徐德亮

（中鋼集團(tuán)安徽劉塘坊礦業(yè)有限公司 安徽 六安 237471）

1 引言

礦山主排水系統(tǒng)是保證礦山井下安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一，目前我國(guó)礦山井下部分排水系統(tǒng)仍使用繼電器、接觸器進(jìn)行控制，線路比較復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)行可靠性低。在PLC控制系統(tǒng)中，可通過(guò)軟件程序代替繼電器等電子器件及量大的硬線線路，設(shè)備工作壽命延長(zhǎng)，可靠性能提高。此外，PLC能直觀地反映出現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)通訊可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，減少崗位操作人員數(shù)量，大大提高了排水設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性[1]。

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及設(shè)計(jì)條件

2.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控工控機(jī)、井下PLC控制柜及現(xiàn)場(chǎng)控制箱、檢測(cè)傳感器及視頻監(jiān)控組成。實(shí)現(xiàn)根據(jù)水倉(cāng)液位和峰谷供電時(shí)機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守的情況下，按最優(yōu)的方式輪換啟停水泵，既保證了安全又達(dá)到了節(jié)能的目的。

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)條件

劉塘坊鐵礦井下主排水泵房?jī)?nèi)設(shè)4臺(tái)主排水泵、2趟排水管路、2臺(tái)真空泵（一用一備），每臺(tái)水泵安裝1臺(tái)電動(dòng)閘閥及1臺(tái)止回閥。水泵型號(hào)為MD280-65*9，揚(yáng)程588m，流量291m3/h，電機(jī)額定電壓10kV，額定功率800kW，啟動(dòng)方式為高壓軟啟動(dòng)，高壓部分保護(hù)由高壓柜繼電保護(hù)裝置及軟啟動(dòng)器保護(hù)組成。

3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)內(nèi)置有電源、CPU模塊、CP343通訊模塊、I/O模塊等（如圖1）。

圖1 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

（1）CPU模板315-2DP:CPU模板CPU315-2DP是高性能處理器，384K字節(jié)RAM，負(fù)載存貯器內(nèi)裝256K字節(jié)RAM，2個(gè)PROFIBUS-DP接口作為主站和PROFIBUS分布式總線系統(tǒng)連接。

（2）通訊模板CP343：將 SIMATIC S7-300 連接到工業(yè)以太網(wǎng)，采用 RJ45 連接，可對(duì)傳輸協(xié)議 TCP與 UDP實(shí)現(xiàn)多協(xié)議運(yùn)行。

（3）模擬量輸入模塊：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成S7-300內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)，主要采集溫度、電流、液位、壓力、流量等模擬量信號(hào)。

（4）數(shù)字量輸入/輸出模塊：數(shù)字量輸入/輸出模板主要顯示水泵狀態(tài)、真空泵狀態(tài)、工作方式選擇及電動(dòng)閥、真空閥運(yùn)行是否到位等。

（5）供電方式：利用電源模塊提供plc系統(tǒng)電源，為防止系統(tǒng)突然斷電造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的丟失以及控制失控，采用UPS供電方式，保證系統(tǒng)不間斷運(yùn)行。

3.1.2 現(xiàn)場(chǎng)控制柜及控制箱

水泵房設(shè)一集中控制柜，控制柜上可實(shí)現(xiàn)對(duì)主排水泵及真空泵的選擇及工作方式（遠(yuǎn)程/本地）的選擇。在每臺(tái)水泵附近設(shè)1臺(tái)就地控制箱，在真空泵附近設(shè)1臺(tái)真空泵控制柜，可對(duì)真空泵、抽真空電動(dòng)閥、水泵主電動(dòng)閥進(jìn)行手動(dòng)控制，確保排水系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

3.1.3 監(jiān)控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)采用兩臺(tái)遠(yuǎn)程上位計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與監(jiān)視主排水泵運(yùn)行狀態(tài)信息。上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)選用西門子WINCC軟件，功能模塊化，結(jié)構(gòu)線性化，注釋完整齊全，并附有輔助圖表說(shuō)明。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)光纖與井下主排水系統(tǒng)聯(lián)接在一起。

