鄭廣磊 段超華 劉春峰 李軻 劉濤

摘 要：文章介紹了鄭煤集團(tuán)大平礦礦井開采方式和瓦斯抽采狀況，分析了礦井現(xiàn)有地面瓦斯抽采系統(tǒng)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(guān)鍵詞：煤礦；真空泵；PLC；一鍵式控制；監(jiān)控；自動控制

中圖分類號：TD76 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)，2004年被定性為煤與瓦斯突出礦井，核定年生產(chǎn)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(xiàn)有2BEK500型水環(huán)真空泵2臺，額定流量200 m3/min；13采區(qū)抽放泵站現(xiàn)有2BEA303型水環(huán)真空泵2臺，額定流量60 m3/min；21采區(qū)下部抽放泵站現(xiàn)有2BEA303型水環(huán)真空泵2臺，額定流量60 m3/min；21采區(qū)中部抽放泵站現(xiàn)有2BEX505型水環(huán)真空泵2臺，額定流量140 m3/min；21采區(qū)上部抽放泵站現(xiàn)有2BEA303型水環(huán)真空泵2臺，額定流量60 m3/min；15采區(qū)抽放泵站現(xiàn)有2BEX303型水環(huán)真空泵2臺，額定流量60 m3/min。

1.2 瓦斯泵站運(yùn)行狀況

井下抽采泵站，通過13采區(qū)、21采區(qū)下部、21采區(qū)中部、21采區(qū)上部抽采管道，把各采區(qū)瓦斯氣體通過配套泵站抽采至專用瓦斯回風(fēng)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(shí)現(xiàn)氣體排空或利用。

1.3 存在的問題

正常情況下，當(dāng)?shù)孛嫱咚贡谜境椴傻耐咚節(jié)舛雀哂?0%時可以送瓦斯發(fā)電站發(fā)電，低于時則直接排空。原來抽采瓦斯?jié)舛瓤咳斯っ啃r監(jiān)測一次，而瓦斯?jié)舛仁请S時變化的，有時會造成瓦斯?jié)舛葟牡陀?0%變化到10%以上時本可以發(fā)電利用的瓦斯，因?yàn)槿斯げ荒芗皶r監(jiān)測到而大量排空，造成能源浪費(fèi)，不利于高效利用。同時采用人工操作，勞動強(qiáng)度大，人力資源浪費(fèi)，工作效率低，而且設(shè)備工作狀態(tài)需要人工實(shí)時判斷，容易受到主觀因素干擾，因此不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常運(yùn)行而造成重大設(shè)備事故。

為了滿足高瓦斯礦井瓦斯抽采達(dá)標(biāo)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，同時為了適應(yīng)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(jìn)行系統(tǒng)改造，建立瓦斯抽采泵站監(jiān)控系統(tǒng)，按照控制邏輯實(shí)現(xiàn)“一鍵式”啟停操作，實(shí)現(xiàn)對瓦斯抽采參數(shù)和設(shè)備運(yùn)新參數(shù)的在線監(jiān)測和報警。

2 瓦斯泵站自動控制系統(tǒng)

整套控制系統(tǒng)分為三大部分：上位機(jī)、系統(tǒng)控制柜和現(xiàn)場儀表及控制設(shè)備。

上位機(jī)由工業(yè)計(jì)算機(jī)和組態(tài)軟件組成。

系統(tǒng)控制柜包含PLC、電源模塊、開關(guān)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(xiàn)場儀表及控制設(shè)備包括測量管道瓦斯?jié)舛?、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(huán)境甲烷傳感器、循環(huán)水泵開停傳感器、液位傳感器和溫度傳感器，控制設(shè)備真空泵電動機(jī)、循環(huán)供水泵、閥門控制箱。泵站監(jiān)控系統(tǒng)組成，如圖1所示。

①系統(tǒng)控制柜通過控制繼電器閉合/關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對真空泵電動機(jī)、循環(huán)水泵、閥門控制箱的控制，通過采集傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)，同時把處理后數(shù)據(jù)通過KJJ12環(huán)網(wǎng)交換機(jī)上傳至上位機(jī)。

②上位機(jī)可以遠(yuǎn)程控制真空泵電動機(jī)啟停、循環(huán)水泵啟停、電動閥門開關(guān)，通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理，實(shí)現(xiàn)了以動畫顯示、數(shù)據(jù)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(huán)網(wǎng)交換機(jī)，通過光纖遠(yuǎn)程傳輸?shù)秸{(diào)度中心環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，通過接入網(wǎng)線建立上位機(jī)與CPU直接通信連接。

④系統(tǒng)配置PLC采用西門子S7-1200系列，主要模塊采用SM1223開關(guān)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(tài)軟件采用KJ751泵站組態(tài)軟件，通過西門子Simatic Net建立OPC連接實(shí)現(xiàn)PLC和組態(tài)軟件之間的通信，進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)庫交換?？刂葡到y(tǒng)框架，如圖2所示。

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用KJ751泵站監(jiān)控軟件，通過監(jiān)控軟完成數(shù)據(jù)采集和報警、系統(tǒng)保護(hù)及故障判斷、系統(tǒng)按照工藝流程自動運(yùn)行，在上位機(jī)上實(shí)時顯示信息，主要功能有以下幾方面。

