國投煤炭鄭州能源開發(fā)有限公司教學(xué)三礦 都世鋒

中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院 景曉軍

徐州致安自動化設(shè)備有限公司 査 偉

國投鄭煤教學(xué)三礦泵房自動化系統(tǒng)設(shè)計

國投煤炭鄭州能源開發(fā)有限公司教學(xué)三礦 都世鋒

中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院 景曉軍

徐州致安自動化設(shè)備有限公司 査 偉

針對我礦排水系統(tǒng)運行工藝，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和最優(yōu)控制理論，設(shè)計了一套現(xiàn)代化自動排水系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)遠程動態(tài)觀測水文信息和設(shè)備工況，綜合實現(xiàn)自動排水。井下控制設(shè)備采用S7-300系列PLC，結(jié)合各種傳感器自動控制閘閥的開關(guān)。上位機采用Ifix組態(tài)軟件對監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計?？梢暬O(jiān)控畫面有利于管理人員實時遠程監(jiān)控，而且具有報警、顯示實時趨勢曲線等功能，可方便地生成各種報表。系統(tǒng)具有以下特點：水位實時在線檢測與顯示；水泵自動啟動與停止；多臺水泵實行“輪班工作制”，提高水泵使用壽命；有可擴展的工業(yè)以太網(wǎng)接口，便于系統(tǒng)集成。

水泵房；PLC；If i x組態(tài)軟件；遠程監(jiān)控

1.引言

國投鄭煤教學(xué)三礦位于登封市徐莊鄉(xiāng)，礦井水泵房仍然采用傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng)。這種排水系統(tǒng)由于自動化程度低，還做不到根據(jù)水位或其它參數(shù)自動開停水泵，嚴重影響井下主排水泵房的管理水平[1]。為建設(shè)成高水平的數(shù)字化礦井，設(shè)計對登封教學(xué)三礦井下泵房的排水系統(tǒng)進行自動化改造。本系統(tǒng)基于西門子S7-300PLC來實現(xiàn)，Ifix組態(tài)軟件編寫的上位機界面可以很方便地實現(xiàn)對水泵的自動控制，且具有查看歷史數(shù)據(jù)，打印報表等功能。各臺水泵相互連接、數(shù)據(jù)共享，地面統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一控制。數(shù)據(jù)傳輸使用以太網(wǎng)方式，多個泵房可以相互連接。電動閘閥改造采用高集成度的方案，將閘閥配電部分集成到PLC隔爆控制箱內(nèi)，以減少布線，提高集成度。

2.系統(tǒng)整體設(shè)計

井下礦用隔爆兼本安型可編程控制器通過礦下工業(yè)以太網(wǎng)，信號高速傳輸，實現(xiàn)地面集控中心與井下設(shè)備信號采集。系統(tǒng)整體設(shè)計框架如圖1。

圖1中，地面集控中心采用Ifix編寫的上位機軟件，可視化界面有利于管理者了解各種系統(tǒng)運行參數(shù)，及時對排水系統(tǒng)進行監(jiān)控。控制信號通過井下光纖以太環(huán)網(wǎng)，傳到井下PLC控制箱，在各個管道分支巷道安裝電動閘閥控制單元，通過礦用隔爆兼本安型可編程控制器實現(xiàn)閘閥的閉合斷開操作。另外流量、壓力和溫度等各種傳感器信號通過Profibus-DP總線接口傳輸?shù)絇LC控制箱內(nèi)，PLC負責采集壓力傳感器、管道流量計等設(shè)備的運行狀態(tài)和參數(shù)。系統(tǒng)供電引自就近的變電所。

3.井下設(shè)備改造

3.1 井下排水系統(tǒng)要求

目前泵房工作方式為手動操作方式，安排有值班運行人員，操作、跟蹤泵的運行[2]。

井下排水系統(tǒng)信號傳輸和控制系統(tǒng)改造應(yīng)滿足信息化的整體設(shè)計要求：

（1）實現(xiàn)井下排水泵房無人值守自動控制運行，具備網(wǎng)絡(luò)測控功能。

（2）系統(tǒng)具備遠程控制、就地自動控制、就地手動控制三種操作方式。

（3）對電機和水泵的運行參數(shù)及保護參數(shù)進行實時的監(jiān)測和傳送，這些參數(shù)包括：電機溫度、泵體溫度、水位、真空度、電壓、電流、水泵出水口壓力、各種閘閥、電磁閥的位置信號、過轉(zhuǎn)矩信號等。

