基于iFix的礦井排水集控系統設計與應用

劉 迪，喻振杰，曾尚琦，李 哲

(中國礦業大學 信控學院，江蘇 徐州 221008)

隨著煤炭行業快速的發展，礦井安全問題越來越被人們所重視。煤礦排水系統作為煤礦六大系統之一，主要任務是將礦井巷道的積水排出到地面上，在煤礦開采中扮演著非常重要的角色[1]。我國大部分煤礦的排水系統自動化程度不高，設備老舊嚴重，很難適應現代化的煤礦開采需求[2，3]。進入21世紀后，隨著我國科技水平的日益增長，以及工業控制行業的快速發展，煤礦排水系統取得了一定的發展[4]。1980年徐州礦務局旗山煤礦程瑞林提出了礦井主排水泵單機自動化系統，有效提高了排水效率，對之后水泵自動化發展提供了思路，但是自動化程度較低，不能實現排水系統的整體集控[5]。2001年煤炭工業邯鄲設計研究院李勝旺對中央泵房水泵自動化實施過程中遇到的問題進行了分析與探討，解決部分排水系統設計問題，但是缺乏具體的軟件系統設計方案[6]。2008年煤炭工業濟南設計研究院有限公司彭澄偉對主排水泵自動控制系統進行了研究，提出科學控制水倉水位，更好的提高排水效率，但是缺乏故障報警環節，無法及時有效的發現故障位置、類型[7]。2009年唐山學院朱全印提出了一種礦井水泵自動控制的設計，主要關于水泵節能運行，可以有效節約能源，但是缺乏相應軟件系統設計[8，9]。目前煤礦排水系統多是單機自動化控制，缺乏整體統一的集中控制，沒有水泵的故障報警畫面彈窗、語音提示，歷史記錄以及故障分析[10，11]。近年來，隨著工業技術的發展，為實現煤礦綜合自動化生產提供了可能，煤礦排水系統綜合自動化對煤炭的安全生產具有重要意義。本設計針對以上情況，使用工業控制領域先進的組態軟件iFix為任樓煤礦設計了一種礦井排水集控系統，來解決目前控制系統功能單一、故障報警環節缺失、數據記錄、電能浪費的問題。

1 系統結構

1.1 礦井排水系統概述

任樓煤礦分為一水平和二水平，其中二水平開采深度達到了-720m，二水平設置4臺水泵，2個水倉。系統采用全分布式控制結構。主要由井下水泵PLC控制箱、防爆交換機、通信網關、UPS電源、打印機、多個傳感器、調度中心上位機和綜合操作臺構成。綜合操作臺位于地面調度中心控制室，調度中心上位機與水泵PLC控制箱之間采用工業以太網絡或工業總線結構連接，水泵PLC控制箱采用矩陣結構與多個傳感器連接。井下設備的數據采集和控制由水泵PLC控制箱實現，通過集控系統，對礦井下設備進行監測和集中控制，如圖1所示。

圖1 水泵系統結構圖

1.2 系統功能

1)故障監測及報警，當水泵發生故障，相應位置的傳感器會產生故障信號，經過PLC控制箱將數據傳輸到調度中心上位機排水集控系統，系統立即停止水泵運行，發出報警語音提示，彈出故障窗口以及將故障信息記錄到數據庫中。通過故障彈窗可以知道產生故障的位置、類型，還可以打開水泵房的視頻監控，實時查看水泵房情況。

2)合理啟用水泵，提高能效比。系統運行后，在用電谷段時，會將水位降到超低水位，盡可能增加水倉的蓄水量，以便在用電峰段，可以減少水泵開啟時間，進而節約電費。編程實現水位變化測算，按照水位變化率來決定水泵開啟數目，減少水泵的頻繁開啟。

3)具有自動、手動、檢修三種模式，自動模式下，系統根據水位信息，按照下位機設置的運行邏輯控制水泵開啟；手動模式下，操作員根據現場情況，手動開啟水泵；檢修模式主要用于維修人員現場檢查維護時使用。

4)實時監測和采集各傳感器數據，并將數據記錄到數據庫中，還可以設置傳感器的參數(上限、下限、限值)、用時、超時等，方便工作人員對各傳感器的管理以及數據的查看分析。

2 井下水泵系統設計

2.1 硬件設計

任樓煤礦-720泵房共4臺水泵，出于可靠性考慮，每臺水泵都采用獨立的PLC控制箱進行控制，共設置4個PLC控制箱。本設計中PLC采用德國西門子公司生產的S7-300 PLC，S7-300 PLC具有模塊化結構，設計靈活緊湊，電磁兼容性強、抗震動沖擊性能好，非常適合煤礦井下的惡劣環境。數字量信號輸入模塊包括電動閘閥開關到位，射流閥開關到位、排氣閥開關到位、真空泵開關到位、控制模式選擇、水泵開關到位、水泵故障復位及水泵急停等。模擬量信號輸入模塊包括水倉水位、水泵正負壓、水泵前后軸溫度、電機前后軸溫度及電機電流、電壓等[11]。PLC控制箱與調度中心上位監控計算機通過網線連接來傳輸井下傳感器采集到的數據，調度中心上位機與打印機連接，方便管理員隨時打印故障報表，以及對系統參數進行分析[11]。

