于小伍

（兗州煤業(yè)股份有限公司濟(jì)寧二號(hào)煤礦，山東 濟(jì)寧 272071）

礦井降溫系統(tǒng)采用西門子PLC S7-300 模塊對(duì)礦井降溫系統(tǒng)的運(yùn)行過程實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、液位等參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程中的各種故障及突發(fā)情況的自動(dòng)保護(hù)、報(bào)警動(dòng)作，通過工控軟件在計(jì)算機(jī)中模擬并實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行過程，全面及時(shí)地掌握降溫系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并根據(jù)運(yùn)行情況對(duì)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，有效解決了冬季井筒防凍和夏季高溫?zé)岷纱髥栴}。

1 自動(dòng)降溫系統(tǒng)的工作原理

該系統(tǒng)于2017 年6 月正式投產(chǎn)使用，自投用以來，該系統(tǒng)運(yùn)行效果明顯，既可實(shí)現(xiàn)夏季制冷，又可實(shí)現(xiàn)冬季制熱，有效解決了夏季礦井高溫?zé)岷?、冬季井筒防凍兩大問題。該系統(tǒng)由3 臺(tái)離心式熱泵機(jī)組、2 臺(tái)螺桿式熱泵機(jī)組組成。離心機(jī)組功率為909 kW，夏季制冷量為4000 kW，冬季制熱量為4300 kW。螺桿機(jī)組功率為335.8 kW，夏季制冷量1182 kW，冬季制熱量1499 kW。離心機(jī)組、螺桿機(jī)組制冷劑均采用R134a。該系統(tǒng)供主副井制冷或制熱，夏季原水箱中的水經(jīng)過水處理裝置進(jìn)入純水箱打入冷卻塔，冷卻塔中的冷卻水通過冷卻泵補(bǔ)水進(jìn)入機(jī)組冷凝器；來自主副井的低溫水回收通過冷凍泵補(bǔ)水進(jìn)入機(jī)組蒸發(fā)器，蒸發(fā)器出來的低溫冷媒水通向主副井，以此循環(huán)供主副井夏季制冷。

該系統(tǒng)選用3 臺(tái)離心機(jī)組和2 臺(tái)螺桿機(jī)組，選用一臺(tái)S7-300、兩臺(tái)分站smartPLC、溫度、壓力傳感器和變頻器等組成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)方案圖如圖1。

2 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及軟件設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感器

該系統(tǒng)通過溫度傳感器來檢測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度，選用KG3007A 礦用本質(zhì)安全型溫度傳感器，輸出4～20 mA 信號(hào)，共有16 臺(tái)溫度傳感器。KG3007A 溫度傳感器的溫度探頭選用精密半導(dǎo)體感溫元件。單片機(jī)讀取探頭的溫度信號(hào)經(jīng)運(yùn)算處理后進(jìn)行溫度數(shù)值顯示，同時(shí)根據(jù)檢測(cè)溫度輸出對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，選用STC-106 集成8 路PT100 進(jìn)行溫度測(cè)量。

圖1 系統(tǒng)方案圖

2.2 壓力傳感器

該系統(tǒng)選用GPD20 礦用本安型壓力傳感器，輸出4～20 mA 信號(hào)，共有22 臺(tái)壓力傳感器。

2.3 流量傳感器

該系統(tǒng)選用GLCS250/500 礦用流量傳感器，共有2 個(gè)流量傳感器。

2.4 PLC

該系統(tǒng)選用德國西門子S7-300 系列PLC。S7-300 是一種小型的可編程序控制器，其許多功能達(dá)到大中型PLC 的水平，而且價(jià)格較低，得到廣泛的應(yīng)用。

2.5 PLC 軟件系統(tǒng)

該系統(tǒng)利用STEP7-Micro/WIN V5.5 編程軟件。系統(tǒng)設(shè)置2 個(gè)分站，分別是副井口溫度采集控制、二級(jí)站礦井水復(fù)用泵房水泵控制。從1#分站讀取二級(jí)站循環(huán)水泵的狀態(tài)，從2#分站讀取溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)，之間通過485 通訊連接。

系統(tǒng)選用S7-300PLC CPU31C-2DP 作為控制核心，由1 對(duì)IM365 模塊、1 個(gè)以太網(wǎng)模塊、7 個(gè)SM321 開關(guān)量輸入模塊、1 個(gè)SM322 開關(guān)量輸出模塊和4 個(gè)SM331 模擬量輸入模塊組成，與現(xiàn)場各類傳感器及控制器組成西門子自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

