基于PLC 和組態(tài)王的礦井主排水泵房自動化系統(tǒng)

吳敬建 李慶振 王矛庵

（山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東 汶上 272500）

1 引言

煤礦井下主排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其工作可靠性及穩(wěn)定性直接關(guān)系到全礦的安全生產(chǎn)。礦井主排水泵是防止礦井透水事故發(fā)生的關(guān)鍵設(shè)備，實現(xiàn)井下主排水泵的自動化集中控制是保障井下排水系統(tǒng)安全的有力措施。隨著自動化控制技術(shù)的發(fā)展，許多煤礦井下主排水泵控制系統(tǒng)逐步采用PLC 技術(shù)，實現(xiàn)了主排水泵房的自動控制。為滿足煤礦“提效率，降成本”的要求，濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦進(jìn)行了井下主排水泵房自動化系統(tǒng)的升級改造。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井下現(xiàn)有兩個主排水泵房以及兩個采區(qū)排水泵房，分別為-312m 水平主排水泵房、-650m 水平主排水泵房、三采區(qū)排水泵房、三采區(qū)深部排水泵房。排水設(shè)備-312m 水平選用MD500-57×7 型礦用耐磨多級離心泵4 臺，-650m 水平選用PJ200×8型高揚程多級離心泵5 臺，三采區(qū)排水泵房選用MDS420A-94×4 型礦用耐磨多級離心泵3 臺，三采區(qū)深部排水泵房選用MD300-65×9 型礦用耐磨多級離心泵3 臺。根據(jù)現(xiàn)場實際情況特設(shè)計井下主排水泵房自動化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括調(diào)度監(jiān)控中心、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場控制站和現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備4 個部分。

調(diào)度監(jiān)控中心通過操控站集中控制和監(jiān)視煤礦-312m 水平主排水泵房、-650m 水平主排水泵房、三采區(qū)排水泵房、三采區(qū)深部排水泵房的所有設(shè)備，主要有2 臺工控機（分別為主操控站和備操控站）、組態(tài)王6.55版本上位機監(jiān)控軟件和UPS不間斷電源。

工業(yè)以太網(wǎng)是集控中心操控站和現(xiàn)場控制站進(jìn)行信息傳遞的重要途徑。為了保障網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，并采用光纖作為網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)，以滿足煤礦防爆和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?。整個網(wǎng)絡(luò)由光纖、光電轉(zhuǎn)換器和以太網(wǎng)交換機組成。

四個水泵房現(xiàn)場控制站主要由西門子S7-300 系列PLC、CP343-1 以太網(wǎng)通信設(shè)備和I/O 模塊組成，與現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對主排水泵房的自動控制，并設(shè)置就地控制箱和HMI-觸摸屏實現(xiàn)就地控制。

現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備由傳感器和執(zhí)行機構(gòu)組成，用于直接檢測水倉及排水設(shè)備，將檢測到的運行數(shù)據(jù)傳送到操控站，由操控站發(fā)出控制信號。監(jiān)控設(shè)備在接收到控制信號后直接執(zhí)行控制操作。

3 主排水泵自動化設(shè)計

該礦主排水系統(tǒng)是井下排水遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，由現(xiàn)場控制單元、數(shù)據(jù)采集設(shè)備（或傳感器）等組成。井下泵房中的控制單元是整個控制系統(tǒng)的邏輯核心，主要完成各現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息的采集、處理、傳輸、遠(yuǎn)程指令的執(zhí)行等任務(wù)，實現(xiàn)主排水泵的遠(yuǎn)程集中控制。

該礦主排水自動控制系統(tǒng)可根據(jù)倉位的高低、水泵狀態(tài)等因素，實現(xiàn)合理調(diào)度、自動準(zhǔn)確發(fā)出啟、停水泵的指令，實時控制各排水管路上的電動閘閥，控制-312m 水平主排水泵房、-650m 水平主排水泵房、三采區(qū)排水泵房、三采區(qū)深部排水泵房共15臺水泵運行。水泵的控制分為：單臺水泵自動啟停和多臺水泵自動控制。

3.1 單臺水泵自動啟停

單臺水泵自動運行的過程：倉位達(dá)到上限→開啟抽真空系統(tǒng)→校驗真空度→開啟水泵→校驗水泵出水壓力→啟動水泵出水電動閥→停止真空裝置。單臺水泵自動關(guān)閉的過程：倉位達(dá)到下限→關(guān)閉水泵出水電動閥→停止水泵。單臺水泵自動啟停流程圖如圖2 所示。

