張紀(jì)飛

（兗煤萬福能源有限公司，山東 菏澤 274922）

1 工程概況

兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦副井井底車場深度為-709.97 m，井筒減壓水池深度為-350 m，水池容量為100 m3。井下供水系統(tǒng)的控制核心位于副井-3.5 m位置，此處布置一臺控制箱、四臺兩路并聯(lián)使用的閘閥。礦井用水由地面蓄水池通過管路輸送到控制箱，通過閘閥控制水量后，將水輸送到井筒減壓水池，然后從-650 m水平引出井筒。

原井下供水控制系統(tǒng)采用西門子S7-200控制器，選用Z773-10型液動漿液閥。PLC對采集到的4～20 mA電流信號進(jìn)行采集分析后控制閘閥開或者關(guān)，通過LED數(shù)字顯示器，顯示井筒減壓水池水位。該系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)使用時(shí)間較長，系統(tǒng)軟件、硬件配置均達(dá)不到礦井自動化控制的需求。

（1）液動漿液閥通過液壓油壓入液壓缸的上下腔來帶動活塞桿做上下動作，從而控制閘門的開或者關(guān)。此種漿液閥受外界環(huán)境影響較大，由于冬季副井風(fēng)流較大，溫度較低，很容易使液壓油油質(zhì)變稠，影響閘門動作，從而影響供水系統(tǒng)正常運(yùn)行；液壓油長時(shí)間使用后需要人員定期檢查、維護(hù)，增加了人力物力。

（2）液動漿液閥活塞桿位置受行程限位開關(guān)控制，由于減壓水池容量較小，限位開關(guān)動作頻繁，容易導(dǎo)致限位開關(guān)動作不靈敏，影響供水系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（3）液動漿液閥只有開、關(guān)兩個(gè)位置，不能根據(jù)減壓水池水位自動調(diào)節(jié)和顯示閘閥開度。

（4）原供水系統(tǒng)數(shù)字顯示器功能單一，只能進(jìn)行故障報(bào)警和水位顯示，無法進(jìn)行閘閥控制和顯示閘閥運(yùn)行狀態(tài)。

（5）液動漿液閥不具備遠(yuǎn)程通訊接口，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。因此，有必要研究一套適用于煤礦井下供水系統(tǒng)的自動水位監(jiān)測系統(tǒng)。

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造方案

2.1 系統(tǒng)改造方案

（1）解決原系統(tǒng)閘閥故障率高、工作不穩(wěn)定的問題。采用ZJK系列電動閘閥，ZJK系列電動閘閥采用非侵入式結(jié)構(gòu)，不受外界環(huán)境溫度影響，性能穩(wěn)定可靠，故障率低，便于操作和維護(hù)。

（2）解決原系統(tǒng)閘閥無法進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊的問題。ZJK系列型電動閘閥采用單片機(jī)編程控制，具有485通訊接口，能夠?qū)㈤l閥開度、運(yùn)行狀態(tài)、4～20 mA模擬量信號等反饋給PLC，并根據(jù)需要控制閘閥任意開度，同時(shí)具有就地操作和遠(yuǎn)程操作兩種操作方式。

（3）解決原系統(tǒng)閘閥動作頻繁的問題。優(yōu)化完善程序設(shè)計(jì)，通過對減壓水池的水位檢測，設(shè)置調(diào)整閘閥開度，使減壓水池進(jìn)水量與出水量基本保持平衡，避免電動閘閥頻繁動作。

（4）解決原系統(tǒng)數(shù)字顯示器功能單一，無法進(jìn)行閘閥控制和顯示閘閥運(yùn)行狀態(tài)等問題。將副井操作室和副井-3.5 m的數(shù)字顯示器更換為西門子智能觸摸屏，使用MCGS組態(tài)軟件，并與西門子PLC控制器進(jìn)行通訊，用于實(shí)時(shí)顯示減壓水池水位變化、閘閥開度、參數(shù)設(shè)定等功能。

