KJ751泵站監控系統在大平礦的應用

鄭廣磊 段超華 劉春峰 李軻 劉濤

摘 要：文章介紹了鄭煤集團大平礦礦井開采方式和瓦斯抽采狀況，分析了礦井現有地面瓦斯抽采系統存在問題，研究基于S7-1200PLC的瓦斯泵站自動控制組成及工作原理，簡述了礦井地面瓦斯泵站自動控制效果。

關鍵詞：煤礦；真空泵；PLC；一鍵式控制；監控；自動控制

中圖分類號：TD76 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）24-0050-02

1 大平礦概況

1.1 抽采條件

大平礦位于新密市和登封市交界處，距鄭州50 km，大平煤礦1986年建成投產，2004年被定性為煤與瓦斯突出礦井，核定年生產能力90萬t，是全國五對防突示范礦井之一。

地面抽放泵站現有2BEK500型水環真空泵2臺，額定流量200 m3/min；13采區抽放泵站現有2BEA303型水環真空泵2臺，額定流量60 m3/min；21采區下部抽放泵站現有2BEA303型水環真空泵2臺，額定流量60 m3/min；21采區中部抽放泵站現有2BEX505型水環真空泵2臺，額定流量140 m3/min；21采區上部抽放泵站現有2BEA303型水環真空泵2臺，額定流量60 m3/min；15采區抽放泵站現有2BEX303型水環真空泵2臺，額定流量60 m3/min。

1.2 瓦斯泵站運行狀況

井下抽采泵站，通過13采區、21采區下部、21采區中部、21采區上部抽采管道，把各采區瓦斯氣體通過配套泵站抽采至專用瓦斯回風巷，21 081上付巷和21 161底抽巷的瓦斯抽采管路，通過地面瓦斯泵站抽采，實現氣體排空或利用。

1.3 存在的問題

正常情況下，當地面瓦斯泵站抽采的瓦斯濃度高于10%時可以送瓦斯發電站發電，低于時則直接排空。原來抽采瓦斯濃度靠人工每小時監測一次，而瓦斯濃度是隨時變化的，有時會造成瓦斯濃度從低于10%變化到10%以上時本可以發電利用的瓦斯，因為人工不能及時監測到而大量排空，造成能源浪費，不利于高效利用。同時采用人工操作，勞動強度大，人力資源浪費，工作效率低，而且設備工作狀態需要人工實時判斷，容易受到主觀因素干擾，因此不能及時發現設備異常運行而造成重大設備事故。

為了滿足高瓦斯礦井瓦斯抽采達標驗收標準，同時為了適應未來瓦斯抽采泵站自動化控制需求，需要對地面瓦斯抽采泵站進行系統改造，建立瓦斯抽采泵站監控系統，按照控制邏輯實現“一鍵式”啟停操作，實現對瓦斯抽采參數和設備運新參數的在線監測和報警。

2 瓦斯泵站自動控制系統

整套控制系統分為三大部分：上位機、系統控制柜和現場儀表及控制設備。

上位機由工業計算機和組態軟件組成。

系統控制柜包含PLC、電源模塊、開關量輸入輸出模塊、模擬量輸入模塊、通信模塊和安全隔離柵。

現場儀表及控制設備包括測量管道瓦斯濃度、流量、壓力、溫度的傳感器、真空泵軸溫傳感器、開停傳感器、泵站環境甲烷傳感器、循環水泵開停傳感器、液位傳感器和溫度傳感器，控制設備真空泵電動機、循環供水泵、閥門控制箱。泵站監控系統組成，如圖1所示。

①系統控制柜通過控制繼電器閉合/關斷，實現對真空泵電動機、循環水泵、閥門控制箱的控制，通過采集傳感器數據實時監測設備工作狀態，同時把處理后數據通過KJJ12環網交換機上傳至上位機。

②上位機可以遠程控制真空泵電動機啟停、循環水泵啟停、電動閥門開關，通過對現場數據的采集處理，實現了以動畫顯示、數據曲線、報表輸出、故障報警等多種功能。

③可編程控制器模塊采用西門子S7_1200系列，通過PLC自帶RJ45接口連接到接入環網交換機，通過光纖遠程傳輸到調度中心環網交換機，通過接入網線建立上位機與CPU直接通信連接。

④系統配置PLC采用西門子S7-1200系列，主要模塊采用SM1223開關量輸入輸出模塊（16輸入通道、16輸出通道）4塊，SM1231模擬量輸入模塊（8電流/電壓通道）3塊，SM1231模擬量輸入模塊（8電阻通道）2塊，編程軟件采用TIA V12，工控組態軟件采用KJ751泵站組態軟件，通過西門子Simatic Net建立OPC連接實現PLC和組態軟件之間的通信，進行實時數據庫交換。控制系統框架，如圖2所示。

3 系統功能

系統監控軟件采用KJ751泵站監控軟件，通過監控軟完成數據采集和報警、系統保護及故障判斷、系統按照工藝流程自動運行，在上位機上實時顯示信息，主要功能有以下幾方面。