圖2 單臺水泵自動啟停流程圖

3.2 多臺水泵自動控制

多臺水泵聯(lián)動控制可實現(xiàn)：

（1）根據(jù)倉位限定的不同級別控制主排水泵運行的臺數(shù)；

（2）依據(jù)主排水泵的工況參數(shù)，系統(tǒng)根據(jù)程序設(shè)定自動選擇備用泵及檢修泵，完成所有水泵的輪換工作，使各設(shè)備磨損程度均等，延長泵房水泵的使用壽命；

（3）根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷信息，以“移峰填谷”的原則確定開、停水泵的時間，從而達(dá)到節(jié)能目的。

3.3 系統(tǒng)運行方式

（1）自動控制方式

根據(jù)水泵工況，結(jié)合電網(wǎng)峰谷時間、倉位、礦井用電負(fù)荷等參數(shù)，自動開停主排水泵。

（2）就地集中控 制方式

觸摸屏采用Siemens MP277， 軟件采用SIMATIC WinCC，現(xiàn)場就地集中控制在觸摸屏上實現(xiàn)實時監(jiān)控水泵及其附屬設(shè)備的運行狀態(tài)，能夠顯示倉位、溫度、壓力、流量（瞬時流量及累計流量）、電流、電壓等參數(shù)。操作人員可在PLC 控制柜上實現(xiàn)手動一鍵自動開泵，控制系統(tǒng)自動執(zhí)行啟泵流程，大大降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。

（3）就地手動控制方式

控制系統(tǒng)工作方式選擇“就地”時，操作人員可在開關(guān)柜上手動控制設(shè)備，該工作方式主要適用于檢修設(shè)備。

4 組態(tài)王監(jiān)控系統(tǒng)

在地面調(diào)度指揮中心采用工控機作為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控組態(tài)系統(tǒng)選用KingView 6.55 組態(tài)軟件。

4.1 組態(tài)王與s7-300 通信

在組態(tài)王6.55 中對井下-312m 水平主排水泵房、-650m 水平主排水泵房、三采區(qū)排水泵房、三采區(qū)深部排水泵房進(jìn)行了組態(tài)監(jiān)控設(shè)計。組態(tài)王與井下四個PLC 主站之間采用串口通信，利用工程瀏覽器設(shè)備中的“設(shè)備配置向?qū)OM 進(jìn)行設(shè)置，每個COM 選擇對應(yīng)的PLC 廠商、型號，然后設(shè)定IP 地址。運行期間組態(tài)王通過驅(qū)動程序與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，包括采集數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)指令。

4.2 組態(tài)監(jiān)控界面

調(diào)度指揮中心主要是完成對PLC 控制器的參數(shù)傳遞與命令的傳達(dá)，同時也是人機交互的主要核心部分，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形、曲線、報表等形式的存儲與展示，負(fù)責(zé)系統(tǒng)命令的執(zhí)行、運行的監(jiān)測、維護(hù)、報警等任務(wù)。

采用組態(tài)王KingView 6.55 所設(shè)計的組態(tài)畫面主要包括：兩個整體界面，4 個-312m 水平單臺排水泵監(jiān)控畫面，5 個-650m 水平單臺排水泵監(jiān)控畫面，3 個三采區(qū)泵房單臺排水泵監(jiān)控畫面，3 個三采區(qū)深部泵房單臺排水泵監(jiān)控畫面，一個-312m 水平報警設(shè)置界面、一個-650m 水平報警設(shè)置界面、1 個三采區(qū)泵房報警設(shè)置界面、1 個三采區(qū)深部泵房報警設(shè)置界面等。

組態(tài)監(jiān)控界面具體包括主排水泵啟停狀態(tài)、電機及水泵軸承溫度、電機定子溫度、電機的電壓、電流、水泵出水壓力、流量、真空度、倉位以及各電動閥的吸合狀態(tài)等參數(shù)。

5 結(jié)語

陽城煤礦排水自動化系統(tǒng)結(jié)合了計算機技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、PLC 技術(shù)和組態(tài)王軟件，實現(xiàn)了對礦井兩個水平主排水系統(tǒng)以及兩個采區(qū)排水系統(tǒng)的實時動態(tài)監(jiān)控和管理。實踐證明該系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性較高，提高了勞動效率，取得了較好的經(jīng)濟效益，為該礦數(shù)字化礦山建設(shè)打下了堅實的基礎(chǔ)。