3.1.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

輔助視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要在中央泵房處各水泵處配置對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)及輔助控制箱等，由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)及光電收發(fā)器，通過(guò)光纖傳輸?shù)降乇砑刂行模ㄟ^(guò)視頻TCP/IP網(wǎng)絡(luò)融入原有的集中視頻管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)在集控中心監(jiān)控該區(qū)域前端的所有網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，可實(shí)現(xiàn)分組管理和控制，并且能夠?qū)崟r(shí)存儲(chǔ)視頻數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在該控制系統(tǒng)中，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)由Wincc組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)。Wincc組態(tài)軟件具有良好的開(kāi)放性和靈活性。通過(guò)Wincc豐富強(qiáng)大的功能，可實(shí)時(shí)顯示井下主水倉(cāng)液位、主排水泵房溫濕度、電動(dòng)機(jī)電流、實(shí)時(shí)流量等。通過(guò)WINCC軟件自動(dòng)記錄運(yùn)行時(shí)間和故障歷史數(shù)據(jù)等[2]。

圖2 水泵運(yùn)行主畫(huà)面

圖3 參數(shù)監(jiān)控畫(huà)面

圖4 運(yùn)行曲線查詢畫(huà)面

圖5 報(bào)表查詢畫(huà)面

4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的主要功能

4.1 監(jiān)測(cè)參數(shù)顯示

電機(jī)繞組溫度監(jiān)控；前后端軸承溫度監(jiān)控；水倉(cāng)液位監(jiān)控；壓力監(jiān)測(cè)；真空度監(jiān)測(cè)；各電動(dòng)閥門位置檢測(cè)；電機(jī)電流；水流量；水泵房溫濕度；煙霧報(bào)警等。

4.2 控制功能

具有自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)三種控制方式，可根據(jù)水泵運(yùn)行情況及運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行工作泵之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。可根據(jù)井下用電負(fù)荷和供電部門規(guī)定，依據(jù)“避峰填谷”的原則進(jìn)行水泵的啟停。主排水泵房照明系統(tǒng)可通過(guò)遠(yuǎn)程操作進(jìn)行開(kāi)關(guān)。

4.3 運(yùn)行曲線、報(bào)表統(tǒng)計(jì)

通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)重要運(yùn)行參數(shù)生成趨勢(shì)曲線和數(shù)據(jù)報(bào)表，并提供各項(xiàng)數(shù)據(jù)的查詢功能，可通過(guò)報(bào)表和設(shè)備運(yùn)行曲線對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行自動(dòng)分析，進(jìn)而判斷出每臺(tái)水泵的完好狀態(tài)。

4.4 視頻監(jiān)控

每臺(tái)水泵均設(shè)置一臺(tái)專用攝像機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，可在視頻監(jiān)控后臺(tái)時(shí)刻觀測(cè)到主排水泵房?jī)?nèi)水泵、電機(jī)的運(yùn)行狀況。

4.5 保護(hù)功能

（1）超溫保護(hù) 當(dāng)電機(jī)定子、軸承，水泵軸承溫度超出預(yù)編程序內(nèi)設(shè)置保護(hù)值時(shí)，可實(shí)現(xiàn)溫度超溫報(bào)警，根據(jù)溫度高低可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）液位報(bào)警 當(dāng)液位超高時(shí)，集控上位機(jī)會(huì)有聲光顯示進(jìn)行報(bào)警；當(dāng)水位過(guò)低時(shí)，水泵會(huì)自動(dòng)停止運(yùn)行。

（3）流量報(bào)警 當(dāng)水泵開(kāi)啟，流量計(jì)顯示水泵沒(méi)有上水，則自動(dòng)停止水泵運(yùn)行。

（4）閥門狀態(tài)監(jiān)護(hù) 可在集控上位機(jī)觀測(cè)到各個(gè)閥門開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)，若開(kāi)到位或關(guān)到位不達(dá)標(biāo)，則進(jìn)行報(bào)警。

（5）過(guò)流保護(hù) 當(dāng)主排水泵電機(jī)電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，則自動(dòng)停止水泵運(yùn)行。

（6）啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)保護(hù) 當(dāng)水泵抽真空時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，或真空度不達(dá)標(biāo)等，超出水泵啟動(dòng)時(shí)間，則進(jìn)行報(bào)警。

（7）低電壓、漏電保護(hù) 當(dāng)高壓部分出現(xiàn)低電壓或漏電時(shí)，啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)裝置動(dòng)作，并將故障信號(hào)送入PLC。

5 結(jié)語(yǔ)

井下主排水遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高、操作簡(jiǎn)單方便，通過(guò)PLC程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和故障信號(hào)傳輸，并可與上位機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，讓集控操作員實(shí)時(shí)監(jiān)控主排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。主排水遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，減少了設(shè)備故障率，實(shí)現(xiàn)了井下主排水泵房的無(wú)人值守。