基于PLC-SCADA技術(shù)的排水系統(tǒng)在某煤礦中的應(yīng)用

韓少勇

（重慶市綦江區(qū)逢春煤礦，重慶401420）

0 引 言

我國(guó)的礦井有相當(dāng)多的部分是地下礦，并且部分礦井地下水較發(fā)育，礦井排水系統(tǒng)的工作狀態(tài)直接影響著礦井的生產(chǎn)和工作人員的安全，因此排水是煤礦生產(chǎn)中極其重要的一環(huán)[1]。目前我國(guó)大部分煤礦的排水系統(tǒng)采用的是現(xiàn)場(chǎng)控制，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制，工作人員無(wú)法及時(shí)監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀況[2-4]。當(dāng)前的控制方式?jīng)Q定了水泵房需要24 h不間斷地有人現(xiàn)場(chǎng)值守，這就導(dǎo)致了人工成本的增加，同時(shí)人工控制設(shè)備也增加了因?yàn)橹蛋嗳藛T失誤或設(shè)備檢修不及時(shí)造成水位超高而引起水災(zāi)事故的風(fēng)險(xiǎn)[5]。目前我國(guó)煤炭行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)壓力較大，煤炭企業(yè)要保證安全、高效的發(fā)展，提高礦井自動(dòng)化水平、提高企業(yè)管理水平、減員增效、做到安全科學(xué)的生產(chǎn)是必經(jīng)之路。

本文結(jié)合已經(jīng)完成排水系統(tǒng)改造的某煤礦對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行研究分析，以使其能更好更快地在行業(yè)內(nèi)得到推廣。

1 改造方案

1.1 現(xiàn)狀分析

煤礦中央泵房安裝4臺(tái)MD360-40×4型煤礦用耐磨多級(jí)離心泵，真空射流啟動(dòng)，閥門均為完好的電動(dòng)閥不需要更換，配套YB450S2-4（280 kW，10 kV）隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)4臺(tái)；排水管設(shè)置3排φ273×10無(wú)縫鋼管。若無(wú)在線監(jiān)控設(shè)備，工作人員無(wú)法及時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)的行狀況及設(shè)備狀況。主要存在的問題有：1）設(shè)備需要現(xiàn)場(chǎng)操作，人員費(fèi)用高，生產(chǎn)效率低；2）系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測(cè)不及時(shí)，不能及時(shí)掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，設(shè)備維修不及時(shí)，并且人員上下井耗時(shí)較多，故障恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)生產(chǎn)的影響較大。本次計(jì)劃對(duì)煤礦中央泵房的4臺(tái)水泵進(jìn)行智能化改造。

1.2 系統(tǒng)組成

智能化排水系統(tǒng)通過可編程控制箱來(lái)采集電動(dòng)閥門、電動(dòng)機(jī)、水倉(cāng)水位，以及水流壓力等設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)，并且根據(jù)上位機(jī)的指令或者預(yù)先設(shè)計(jì)好寫入PLC的控制流程來(lái)執(zhí)行水泵工作的相關(guān)步驟。PLC控制箱根據(jù)對(duì)開關(guān)量、模擬量及通信數(shù)據(jù)等信息的綜合處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備啟停的多種控制，同時(shí)將監(jiān)測(cè)的各種設(shè)備狀態(tài)通過環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛妫尸F(xiàn)在地面監(jiān)控系統(tǒng)上[6-7]。

地面監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、工業(yè)攝像頭和監(jiān)控軟件等組成。地面監(jiān)控系統(tǒng)通過已經(jīng)建設(shè)完成的工業(yè)環(huán)網(wǎng)與井下控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，機(jī)房服務(wù)器對(duì)實(shí)時(shí)讀取到的井下監(jiān)測(cè)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行處理和儲(chǔ)存。上位機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下設(shè)備參數(shù)，并發(fā)出操作指令。系統(tǒng)工作原理見圖1。

2 工程實(shí)例

2.1 硬件安裝

1）地面上位機(jī)安裝在調(diào)度室。實(shí)時(shí)獲取經(jīng)服務(wù)器處理的數(shù)據(jù)。

2) 可編程控制器安放在水泵房變電所。由于水泵需要監(jiān)測(cè)的點(diǎn)較多，所以需要KXH18對(duì)水泵房進(jìn)行集中控制，該設(shè)備適應(yīng)能力強(qiáng)，具有人機(jī)交互報(bào)警功能，內(nèi)置擴(kuò)音電話可以實(shí)現(xiàn)調(diào)度室與井下水泵房之間的實(shí)時(shí)通信。

3) SIMATIC S-1200PLC控制開關(guān)安裝在水泵房變電所。SIMATIC S-1200是西門子公司生產(chǎn)的一款設(shè)計(jì)緊湊、節(jié)省空間、成本低廉且功能強(qiáng)大模塊化控制器。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