（4）整個系統(tǒng)做到可靠運行、維護方便、修改靈活[3]。

3.2 設(shè)備改造

根據(jù)教學(xué)三礦的現(xiàn)場情況，結(jié)合自動化系統(tǒng)設(shè)計要求，進行以下改造：井下監(jiān)控單元由井下監(jiān)控主控站（PLC）及信號采集裝置、傳感器等組成，主控制站作為井下控制部分的通信核心，完成分站監(jiān)控信息與地面控制中心的監(jiān)控信息交互傳遞。同時，通過在現(xiàn)場的操作顯示屏，為井下巡檢人員提供整個系統(tǒng)的運行情況。另外，增加兩臺真空泵和真空泵控制箱，互為備用，兩臺真空泵進氣管處安裝電動球閥，并聯(lián)手閥；安裝真空支管以實現(xiàn)3臺泵的抽真空引水。每臺泵抽真空支管設(shè)置一臺電動球閥，并聯(lián)一臺手動閥門，以實現(xiàn)自動控制，同時不影響現(xiàn)場操作。在真空管路安裝負壓傳感器，檢測真空度，由此判斷引水是否完成。在水泵出水口安裝正壓傳感器，檢測正壓值，由此判斷是否可以開啟閥門，增加閘閥電動裝置和控制箱以實現(xiàn)上述功能[4]。

表1 PLC硬件組態(tài)表

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計圖

圖2 PLC控制程序流程圖

圖3 調(diào)度室監(jiān)控軟件界面

4.軟件設(shè)計

4.1 PLC軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用S7-300PLC，附加一個模擬量輸入模塊，一個數(shù)字量輸入輸出模塊，一個CP341通訊模塊，硬件組態(tài)如表1所示。

系統(tǒng)采用STEP7軟件編程，STEP7是用于SIMATIC S7，SIMATIC M7和SIMATIC C7可編程序控制器的標準工具軟件，與其它PLC所用的IEC編程語言是相似的。STEP 7可以在Windows下運行，有友好的用戶界面，可以容易地利用這些系統(tǒng)的資源。STEP 7以塊的形式管理用戶編寫的程序和數(shù)據(jù)，在一個塊中調(diào)用另一個塊的可能性，既使是子程序，用戶程序結(jié)構(gòu)化仍成為可能。這將顯著增加PLC程序組織的清晰性，可理解性和易維護性[5]。

PLC程序采用模塊化編程方法，選用梯形圖編程。按功能可劃分為6子程序，且全部使用功能塊來進行編寫。6個子程序為：initialize（初始化程序），read（獲取數(shù)據(jù)程序），write（發(fā)送數(shù)據(jù)程序），ve-rify（選擇比較程序），XMT complete（信息接收控制中斷程序），RCV complete（轉(zhuǎn)碼中斷程序）[6]。由于本系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計較為復(fù)雜，限于篇幅不能逐一介紹。故只對其中最為重要的主程序作較為詳細的分析說明。

主程序是整個程序的管理調(diào)度者。PLC的CPU循環(huán)掃描程序，根據(jù)井下水泵的具體運行要求調(diào)用其他相關(guān)的任務(wù)，并與其它任務(wù)一起共同完成整個系統(tǒng)的程序控制[7]。系統(tǒng)運行主程序首先要進行一系列的初始化工作，并使擴展模塊（通訊模塊等）等設(shè)備與PLC的數(shù)據(jù)傳輸正常。初始化設(shè)置的通信口0為自由口通信協(xié)議，速率為9600bit/s，通過傳送器測得數(shù)據(jù)保存在PLC的緩存中，然后依次通過發(fā)送子程序?qū)?shù)據(jù)送至控制中心[8]?？刂浦行慕邮招畔⒑髮?shù)據(jù)送至PLC中，通過PLC程序處理，輸出啟動/停止信號，達到遠程控制水泵的功能[9]。設(shè)備控制程序流程如圖2所示。

