劉 迪，喻振杰，曾尚琦，李 哲

(中國礦業(yè)大學(xué) 信控學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

隨著煤炭行業(yè)快速的發(fā)展，礦井安全問題越來越被人們所重視。煤礦排水系統(tǒng)作為煤礦六大系統(tǒng)之一，主要任務(wù)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(tǒng)自動(dòng)化程度不高，設(shè)備老舊嚴(yán)重，很難適應(yīng)現(xiàn)代化的煤礦開采需求[2，3]。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著我國科技水平的日益增長，以及工業(yè)控制行業(yè)的快速發(fā)展，煤礦排水系統(tǒng)取得了一定的發(fā)展[4]。1980年徐州礦務(wù)局旗山煤礦程瑞林提出了礦井主排水泵單機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)，有效提高了排水效率，對(duì)之后水泵自動(dòng)化發(fā)展提供了思路，但是自動(dòng)化程度較低，不能實(shí)現(xiàn)排水系統(tǒng)的整體集控[5]。2001年煤炭工業(yè)邯鄲設(shè)計(jì)研究院李勝旺對(duì)中央泵房水泵自動(dòng)化實(shí)施過程中遇到的問題進(jìn)行了分析與探討，解決部分排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，但是缺乏具體的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[6]。2008年煤炭工業(yè)濟(jì)南設(shè)計(jì)研究院有限公司彭澄偉對(duì)主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出科學(xué)控制水倉水位，更好的提高排水效率，但是缺乏故障報(bào)警環(huán)節(jié)，無法及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)故障位置、類型[7]。2009年唐山學(xué)院朱全印提出了一種礦井水泵自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)，主要關(guān)于水泵節(jié)能運(yùn)行，可以有效節(jié)約能源，但是缺乏相應(yīng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[8，9]。目前煤礦排水系統(tǒng)多是單機(jī)自動(dòng)化控制，缺乏整體統(tǒng)一的集中控制，沒有水泵的故障報(bào)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(yè)技術(shù)的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)煤礦綜合自動(dòng)化生產(chǎn)提供了可能，煤礦排水系統(tǒng)綜合自動(dòng)化對(duì)煤炭的安全生產(chǎn)具有重要意義。本設(shè)計(jì)針對(duì)以上情況，使用工業(yè)控制領(lǐng)域先進(jìn)的組態(tài)軟件iFix為任樓煤礦設(shè)計(jì)了一種礦井排水集控系統(tǒng)，來解決目前控制系統(tǒng)功能單一、故障報(bào)警環(huán)節(jié)缺失、數(shù)據(jù)記錄、電能浪費(fèi)的問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 礦井排水系統(tǒng)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(dá)到了-720m，二水平設(shè)置4臺(tái)水泵，2個(gè)水倉。系統(tǒng)采用全分布式控制結(jié)構(gòu)。主要由井下水泵PLC控制箱、防爆交換機(jī)、通信網(wǎng)關(guān)、UPS電源、打印機(jī)、多個(gè)傳感器、調(diào)度中心上位機(jī)和綜合操作臺(tái)構(gòu)成。綜合操作臺(tái)位于地面調(diào)度中心控制室，調(diào)度中心上位機(jī)與水泵PLC控制箱之間采用工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)或工業(yè)總線結(jié)構(gòu)連接，水泵PLC控制箱采用矩陣結(jié)構(gòu)與多個(gè)傳感器連接。井下設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制由水泵PLC控制箱實(shí)現(xiàn)，通過集控系統(tǒng)，對(duì)礦井下設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和集中控制，如圖1所示。

圖1 水泵系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)功能

1)故障監(jiān)測及報(bào)警，當(dāng)水泵發(fā)生故障，相應(yīng)位置的傳感器會(huì)產(chǎn)生故障信號(hào)，經(jīng)過PLC控制箱將數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度中心上位機(jī)排水集控系統(tǒng)，系統(tǒng)立即停止水泵運(yùn)行，發(fā)出報(bào)警語音提示，彈出故障窗口以及將故障信息記錄到數(shù)據(jù)庫中。通過故障彈窗可以知道產(chǎn)生故障的位置、類型，還可以打開水泵房的視頻監(jiān)控，實(shí)時(shí)查看水泵房情況。

2)合理啟用水泵，提高能效比。系統(tǒng)運(yùn)行后，在用電谷段時(shí)，會(huì)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(shí)間，進(jìn)而節(jié)約電費(fèi)。編程實(shí)現(xiàn)水位變化測算，按照水位變化率來決定水泵開啟數(shù)目，減少水泵的頻繁開啟。

3)具有自動(dòng)、手動(dòng)、檢修三種模式，自動(dòng)模式下，系統(tǒng)根據(jù)水位信息，按照下位機(jī)設(shè)置的運(yùn)行邏輯控制水泵開啟；手動(dòng)模式下，操作員根據(jù)現(xiàn)場情況，手動(dòng)開啟水泵；檢修模式主要用于維修人員現(xiàn)場檢查維護(hù)時(shí)使用。

4)實(shí)時(shí)監(jiān)測和采集各傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫中，還可以設(shè)置傳感器的參數(shù)(上限、下限、限值)、用時(shí)、超時(shí)等，方便工作人員對(duì)各傳感器的管理以及數(shù)據(jù)的查看分析。