3.1 系統(tǒng)工藝控制

系統(tǒng)高度集成地實(shí)現(xiàn)了自動、手動和檢修三種運(yùn)行模式下的自動控制。在自動模式下系統(tǒng)可根據(jù)相應(yīng)的操作工藝流程實(shí)現(xiàn)對抽放泵啟停實(shí)現(xiàn)一鍵式操作，即系統(tǒng)可根據(jù)工藝流程中設(shè)備啟動先后的邏輯順序自動開啟或關(guān)閉相應(yīng)設(shè)備，達(dá)到一鍵式操作。在手動模式下，啟動抽放泵時系統(tǒng)具有“自動閉鎖”的功能，在閥門沒有打開、水循環(huán)泵沒有啟動等情況下，自動閉鎖瓦斯抽放泵，避免設(shè)備損壞。在檢修模式下，系統(tǒng)對設(shè)備實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)動式”啟停，此時系統(tǒng)對整體設(shè)備保護(hù)性功能最低，只有受過專業(yè)培訓(xùn)的人員才可以在該模式下進(jìn)行相應(yīng)操作。

3.2 數(shù)據(jù)監(jiān)測

系統(tǒng)能連續(xù)準(zhǔn)確監(jiān)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(huán)水的供水狀態(tài)、液位；泵房環(huán)境瓦斯?jié)舛?、抽放泵的運(yùn)行狀態(tài)、軸溫、電流、電壓、功率等。并能夠依據(jù)所測參數(shù)自動換算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的混合瓦斯流量和純流量，并準(zhǔn)確計(jì)算出累計(jì)抽放量。

3.3 故障報警

上位機(jī)對泵房瓦斯?jié)舛?、管道參?shù)、泵運(yùn)行狀態(tài)、閥門狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測顯示，可根據(jù)抽放參數(shù)監(jiān)測結(jié)果，進(jìn)行超限聲光報警、瓦斯泵斷水保護(hù)、急停控制輸出。文本顯示器可對報警信息查詢、管道參數(shù)查詢、電機(jī)參數(shù)查詢、環(huán)境參數(shù)查詢，并可對累計(jì)量進(jìn)行查詢。

3.4 數(shù)據(jù)查詢

系統(tǒng)具有實(shí)時報警和歷史報警查詢功能。實(shí)時報警可實(shí)時顯示每個測點(diǎn)參數(shù)（如超上、下限），發(fā)生報警時，監(jiān)視屏幕會彈出報警畫面，發(fā)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(jiān)控軟件能實(shí)時統(tǒng)計(jì)、分析處理存儲日、旬、月報表，供用戶查詢打印。系統(tǒng)提供各類用戶定制的各類報表，可統(tǒng)計(jì)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(shù)據(jù)均自動直接從處理后的數(shù)據(jù)中提取，無需人工干預(yù)，有效的保證數(shù)據(jù)的安全性、可靠性，同時系統(tǒng)生成的各類報表可以自動轉(zhuǎn)換成Excel電子表格。提供各系統(tǒng)內(nèi)各監(jiān)測參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)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(yù)警功能

在實(shí)時監(jiān)測軸溫、冷卻水溫和壓力等參數(shù)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型分析這些參數(shù)的波動范圍、變化速率等變量判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而對設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)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(yùn)行狀態(tài)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(xiàn)過于依賴一臺泵運(yùn)行導(dǎo)致其易損件磨損過快，而備用泵因長期不用，關(guān)鍵部件銹蝕導(dǎo)致緊急啟動時無法啟動的狀況發(fā)生，對抽放泵的運(yùn)行時間及開機(jī)效率等數(shù)據(jù)監(jiān)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(jù)。

3.8 設(shè)備故障自診斷和記憶功能

對抽放泵及相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行故障自動報警，并能根據(jù)故障類別給出故障排除措施建議；同時，系統(tǒng)可自動統(tǒng)計(jì)設(shè)備故障類別及相應(yīng)的頻次，階段性的給決策者制定設(shè)備操作管理規(guī)程提供非常有價值的參考依據(jù)。

3.9 遠(yuǎn)程監(jiān)測功能

通過交換機(jī)將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程上傳至監(jiān)控終端或局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測，同時系統(tǒng)具備以太網(wǎng)和OPC接口，可以有效與第三方廠家設(shè)備有效對接。

4 產(chǎn)生效益

4.1 數(shù)據(jù)有效性

管道瓦斯數(shù)據(jù)在原來每小時現(xiàn)場檢測一次，改變?yōu)閷?shí)時在線監(jiān)測，減少現(xiàn)場巡視人員2～3人，避免人為因素影響，做到數(shù)據(jù)實(shí)時有效性。

4.2 供氣可靠性

當(dāng)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(fèi)。當(dāng)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(tǒng)自動操作

在上位機(jī)組態(tài)軟件，通過操作系統(tǒng)啟動按鈕，自動啟停真空泵、循環(huán)水泵和配套電動閥門等設(shè)備，達(dá)到自動控制目的，有效減少人為操作事故發(fā)生。

5 結(jié) 語

KJ751泵站監(jiān)控系統(tǒng)安裝在大平礦地面瓦斯泵站，對真空泵及電動機(jī)工作狀態(tài)，管道氣體數(shù)據(jù)，供水狀態(tài)，環(huán)境狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測，完成對設(shè)備自動化控制，大大改善現(xiàn)場人員工作條件，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控要求，為現(xiàn)代化礦井發(fā)展提供有效決策依據(jù)，泵站運(yùn)行效率明顯提高，維護(hù)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(huán)境影響。

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