2.2 軟件設計

該系統軟件設計主要分為iFix組態軟件與SQL server數據庫兩部分。iFix 組態軟件設計主要分為畫面、調度、歷史庫配置、過程數據庫、I/O驅動配置、安全用戶六部分。SQL server數據庫用來記錄各種數據，方便vxDATA數據控件調用。畫面主要是集控系統各設備的直觀顯示及控制，調度主要作用是記錄數據以及報警語音文件播放，歷史庫配置主要作用是使傳感器數據以更加直觀的曲線圖的形式展現出來，方便管理員觀察其變化。安全用戶用于給不同用戶分配不同的訪問和操作權限。其中畫面主要由集控界面、數據查詢界面、傳感器參數設置界面三部分組成。集控系統畫面結構如圖2所示。

圖2 集控系統畫面結構圖

2.2.1 監控界面設計

任樓煤礦設置4臺水泵，采用抽真空方式給水泵引水，在主界面中有水流動畫的效果。系統監控主界面以灰色作為背景色，水流以藍色為背景色，監控界面分為主界面和分界面，單擊主界面上某臺水泵，能夠彈出這臺水泵控制分界面，可以清楚的看到水泵的各項參數、控制按鈕以及各閥門、管路的動畫。水泵監控主界面和水泵控制分界面如圖3、圖4所示。

圖3 水泵監控主界面

圖4 水泵控制分界面

2.2.2 故障記錄查詢界面及調度設計

通過故障調度設計，分別記錄故障名稱、故障類型、故障發生時間、故障確認時間四種信息在數據庫中。用vxDATA數據控件通過ODBC協議與數據庫連接在一起，方便管理員查找水泵故障信息。

2.2.3 傳感器歷史曲線設計

將各水泵電流、電壓、正壓等傳感器節點加入到歷史庫配置中，相關的信息就會記錄在歷史庫中，通過點擊“設置”按鈕，選擇想查看的節點，可以非常直觀的查看節點的曲線圖。

3 水泵節能原理與實現

目前煤礦井下排水系統大多數是根據水位高低來作為水泵開啟的判斷標準，分為三個水位，低水位線、高水位線、警戒水位線[10]。當水位到達高水位時，水泵開始排水，水位低于低水位線時，水泵停止排水。但是，這種控制方法沒有充分利用電價的階梯型，不能有效的節省電費。水泵開啟數目也缺乏相應的判斷依據，會導致水泵的頻繁開啟，不僅會讓用電量增加而且對設備的使用壽命造成極大的影響，針對以上情況，本設計提出了根據水位下降變化率和電價不同區間段來決定水泵開啟數目和時間段，把水位進一步細分為：超低水位、低水位、中水位、高水位、超高水位、警戒水位，在用電谷段時，盡可能的將水位降到最低，在用電峰段時，只要不影響煤礦的安全生產，暫緩水泵的開啟。根據水位下降的速率來決定水泵的開啟數目，當一臺水泵排水量大于同時間段的涌水量，不增開水泵。系統運行后，當水位高于中水位線以及在用電谷段時，開啟水泵排水，根據水位下降的速率判斷是否加開一臺水泵，直至水位到達超低水位時關閉水泵。當時間在用電谷段但水位低于中水位線和當時間在用電峰段但水位低于超高水位時，不開啟水泵，當時間在用電峰段并且水位高于超高水位時，開啟一臺水泵，根據水位下降的速率判斷是否加開一臺水泵，直至水位下降到中水位時關閉水泵。水泵排水邏輯流程如圖5所示。

圖5 水泵排水邏輯流程圖

4 結 論

針對目前煤礦排水系統存在的問題，設計研究了基于iFix的礦井排水集控系統，目前該系統已在任樓煤礦投入運行，一切運行正常。

1)采用西門子S7-300作為排水系統的PLC，提高了設備的安全性、穩定性、可靠性。

2)對傳統的避峰就谷節能方式做了改進，提高了水泵的使用效率，可以更好的保持水倉水位，減少水泵的頻繁啟動。

3)通過使用iFix組態軟件，可以方便的監測各水泵的運行狀態，當水泵出現故障時，系統可以自動語音報警、故障彈窗、故障記錄，減少故障診斷的時間，提高水泵使用效率。在不同情況下，采用不同的模式，方便工作人員管理。