3.1 控制功能

系統(tǒng)通過PLC 監(jiān)控系統(tǒng)在無人值守的情況下，按設(shè)定的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)組、水泵、風(fēng)機(jī)的自動(dòng)啟停和輪換，根據(jù)該礦副井口溫度的設(shè)定，自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組的運(yùn)行工況，滿足該礦的通風(fēng)降溫和防凍需求。

3.2 顯示功能

在能源站值班室上位機(jī)上能夠?qū)崟r(shí)顯示機(jī)組、水泵、風(fēng)機(jī)等的工作狀態(tài)，以及水位、溫度、壓力、流量、電流、頻率等參數(shù)，去主副井的供水溫度及回水溫度，便于值班人員能夠直觀地了解系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3.3 組態(tài)畫面

啟動(dòng)組態(tài)王進(jìn)入主畫面，由信息窗口看到組態(tài)王的運(yùn)行狀況。啟動(dòng)組態(tài)監(jiān)控之后，會(huì)自動(dòng)顯示組態(tài)畫面，如圖2。

圖2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

4 冬季副井口溫度自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

該礦能源站建設(shè)初期，冬季供暖期間一直通過監(jiān)控平臺(tái)上顯示的副井口溫度的變化，由值班人員人工調(diào)節(jié)閥門的方式控制換熱器進(jìn)口蒸汽閥門的開啟程度大小，現(xiàn)場閥門位置較高調(diào)解不方便，人工調(diào)節(jié)精確度誤差較大且不具有實(shí)時(shí)性。為實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)蒸汽流量，提高調(diào)節(jié)精確度，通過通訊方式（副井口溫度為485 接線方式，modbus 通訊協(xié)議）把副井口溫度采集到下位機(jī)系統(tǒng)，并與下位機(jī)接收的蒸汽調(diào)節(jié)閥做聯(lián)動(dòng)控制，保證副井口溫度穩(wěn)定在溫度設(shè)定值的范圍，并且通過下位機(jī)邏輯做必要的聯(lián)鎖保護(hù)，如圖3。

系統(tǒng)介紹：（1）選用西門子電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，當(dāng)副井口溫度到達(dá)設(shè)定高位時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉蒸汽調(diào)節(jié)閥，節(jié)約蒸汽；當(dāng)副井口溫度到達(dá)設(shè)定低位時(shí)，可自動(dòng)開啟蒸汽調(diào)節(jié)閥。（2）利用計(jì)算機(jī)取代人為管理操作，通過副井口反饋的溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和提高調(diào)節(jié)精確度。（3）系統(tǒng)的控制邏輯主要采用PID 控制，P：比例控制，I：積分控制，D：微分控制。（4）比例控制（P）控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，根據(jù)設(shè)備有所不同，比例帶一般為2%～10%(溫度控制)。（5）積分控制（I）在出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)自動(dòng)改變輸出量，使其與手動(dòng)復(fù)位動(dòng)作的輸出量相同，達(dá)到消除穩(wěn)態(tài)誤差的目的。（6）微分控制（D）通過誤差變化率預(yù)報(bào)誤差信號(hào)的未來變化趨勢(shì)。

圖3 副井冬季溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面

5 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

（1）副井口溫度自控改造后每天節(jié)約蒸汽1.5 t左右，按照每噸蒸汽260 元計(jì)算，每天節(jié)省蒸汽費(fèi)390 元，每年冬季創(chuàng)效390×150=5.85 萬元。

（2）熱害治理系統(tǒng)投運(yùn)后，夏季對(duì)主副井口進(jìn)行制冷，冬季對(duì)主副井口制熱，有效改善了井下職工的工作環(huán)境。

（3）副井口溫度自控改造后實(shí)現(xiàn)了制熱系統(tǒng)的自動(dòng)控制、集中管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，推廣利用后具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

6 結(jié) 語

該設(shè)計(jì)用西門子S7-300 PLC 和組態(tài)王設(shè)計(jì)了一個(gè)礦井自動(dòng)控制降溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)設(shè)備及附屬設(shè)施進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行過程中的各種故障及突發(fā)情況的自動(dòng)保護(hù)、報(bào)警動(dòng)作。組態(tài)王軟件操作方便，能夠直觀地反應(yīng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的變化，其中的實(shí)時(shí)報(bào)表和報(bào)警窗口的顯示都在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到良好的應(yīng)用。