國投鄭煤教學三礦泵房自動化系統設計

國投煤炭鄭州能源開發有限公司教學三礦 都世鋒

中國礦業大學信電學院 景曉軍

徐州致安自動化設備有限公司 査 偉

國投鄭煤教學三礦泵房自動化系統設計

國投煤炭鄭州能源開發有限公司教學三礦 都世鋒

中國礦業大學信電學院 景曉軍

徐州致安自動化設備有限公司 査 偉

針對我礦排水系統運行工藝，結合現代工業技術和最優控制理論，設計了一套現代化自動排水系統。能夠實現遠程動態觀測水文信息和設備工況，綜合實現自動排水。井下控制設備采用S7-300系列PLC，結合各種傳感器自動控制閘閥的開關。上位機采用Ifix組態軟件對監控系統進行設計。可視化監控畫面有利于管理人員實時遠程監控，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；有可擴展的工業以太網接口，便于系統集成。

水泵房；PLC；If i x組態軟件；遠程監控

1.引言

國投鄭煤教學三礦位于登封市徐莊鄉，礦井水泵房仍然采用傳統的人工操作排水系統。這種排水系統由于自動化程度低，還做不到根據水位或其它參數自動開停水泵，嚴重影響井下主排水泵房的管理水平[1]。為建設成高水平的數字化礦井，設計對登封教學三礦井下泵房的排水系統進行自動化改造。本系統基于西門子S7-300PLC來實現，Ifix組態軟件編寫的上位機界面可以很方便地實現對水泵的自動控制，且具有查看歷史數據，打印報表等功能。各臺水泵相互連接、數據共享，地面統一調度、統一控制。數據傳輸使用以太網方式，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，以減少布線，提高集成度。

2.系統整體設計

井下礦用隔爆兼本安型可編程控制器通過礦下工業以太網，信號高速傳輸，實現地面集控中心與井下設備信號采集。系統整體設計框架如圖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運行參數，及時對排水系統進行監控。控制信號通過井下光纖以太環網，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總線接口傳輸到PLC控制箱內，PLC負責采集壓力傳感器、管道流量計等設備的運行狀態和參數。系統供電引自就近的變電所。

3.井下設備改造

3.1 井下排水系統要求

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]。

井下排水系統信號傳輸和控制系統改造應滿足信息化的整體設計要求：

（1）實現井下排水泵房無人值守自動控制運行，具備網絡測控功能。

（2）系統具備遠程控制、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及保護參數進行實時的監測和傳送，這些參數包括：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、過轉矩信號等。

（4）整個系統做到可靠運行、維護方便、修改靈活[3]。

3.2 設備改造

根據教學三礦的現場情況，結合自動化系統設計要求，進行以下改造：井下監控單元由井下監控主控站（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，完成分站監控信息與地面控制中心的監控信息交互傳遞。同時，通過在現場的操作顯示屏，為井下巡檢人員提供整個系統的運行情況。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，并聯手閥；安裝真空支管以實現3臺泵的抽真空引水。每臺泵抽真空支管設置一臺電動球閥，并聯一臺手動閥門，以實現自動控制，同時不影響現場操作。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上述功能[4]。

表1 PLC硬件組態表

圖1 系統整體設計圖

圖2 PLC控制程序流程圖

圖3 調度室監控軟件界面

4.軟件設計

4.1 PLC軟件設計

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

系統采用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的資源。STEP 7以塊的形式管理用戶編寫的程序和數據，在一個塊中調用另一個塊的可能性，既使是子程序，用戶程序結構化仍成為可能。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（獲取數據程序），write（發送數據程序），ve-rify（選擇比較程序），XMT complete（信息接收控制中斷程序），RCV complete（轉碼中斷程序）[6]。由于本系統的PLC程序設計較為復雜，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度者。PLC的CPU循環掃描程序，根據井下水泵的具體運行要求調用其他相關的任務，并與其它任務一起共同完成整個系統的程序控制[7]。系統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）等設備與PLC的數據傳輸正常。初始化設置的通信口0為自由口通信協議，速率為9600bit/s，通過傳送器測得數據保存在PLC的緩存中，然后依次通過發送子程序將數據送至控制中心[8]。控制中心接收信息后將數據送至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]。設備控制程序流程如圖2所示。

4.2 上位機軟件設計

采用美國GE Fanuc公司的Ifix組態軟件對監控系統進行設計，方便地構成監控畫面，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以下功能：

（1）自動采集、顯示水泵的各種運行參數；

（2）根據水倉水位、生產工作制及負荷情況控制水泵自動工作；

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

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

（5）系統能與礦井綜合調度系統無縫連接，實現數據的共享。

上位機軟件界面如圖3所示。

調度室監控軟件有以下功能：依據水倉的液位數據實現對井下水泵的遠程自動控制。系統根據教學三礦現場具體情況以及時間、水位、煤礦用電負荷等參數自動開啟、停止水泵的運轉，并能實現泵閥的聯鎖起動，對運行中的各種參數進行實時控制，且能實現超限報警，實時顯示歷史曲線，生成和打印報表等功能。

5.總結

泵房自動化系統涉及到遠程監控技術及工業以太網組網技術，本文從教學三礦的實情出發，提出了遠程監控系統的總體設計方案。隨后又對方案進行細化，分井下設備改造和調度室上位機軟件編寫兩部分對整個系統進行改造。

本系統井下使用S7-300 PLC實現對泵房運行狀態信息的監控，將泵房各種狀態信息和報警信息通過光纖以太網發送到調度室的上位機，信息通過OPC服務器發布，Ifix組態軟件使用OPC客戶端驅動對數據進行訪問，管理人員在上位機讀取狀態和報告信息存儲到本地數據庫中。系統仍有許多需要改進的地方，如增加電動閘閥監控對象，備用泵的投切運行等，井下供水管網的整體監控等。

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

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[3]季厭浮,胥良,王宇,等.礦井交流提升機雙閉環調速系統設計[J].煤炭科學技術,2011,39(10):77-79.

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[7]文嘉革.給水集中監控系統的研究與應用[D].上海:華東理工大學,2003.

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

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[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[J].煤礦機電,2011,1:83-85.

都世鋒（1978—），男，河南鄭州人，畢業于河南理工大學電氣工程及其自動化專業，國投煤炭鄭州能源開發有限公司教學三礦機電礦長，主要從事煤礦機電運輸管理等工作。