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自動化系統(tǒng)，有效提高了排水效率，對之后水泵自動化發(fā)展提供了思路，但是自動化程度較低，不能實現(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(tǒng)設(shè)計問題，但是缺乏具體的軟件系統(tǒng)設(shè)計方案[6]。2008年煤炭工業(yè)濟南設(shè)計研究院有限公司彭澄偉對主排水泵自動控制系統(tǒng)進行了研究，提出科學(xué)控制水倉水位，更好的提高排水效率，但是缺乏故障報警環(huán)節(jié)，無法及時有效的發(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控制的設(shè)計，主要關(guān)于水泵節(jié)能運行，可以有效節(jié)約能源，但是缺乏相應(yīng)軟件系統(tǒng)設(shè)計[8，9]。目前煤礦排水系統(tǒng)多是單機自動化控制，缺乏整體統(tǒng)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(yè)技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)煤礦綜合自動化生產(chǎn)提供了可能，煤礦排水系統(tǒng)綜合自動化對煤炭的安全生產(chǎn)具有重要意義。本設(shè)計針對以上情況，使用工業(yè)控制領(lǐng)域先進的組態(tài)軟件iFix為任樓煤礦設(shè)計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、故障報警環(huán)節(jié)缺失、數(shù)據(jù)記錄、電能浪費的問題。

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到了-720m，二水平設(shè)置4臺水泵，2個水倉。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、通信網(wǎng)關(guān)、UPS電源、打印機、多個傳感器、調(diào)度中心上位機和綜合操作臺構(gòu)成。綜合操作臺位于地面調(diào)度中心控制室，調(diào)度中心上位機與水泵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控制箱實現(xiàn)，通過集控系統(tǒng)，對礦井下設(shè)備進行監(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)測及報警，當(dāng)水泵發(fā)生故障，相應(yīng)位置的傳感器會產(chǎn)生故障信號，經(jīng)過PLC控制箱將數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度中心上位機排水集控系統(tǒng)，系統(tǒng)立即停止水泵運行，發(fā)出報警語音提示，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，實時查看水泵房情況。

2)合理啟用水泵，提高能效比。系統(tǒng)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(jié)約電費。編程實現(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、手動、檢修三種模式，自動模式下，系統(tǒng)根據(jù)水位信息，按照下位機設(shè)置的運行邏輯控制水泵開啟；手動模式下，操作員根據(jù)現(xiàn)場情況，手動開啟水泵；檢修模式主要用于維修人員現(xiàn)場檢查維護時使用。

4)實時監(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、超時等，方便工作人員對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

2.1 硬件設(shè)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(shè)置4個PLC控制箱。本設(shè)計中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(huán)境。數(shù)字量信號輸入模塊包括電動閘閥開關(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、電機前后軸溫度及電機電流、電壓等[11]。PLC控制箱與調(diào)度中心上位監(jiān)控計算機通過網(wǎng)線連接來傳輸井下傳感器采集到的數(shù)據(jù)，調(diào)度中心上位機與打印機連接，方便管理員隨時打印故障報表，以及對系統(tǒng)參數(shù)進行分析[11]。

2.2 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件設(shè)計主要分為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

任樓煤礦設(shè)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(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(shù)、控制按鈕以及各閥門、管路的動畫。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

通過故障調(diào)度設(shè)計，分別記錄故障名稱、故障類型、故障發(fā)生時間、故障確認(rèn)時間四種信息在數(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

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

3 水泵節(jié)能原理與實現(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)，分為三個水位，低水位線、高水位線、警戒水位線[10]。當(dāng)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(jié)省電費。水泵開啟數(shù)目也缺乏相應(yīng)的判斷依據(jù)，會導(dǎo)致水泵的頻繁開啟，不僅會讓用電量增加而且對設(shè)備的使用壽命造成極大的影響，針對以上情況，本設(shè)計提出了根據(jù)水位下降變化率和電價不同區(qū)間段來決定水泵開啟數(shù)目和時間段，把水位進一步細(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，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(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)一臺水泵排水量大于同時間段的涌水量，不增開水泵。系統(tǒng)運行后，當(dāng)水位高于中水位線以及在用電谷段時，開啟水泵排水，根據(jù)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(guān)閉水泵。當(dāng)時間在用電谷段但水位低于中水位線和當(dāng)時間在用電峰段但水位低于超高水位時，不開啟水泵，當(dāng)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(jù)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(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

針對目前煤礦排水系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計研究了基于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行，一切運行正常。

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)對傳統(tǒng)的避峰就谷節(jié)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(tài)軟件，可以方便的監(jiān)測各水泵的運行狀態(tài)，當(dāng)水泵出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)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。