（5）解決原系統(tǒng)無法進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題。采用西門子S7-1200PLC控制器，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)與副井操作室西門子智能觸摸屏、區(qū)隊(duì)值班室上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)閘閥的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用兩套超聲波傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測井筒減壓水池水位，將采集到的4～20 mA模擬量信號傳輸至副井-3.5 m位置的西門子CPU1214C PLC控制器，調(diào)節(jié)四臺電動閘閥開度控制減壓水池水位，并在副井-3.5 m位置和操作室安裝西門子智能觸摸屏，區(qū)隊(duì)值班室上位機(jī)安裝組態(tài)王軟件，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)與西門子S7-1200進(jìn)行通訊，用于實(shí)時(shí)顯示減壓水池水位變化、故障報(bào)警、運(yùn)行與歷史曲線、閘閥開度及遠(yuǎn)程控制等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)硬件配置

系統(tǒng)主要硬件配置見表1。

表1 硬件配置表

2.4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)功能

（1）閘閥控制

現(xiàn)場布置4個(gè)電動閘閥，首先南北兩個(gè)閘閥串聯(lián)，然后東西并聯(lián)后使用，形成雙串雙并系統(tǒng)。根據(jù)井下用水情況，設(shè)定不同的水位及閘閥開度。正常情況下，只需將東側(cè)或者西側(cè)的兩臺閘閥設(shè)置成自動模式，其余兩個(gè)閘閥設(shè)置成手動模式，即可實(shí)現(xiàn)電動閘閥的自動化運(yùn)行，且一用一備。以運(yùn)行其中一側(cè)的兩個(gè)閘閥為例，其中一個(gè)閘閥設(shè)置超高限、高限、中限、低限、超低限五個(gè)水位，另一個(gè)閘閥設(shè)置極高限、中限、極限低三個(gè)水位。當(dāng)減壓水池水位在高限和低限之間變化時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)水位信號，通過PLC的PID功能自動調(diào)節(jié)電動閘閥開度來控制水池供水量，保證井下正常供水。當(dāng)水位到達(dá)超高限或者超低限時(shí)，則進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)控制電動閘閥全關(guān)或者全開。如果水位處于超高限時(shí)，正在運(yùn)行的電動閘閥發(fā)生故障，導(dǎo)致閘閥不能關(guān)閉，則同一側(cè)的另外一個(gè)閘閥自動關(guān)閉。如果水位處于超低限時(shí)，正在運(yùn)行的電動閘閥發(fā)生故障，導(dǎo)致閘閥不能打開，則打開備用閘閥進(jìn)行供水。通過檢測減壓水池的涌水量可以提前預(yù)測水位增長情況，做到提前預(yù)知和提前干預(yù)。參數(shù)設(shè)置如圖2。（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控

圖2 上位機(jī)參數(shù)設(shè)置與運(yùn)行曲線界面

副井操作室內(nèi)的西門子智能觸摸屏與副井-3.5 m的西門子S7-1200PLC通過工業(yè)網(wǎng)建立通訊，可以實(shí)時(shí)顯示減壓水池水位、電動閘閥開度、故障信息、系統(tǒng)參數(shù)等。當(dāng)系統(tǒng)水位發(fā)生異常或者電動閘閥出現(xiàn)故障，提升機(jī)司機(jī)或者檢修人員通過操作觸摸屏，就能進(jìn)行故障查詢及復(fù)位，并且遠(yuǎn)程控制電動閘閥，保證供水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。觸摸屏界面如圖3。

圖3 觸摸屏顯示界面

在區(qū)隊(duì)值班室上位機(jī)安裝組態(tài)王軟件，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)與副井-3.5 m的西門子S7-1200PLC建立通訊，除了可以實(shí)時(shí)顯示減壓水池水位、電動閘閥開度、故障信息、系統(tǒng)參數(shù)等，還具有故障復(fù)位、實(shí)時(shí)曲線顯示、歷史曲線查詢、數(shù)據(jù)報(bào)表打印等功能，并且值班人員通過操作上位機(jī)就能實(shí)現(xiàn)電動閘閥的遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。上位機(jī)顯示界面如圖4。

圖4 上位機(jī)監(jiān)控主頁面

2.5 軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用西門子S7-1200PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,利用TIA博途軟件- Portal V13進(jìn)行編程。編程界面如圖5。

3 結(jié)束語

礦井井下自動化供水系統(tǒng)自投入以來，一直保持著平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)零故障運(yùn)行，節(jié)省了人力物力，達(dá)到了減員增效的目的，大大提高了供水系統(tǒng)的安全可靠性，保證了礦井安全生產(chǎn)，同時(shí)為礦井綜合自動化改造提供了新思路，也為礦井實(shí)現(xiàn)無人值守奠定了基礎(chǔ)。