4) 流量傳感器安裝在主管路上。工作原理是利用超聲波在流動(dòng)的液體中傳播時(shí)的時(shí)間差的變化與流速成正比;傳感器的測(cè)量范圍為35～500 m3/h、工作電流為18 V、誤差范圍為1%，該型號(hào)的傳感器較其他的適應(yīng)能力更強(qiáng)，更精確。其檢測(cè)原理為

式中：θ為波束與液體流量的夾角；M為波束在液體中直線傳播的次數(shù)；D為管道直徑；Tup為波在正向的傳播時(shí)間；Tdown為波在逆向的傳播時(shí)間；ΔT為兩者時(shí)間差。

5）超聲波物位傳感器安放在水倉(cāng)上方。是利用傳感器探頭發(fā)射的超聲波在遇到被測(cè)介質(zhì)時(shí)，部分反射回來(lái)被接收器所接收；該設(shè)備的測(cè)量范圍更大（0～8 m），對(duì)應(yīng)的量程為4～20 mA，工作電壓為18 V。其測(cè)量原理為

式中：V為超聲波在空氣中的傳播速度；t2為發(fā)射到介質(zhì)反射的時(shí)間；t1為介質(zhì)反射到接收器接受的時(shí)間。

6）投入式水位傳感器安放在水倉(cāng)。工作原理是壓力信號(hào)經(jīng)傳感頭變換為與壓力信號(hào)成正比的直流電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過放大后送模數(shù)變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過內(nèi)部軟件換算處理可得到相對(duì)應(yīng)的水位值，再轉(zhuǎn)化成頻率信號(hào)。通過RS485 通信電路和外部進(jìn)行數(shù)字通信。該傳感器操作簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍大（0～10 m），誤差小（±2%）。

7) 本安型數(shù)字壓力表安裝在主管路。工作原理是利用傳感器內(nèi)部Wheatstone電橋的兩支電阻在外界壓力的作用下阻值變大，另外兩只電阻在拉伸作用下阻值變小，電阻阻值的變化使電橋失去平衡，并且產(chǎn)生了一個(gè)與外界壓力成正比的電壓輸出信號(hào)，最后電壓信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理形成4～20 mA的電流信號(hào)。該壓力表性能穩(wěn)定、測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)。

8) 表面溫度傳感器。可以用于煤礦井下電動(dòng)機(jī)等設(shè)備表面溫度，傳感器內(nèi)有高強(qiáng)度磁鐵可以直接吸附在被測(cè)設(shè)備表面，使用方便，測(cè)量精度較高。

2.2 軟件安裝與系統(tǒng)調(diào)試

2.2.1 調(diào)度室上位機(jī)系統(tǒng)安裝

上位機(jī)應(yīng)用SCADA組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)，可以對(duì)壓力、電流、電壓和溫度及閥門的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并可以進(jìn)行超高水位、高水位和低水位的三級(jí)設(shè)置[9]。SCADA軟件可以根據(jù)需要對(duì)主界面上的開關(guān)按鈕、狀態(tài)顯示圖形進(jìn)行形狀及顏色上的修改，當(dāng)水泵開始正常工作時(shí)管路內(nèi)會(huì)有水流動(dòng)的模擬動(dòng)畫，當(dāng)設(shè)備故障時(shí)系統(tǒng)界面會(huì)有語(yǔ)音報(bào)警和文字報(bào)警，并顯示具體故障位置；相比于以前應(yīng)用的Wincc的最大優(yōu)勢(shì)在于可以將多個(gè)不同的系統(tǒng)融合在一臺(tái)上位機(jī)上，節(jié)省了成本和調(diào)度室的空間[10]。

2.2.2 井下PLC調(diào)試

應(yīng)用西門子公司開發(fā)的博圖軟件（TIA Portal V14）對(duì)PLC進(jìn)行調(diào)試，采用梯形圖（LAD）創(chuàng)建程序代碼，將就地控制、遠(yuǎn)程控制和無(wú)人值守控制的代碼寫入可編程控制器。該系統(tǒng)能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)到的水位和水泵開停時(shí)間等按照最優(yōu)的方式啟停試泵。無(wú)人值守模式梯形圖程序代碼見圖2，系統(tǒng)工作流程見圖3。

圖2 無(wú)人值守模式梯形圖程序

圖3 系統(tǒng)工作流程

2.3 系統(tǒng)操作

某煤礦建設(shè)的智能化排水系統(tǒng)有5種控制模式：就地手動(dòng)控制、就地自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，以及無(wú)人值守控制。