3.1 系統工藝控制

系統高度集成地實現了自動、手動和檢修三種運行模式下的自動控制。在自動模式下系統可根據相應的操作工藝流程實現對抽放泵啟停實現一鍵式操作，即系統可根據工藝流程中設備啟動先后的邏輯順序自動開啟或關閉相應設備，達到一鍵式操作。在手動模式下，啟動抽放泵時系統具有“自動閉鎖”的功能，在閥門沒有打開、水循環泵沒有啟動等情況下，自動閉鎖瓦斯抽放泵，避免設備損壞。在檢修模式下，系統對設備實現“點動式”啟停，此時系統對整體設備保護性功能最低，只有受過專業培訓的人員才可以在該模式下進行相應操作。

3.2 數據監測

系統能連續準確監測泵房及井下抽放管路瓦斯的濃度、流量、壓力、溫度及部分管道一氧化碳；泵房中循環水的供水狀態、液位；泵房環境瓦斯濃度、抽放泵的運行狀態、軸溫、電流、電壓、功率等。并能夠依據所測參數自動換算標準狀態下的混合瓦斯流量和純流量，并準確計算出累計抽放量。

3.3 故障報警

上位機對泵房瓦斯濃度、管道參數、泵運行狀態、閥門狀態等參數進行監測顯示，可根據抽放參數監測結果，進行超限聲光報警、瓦斯泵斷水保護、急停控制輸出。文本顯示器可對報警信息查詢、管道參數查詢、電機參數查詢、環境參數查詢，并可對累計量進行查詢。

3.4 數據查詢

系統具有實時報警和歷史報警查詢功能。實時報警可實時顯示每個測點參數（如超上、下限），發生報警時，監視屏幕會彈出報警畫面，發出報警聲響信號。歷史報警允許用戶隨時查詢、打印所有報警記錄。

3.5 報表分析

監控軟件能實時統計、分析處理存儲日、旬、月報表，供用戶查詢打印。系統提供各類用戶定制的各類報表，可統計日抽采混和量、月抽采混和量、日抽采純量和月抽采純量，報表所需要的數據均自動直接從處理后的數據中提取，無需人工干預，有效的保證數據的安全性、可靠性，同時系統生成的各類報表可以自動轉換成Excel電子表格。提供各系統內各監測參數的歷史數據查詢、曲線查詢和打印，并提供專門的瓦斯抽放日報表和瓦斯月報表。

3.6 故障預警功能

在實時監測軸溫、冷卻水溫和壓力等參數的數據基礎上，通過建立相應的數學模型分析這些參數的波動范圍、變化速率等變量判斷設備運行狀態，進而對設備進行故障預警。

3.7 智能管理功能

就目前煤礦瓦斯抽放泵站的抽放泵運行狀態來說一般分為使用和備用兩種情況，有的地方為使用/備用/檢修等三種情況。為了避免出現過于依賴一臺泵運行導致其易損件磨損過快，而備用泵因長期不用，關鍵部件銹蝕導致緊急啟動時無法啟動的狀況發生，對抽放泵的運行時間及開機效率等數據監測和處理，及時為決策者制定工藝流程提供有價值的參考依據。

3.8 設備故障自診斷和記憶功能

對抽放泵及相應設備進行故障自動報警，并能根據故障類別給出故障排除措施建議；同時，系統可自動統計設備故障類別及相應的頻次，階段性的給決策者制定設備操作管理規程提供非常有價值的參考依據。

3.9 遠程監測功能

通過交換機將設備運行狀態遠程上傳至監控終端或局域網，實現對現場設備的運行狀態實時監測，同時系統具備以太網和OPC接口，可以有效與第三方廠家設備有效對接。

4 產生效益

4.1 數據有效性

管道瓦斯數據在原來每小時現場檢測一次，改變為實時在線監測，減少現場巡視人員2～3人，避免人為因素影響，做到數據實時有效性。

4.2 供氣可靠性

當氣體濃度大于10%，自動打開用氣閥門，充分利用能源，減少能源浪費。當氣體濃度小于10%時，自動打開排空閥門，氣體直接排空，保證利用氣體濃度大于10%要求。

4.3 系統自動操作

在上位機組態軟件，通過操作系統啟動按鈕，自動啟停真空泵、循環水泵和配套電動閥門等設備，達到自動控制目的，有效減少人為操作事故發生。

5 結 語

KJ751泵站監控系統安裝在大平礦地面瓦斯泵站，對真空泵及電動機工作狀態，管道氣體數據，供水狀態，環境狀態實時監測，完成對設備自動化控制，大大改善現場人員工作條件，滿足遠程監測監控要求，為現代化礦井發展提供有效決策依據，泵站運行效率明顯提高，維護時間明顯縮短。同時瓦斯氣體及時利用，在提高效益方面增加顯著，且有效減少瓦斯氣體直接排空對環境影響。

參考文獻：

[1] 郝鵬雁.自動化系統在顧橋煤礦瓦斯抽排泵站的應用[J].淮南職業技術學院報，2008，（3）.

[2] 朱文杰.S7-1200 PLC編程設計與案例分析[M].北京：機械工業出版社，2011.