4.2 上位機軟件設(shè)計

采用美國GE Fanuc公司的Ifix組態(tài)軟件對監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，且具有報警、實生成曲線報表等功能[10]。

上位機軟件可以實現(xiàn)以下功能：

（1）自動采集、顯示水泵的各種運行參數(shù)；

（2）根據(jù)水倉水位、生產(chǎn)工作制及負荷情況控制水泵自動工作；

（3）根據(jù)監(jiān)測到的信號判斷水泵的工作情況，故障時能及時發(fā)出報警信號，并根據(jù)工作類型停泵；

（4）可自動、手動控制水泵的啟停及電動閘閥的開、關(guān)及開度，地面監(jiān)控中心可完成對水泵控制的各種操作；

（5）系統(tǒng)能與礦井綜合調(diào)度系統(tǒng)無縫連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

上位機軟件界面如圖3所示。

調(diào)度室監(jiān)控軟件有以下功能：依據(jù)水倉的液位數(shù)據(jù)實現(xiàn)對井下水泵的遠程自動控制。系統(tǒng)根據(jù)教學(xué)三礦現(xiàn)場具體情況以及時間、水位、煤礦用電負荷等參數(shù)自動開啟、停止水泵的運轉(zhuǎn)，并能實現(xiàn)泵閥的聯(lián)鎖起動，對運行中的各種參數(shù)進行實時控制，且能實現(xiàn)超限報警，實時顯示歷史曲線，生成和打印報表等功能。

5.總結(jié)

泵房自動化系統(tǒng)涉及到遠程監(jiān)控技術(shù)及工業(yè)以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，本文從教學(xué)三礦的實情出發(fā)，提出了遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。隨后又對方案進行細化，分井下設(shè)備改造和調(diào)度室上位機軟件編寫兩部分對整個系統(tǒng)進行改造。

本系統(tǒng)井下使用S7-300 PLC實現(xiàn)對泵房運行狀態(tài)信息的監(jiān)控，將泵房各種狀態(tài)信息和報警信息通過光纖以太網(wǎng)發(fā)送到調(diào)度室的上位機，信息通過OPC服務(wù)器發(fā)布，Ifix組態(tài)軟件使用OPC客戶端驅(qū)動對數(shù)據(jù)進行訪問，管理人員在上位機讀取狀態(tài)和報告信息存儲到本地數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)仍有許多需要改進的地方，如增加電動閘閥監(jiān)控對象，備用泵的投切運行等，井下供水管網(wǎng)的整體監(jiān)控等。

[1]王華,王言堂,劉猛.礦井中央水泵房自動化排水系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤炭機電,2010,10(5):27-32.

[2]蒯多磊,石必明,周地權(quán),等.五溝礦沿空掘巷煤自燃規(guī)律及數(shù)值模擬研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(10):65-68.

[3]季厭浮,胥良,王宇,等.礦井交流提升機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011,39(10):77-79.

[4]胡亞旻.基于CC—LINK總線的礦井自動排水系統(tǒng)[J].煤炭技術(shù),2010,29(11):31-33.

[5]韓兵.PLC與工控系統(tǒng)安全自動化技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2011.

[6]費杰,王翠玲.沉井施工技術(shù)在煤礦工程建設(shè)中的應(yīng)用[J].山東煤炭科技,2011,1:41-43.

[7]文嘉革.給水集中監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].上海:華東理工大學(xué),2003.

[8]丘彪.新方煤礦二水平排水系統(tǒng)的設(shè)計[J].煤礦機械,2011,32(3):223-226.

[9]文嘉革.水泵站自動設(shè)計軟件研究與開發(fā)[D].河海大學(xué),2005.

[10]王云花,李大鋒,楚凡.基于PLC的礦井中央泵房自動控制排水系統(tǒng)[J].煤礦機電,2011,1:83-85.

都世鋒（1978—），男，河南鄭州人，畢業(yè)于河南理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，國投煤炭鄭州能源開發(fā)有限公司教學(xué)三礦機電礦長，主要從事煤礦機電運輸管理等工作。