1）就地手動(dòng)控制。控制開關(guān)旋轉(zhuǎn)至就地檢修模式，打開球閥開關(guān)，球閥打開后開啟底閥開關(guān)等待30 s后（空氣會(huì)從球閥排除）關(guān)閉球閥開關(guān)，打開電動(dòng)機(jī)開關(guān)，待壓力正常后開啟閘閥開關(guān)，閘閥完全打開后水泵啟動(dòng)成功。水泵關(guān)閉時(shí)先關(guān)閉閘閥，再關(guān)閉電動(dòng)機(jī)。

2）就地自動(dòng)控制。將控制開關(guān)旋轉(zhuǎn)至就地自動(dòng)位置，旋轉(zhuǎn)F4旋鈕從中間到右邊位置，過2 s再旋轉(zhuǎn)到中間位置，水泵自動(dòng)根據(jù)流程啟動(dòng)。旋轉(zhuǎn)F4旋鈕從中間到左邊位置，過2 s再旋轉(zhuǎn)到中間位置，水泵自動(dòng)根據(jù)流程停止。

3）遠(yuǎn)程手動(dòng)控制。只是將控制開關(guān)旋轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)程控制模式，現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作流程改為上位機(jī)遠(yuǎn)程操作。

4）遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。現(xiàn)場(chǎng)控制開關(guān)旋轉(zhuǎn)至遠(yuǎn)程控制，上位機(jī)遠(yuǎn)程切換到自動(dòng)模式，點(diǎn)擊一鍵啟動(dòng)就可以完成啟動(dòng)程序。

5）無(wú)人值守控制。在主排水智能化系統(tǒng)控制界面點(diǎn)擊參數(shù)設(shè)置按鈕，彈出參數(shù)設(shè)置界面，點(diǎn)擊設(shè)置低水位、高水位、超高水位、谷啟動(dòng)時(shí)間、谷結(jié)束時(shí)間，點(diǎn)擊切換主水位以1號(hào)水位還是2號(hào)水位為比較基準(zhǔn)，點(diǎn)擊無(wú)人值守按鈕，切換從遠(yuǎn)程集控顯示為無(wú)人值守。

3 效益分析

某煤礦建設(shè)的智能化排水系統(tǒng)經(jīng)過7個(gè)月的安全運(yùn)行，證明應(yīng)用的技術(shù)先進(jìn)、軟件與硬件搭配合理、系統(tǒng)兼容、工作安全可靠。

3.1 安全效益

1）由于在中央泵房安裝了高清攝像頭，使監(jiān)控中心可以實(shí)時(shí)掌握水泵房的動(dòng)態(tài)，加強(qiáng)了管理者的監(jiān)管力度，使安全生產(chǎn)的投入效益得到優(yōu)化，產(chǎn)生顯著效益；

2）智能化排水系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了“有人巡檢、無(wú)人值守”的建設(shè)目標(biāo)，精簡(jiǎn)了井下值班人員的數(shù)量，大大提高了安全性。

3）通過SCADA組態(tài)軟件在調(diào)度室可以實(shí)時(shí)對(duì)主要部件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作，解決了由于人工操作所存在的各類事故隱患；可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，防止了因設(shè)備故障處理不及時(shí)而引起的生產(chǎn)事故。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

1）改造完成后的排水系統(tǒng)可以根據(jù)水位、用電峰谷及設(shè)備的開停時(shí)間，智能化地選擇水泵啟停；能夠在地面計(jì)算機(jī)上控制各水泵的啟停；能夠顯示記錄并保存排水系統(tǒng)的重要參數(shù)，為礦井生產(chǎn)帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2）某煤礦中央水泵房原來(lái)每天每班要兩人值守，智能化改造完成后每班只需要一人巡檢，每天減員3人次，按每人工資5000 元/月計(jì)算，企業(yè)可以節(jié)省人工費(fèi)用18萬(wàn)元/a。

4 結(jié) 論

1）改造后的排水系統(tǒng)經(jīng)過7個(gè)月的運(yùn)行，煤礦將2名值守人員改為每班1人巡檢，系統(tǒng)運(yùn)行后減少了人員成本。

2）系統(tǒng)運(yùn)行后提高了排水系統(tǒng)的工作效率，從經(jīng)濟(jì)和安全方面都給企業(yè)帶來(lái)了可觀的效益，也證明了智能化排水系統(tǒng)值得在煤礦企業(yè)中大力推廣。

3）由于水泵的監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，而目前的可編程控制器的控制點(diǎn)位不夠，導(dǎo)致每臺(tái)水泵都需要一臺(tái)控制開關(guān)，整個(gè)系統(tǒng)需要的傳感器數(shù)量也比較多，這就導(dǎo)致安裝和維護(hù)工作量都非常大，所以開發(fā)出功能更強(qiáng)大的PLC和多功能傳感器是今后發(fā)展的重點(diǎn)。