和自动 采集，这两部分为矿井水控制系统提供了远程控制 的基础。其中数据采集的方式有两种：数字量信息、 模拟量信息。才部分采集的数据由 S7－400PLC 西 门子系统主处理模块读取，从而提高数据处理的 效率，缩短系统反应的时间。监控站和数据采集系 统都在工业以太网环境下，通过德国西门子 1500＋ ET200SP 和先进的控制过程软件，来保证数据读取 和处理的准确性。 模拟量数据主要包括：采集水泵前后轴温，电机 绕组温度（测量点），水泵真空压力，水泵出口阀门开 度、水泵出口压力，液位等。 数据量数据主要包括：采集电磁阀工作情况， 水泵启停情况，闸阀启闭位置和工作状态，各种设 备故障情况。 控制系统通过检测数据库系统模拟量信号，比 如：电机温度、水泵轴温度等参数实现对电机运行 情况和水泵的检测，同时还能实现超限报警，避免 水泵启停操作频繁，出现电机损坏情况。

5 硬件构成
根据矿井水处理站工艺特点，可以将整个控制系 统分为管理层、现场层、控制层等。因为现场的电 控设备和采集点密集，需在该部分建立西门子 图 2 上机位监控状态图 1500PLC 分站进行远程数据采集，这时可将控制设备和现场检测仪表相连，共存在TCP／IP 网络环境下， 通过 OPC Server DA 和上位机设备实现数据传输。 5．1 管理层 管理层主要实现系统组态，通过控制参数的可 修改性，同时实现设备运行状态、处理矿井水工艺和 设备集中控制。实时视频联动和超限故障报警等功 能。在整个监控系统中管理层属于中枢结构，为人机 提供接口，从而完整整个控制系统的信息传递界面。 5．2 管理层

管理层计算机设备通过光缆和网线实现与控 制层的 PLC 实现连接，在 PLC 设备上安装通信接 口，在以太网环境下实现数据的通信。该部分主要 实现管理层命令、参数的接收和采集设备数据，上 传矿井水处理系统从而实现控制管理。 图 3 系统拓扑结构 6 软件构成 软件监控系统的主要任务是将工艺生产过程 产生的数据和实时视频在同一个界面上显示，所 以要考虑视频监控和数据监控问题，这样可以根 据实际情况实现授权用户的操作，以及进行工业 现场各种设备的实时视频画面和设备控制预览。 常规的工艺监控、历史数据记录、报警处理和用户 管理可以在 WiCC 中实现，这样实现相对方便，重 点是要实现视频监控。 实 现 Wi nCC 中的图像监 控 ， 就 需 要 利 用 Active 技术。在 TCP／IP 协议中将视频信息传送到 硬件录像机中储存，而计算机视频信号压缩编码 数据包需要通过解压软件进行解压，这时就需要 在 ActiveX 进行数据解压、通讯控制信息和图像 还原等功能进行集中控制，之后再 Wincc 中进行注 册激活，实现空间调用。另外，将控制实例和按钮 BtnConnect 插入Wincc 画面中，这样就不要进行手动 摄像头用户和密码登录。 另外，还可以利用控件条用的属性、方法和时 间，实现视频录像。抓怕、画面分割、回放、图像质量 调整等功能操作，这样可以使监控软件实现数据 监控和视频监控的功能。

6 结束语

PLC 自动化操作系统具有简单易操作、运行稳 定的优势，可以实现无人值守的自动化水处理，也 能进一步实现智能化矿井水处理的目的。将 PLC 自动控制系统引入煤矿矿井的深度处理零排放方 面，在长时间的不断发展中，还可以实现处理系统 的实时监控，这样可以更有效的降低设备运行中 出现的故障，从降低劳动率。