2 井下水泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

任樓煤礦-720泵房共4臺(tái)水泵，出于可靠性考慮，每臺(tái)水泵都采用獨(dú)立的PLC控制箱進(jìn)行控制，共設(shè)置4個(gè)PLC控制箱。本設(shè)計(jì)中PLC采用德國西門子公司生產(chǎn)的S7-300 PLC，S7-300 PLC具有模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)靈活緊湊，電磁兼容性強(qiáng)、抗震動(dòng)沖擊性能好，非常適合煤礦井下的惡劣環(huán)境。數(shù)字量信號(hào)輸入模塊包括電動(dòng)閘閥開關(guān)到位，射流閥開關(guān)到位、排氣閥開關(guān)到位、真空泵開關(guān)到位、控制模式選擇、水泵開關(guān)到位、水泵故障復(fù)位及水泵急停等。模擬量信號(hào)輸入模塊包括水倉水位、水泵正負(fù)壓、水泵前后軸溫度、電機(jī)前后軸溫度及電機(jī)電流、電壓等[11]。PLC控制箱與調(diào)度中心上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線連接來傳輸井下傳感器采集到的數(shù)據(jù)，調(diào)度中心上位機(jī)與打印機(jī)連接，方便管理員隨時(shí)打印故障報(bào)表，以及對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析[11]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為iFix組態(tài)軟件與SQL server數(shù)據(jù)庫兩部分。iFix 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)主要分為畫面、調(diào)度、歷史庫配置、過程數(shù)據(jù)庫、I/O驅(qū)動(dòng)配置、安全用戶六部分。SQL server數(shù)據(jù)庫用來記錄各種數(shù)據(jù)，方便vxDATA數(shù)據(jù)控件調(diào)用。畫面主要是集控系統(tǒng)各設(shè)備的直觀顯示及控制，調(diào)度主要作用是記錄數(shù)據(jù)以及報(bào)警語音文件播放，歷史庫配置主要作用是使傳感器數(shù)據(jù)以更加直觀的曲線圖的形式展現(xiàn)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(quán)限。其中畫面主要由集控界面、數(shù)據(jù)查詢界面、傳感器參數(shù)設(shè)置界面三部分組成。集控系統(tǒng)畫面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 集控系統(tǒng)畫面結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

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

圖3 水泵監(jiān)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(diào)度設(shè)計(jì)

通過故障調(diào)度設(shè)計(jì)，分別記錄故障名稱、故障類型、故障發(fā)生時(shí)間、故障確認(rèn)時(shí)間四種信息在數(shù)據(jù)庫中。用vxDATA數(shù)據(jù)控件通過ODBC協(xié)議與數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)

將各水泵電流、電壓、正壓等傳感器節(jié)點(diǎn)加入到歷史庫配置中，相關(guān)的信息就會(huì)記錄在歷史庫中，通過點(diǎn)擊“設(shè)置”按鈕，選擇想查看的節(jié)點(diǎn)，可以非常直觀的查看節(jié)點(diǎn)的曲線圖。

3 水泵節(jié)能原理與實(shí)現(xiàn)

目前煤礦井下排水系統(tǒng)大多數(shù)是根據(jù)水位高低來作為水泵開啟的判斷標(biāo)準(zhǔn)，分為三個(gè)水位，低水位線、高水位線、警戒水位線[10]。當(dāng)水位到達(dá)高水位時(shí)，水泵開始排水，水位低于低水位線時(shí)，水泵停止排水。但是，這種控制方法沒有充分利用電價(jià)的階梯型，不能有效的節(jié)省電費(fèi)。水泵開啟數(shù)目也缺乏相應(yīng)的判斷依據(jù)，會(huì)導(dǎo)致水泵的頻繁開啟，不僅會(huì)讓用電量增加而且對(duì)設(shè)備的使用壽命造成極大的影響，針對(duì)以上情況，本設(shè)計(jì)提出了根據(jù)水位下降變化率和電價(jià)不同區(qū)間段來決定水泵開啟數(shù)目和時(shí)間段，把水位進(jìn)一步細(xì)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(shí)，盡可能的將水位降到最低，在用電峰段時(shí)，只要不影響煤礦的安全生產(chǎn)，暫緩水泵的開啟。根據(jù)水位下降的速率來決定水泵的開啟數(shù)目，當(dāng)一臺(tái)水泵排水量大于同時(shí)間段的涌水量，不增開水泵。系統(tǒng)運(yùn)行后，當(dāng)水位高于中水位線以及在用電谷段時(shí)，開啟水泵排水，根據(jù)水位下降的速率判斷是否加開一臺(tái)水泵，直至水位到達(dá)超低水位時(shí)關(guān)閉水泵。當(dāng)時(shí)間在用電谷段但水位低于中水位線和當(dāng)時(shí)間在用電峰段但水位低于超高水位時(shí)，不開啟水泵，當(dāng)時(shí)間在用電峰段并且水位高于超高水位時(shí)，開啟一臺(tái)水泵，根據(jù)水位下降的速率判斷是否加開一臺(tái)水泵，直至水位下降到中水位時(shí)關(guān)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(jié) 論

針對(duì)目前煤礦排水系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計(jì)研究了基于iFix的礦井排水集控系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)已在任樓煤礦投入運(yùn)行，一切運(yùn)行正常。

1)采用西門子S7-300作為排水系統(tǒng)的PLC，提高了設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性、可靠性。

2)對(duì)傳統(tǒng)的避峰就谷節(jié)能方式做了改進(jìn)，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(dòng)。

3)通過使用iFix組態(tài)軟件，可以方便的監(jiān)測各水泵的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)語音報(bào)警、故障彈窗、故障記錄，減少故障診斷的時(shí)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。