孫 杰

（汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦，山西 孝義 032300）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，煤礦井下生產(chǎn)集約化水平不斷提高，對礦井生產(chǎn)設(shè)備的可靠性要求越來越高。同時(shí)，設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制需求更加強(qiáng)烈[1-2]。傳統(tǒng)的煤礦井下水泵控制系統(tǒng)大部分依賴于操作人員，不再適應(yīng)集約化發(fā)展的趨勢，并且表現(xiàn)出了明顯的能源浪費(fèi)、控制效率低下、管理維護(hù)設(shè)備不利等問題，極大地限制了煤炭企業(yè)的產(chǎn)煤效率和質(zhì)量，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注[3-4]。隨著現(xiàn)場總線、數(shù)據(jù)庫和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在各行各業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用，并取得了很好的成效[5-6]。因此針對某煤炭企業(yè)煤礦井下水泵控制系統(tǒng)技術(shù)落后的現(xiàn)狀，開展基于PLC 的煤礦井下水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用工作具有重要意義。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)煤礦井下水泵實(shí)際分布情況，基于其原有控制系統(tǒng)，完成了基于PLC 的煤礦井下水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)，如圖1 所示。由圖1 可以看出，控制系統(tǒng)主要涉及地面監(jiān)控上位機(jī)和井下PLC 控制系統(tǒng)組成。

圖1 煤礦井下水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)方案

1.1 地面監(jiān)控上位機(jī)

地面監(jiān)控系統(tǒng)包括工控機(jī)、光端機(jī)、顯示器等，其中工控機(jī)的作用是借助以太網(wǎng)完成上位機(jī)與井下PLC 控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸；顯示器能夠?qū)崟r(shí)顯示井下各個(gè)水泵的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，并且能夠?qū)滤眠M(jìn)行遠(yuǎn)程控制；上位機(jī)可以實(shí)時(shí)存儲井下水泵實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，具備歷史數(shù)據(jù)調(diào)取功能。

1.2 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 控制系統(tǒng)涉及隔爆型PLC 控制柜、本安型操作箱、傳感器、電動(dòng)閥、高壓開關(guān)柜等，其中的PLC選擇德國西門子S7-300 系列產(chǎn)品，包括電源模塊、CPU、數(shù)字量輸入輸出模塊與模擬量輸入輸出模塊等，是井下水泵運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制功能實(shí)現(xiàn)的保障。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC 選型與設(shè)計(jì)

PLC 控制器選型需要遵循滿足控制要求、性能穩(wěn)定、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、性價(jià)比高等原則，基于此確定選擇的S7-300 系列的PLC。其中配置的主站模塊型號及參數(shù)如下：1 個(gè)型號為PS307-5A 的電源模塊，輸出電壓為230 V；1 個(gè)型號為PS307-10A 的電源模塊，輸出電壓為230 V；2 個(gè)型號為CPU315-2PN/DP是CPU；1 個(gè)型號為SM321 的數(shù)字量輸入模塊，配置32 點(diǎn)，使用24 V 直流電壓；1 個(gè)型號為SM322 的數(shù)字量輸出模塊，配置16 點(diǎn)，使用24 V 直流電壓；3 個(gè)型號為SM331 的模擬量輸入模塊，配置8 通道，輸出4～20 mA 電流信號。上述配置能夠滿足井下水泵的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制功能的需求。

2.2 傳感器設(shè)計(jì)及選型

煤礦井下水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)中的傳感器主要實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，是保證整個(gè)系統(tǒng)安裝正確邏輯關(guān)系工作的關(guān)鍵。根據(jù)井下水泵工作的實(shí)際情況，確定需要檢測的參數(shù)包括：水庫的水線、水泵抽水能力、抽水口水壓、各進(jìn)水口水量、裝備重要地方的溫度、電機(jī)電力壓力等。完成了對應(yīng)傳感器的選型：水位傳感器型號為KGU9，真空傳感器型號為GYD10，壓力傳感器型號為GYD10，流量傳感器型號為LCZ-803，溫度傳感器型號為Pt-100，電流傳感器型號為LMZ-6。

2.3 電磁閥設(shè)計(jì)及選型

原煤礦井下水泵系統(tǒng)中的各種閘門均需要現(xiàn)場操作人員完成啟閉，不僅效率低下，造成了較大的人力資源浪費(fèi)，并且閘門不能夠?qū)崟r(shí)顯示閘門開度，出現(xiàn)故障不易檢測。基于上述問題，將水泵系統(tǒng)中的真空閥門和射流閥門全部更換為MGQ 的電磁飄動(dòng)球閥。真空閥門的型號為MGQI DN20-PN1.6MPa，射流閥門的型號為MGQI MGQI DN25-PN10MPa，兩個(gè)電磁閥均使用單相AC127V 的電壓供電，線路簡單、數(shù)據(jù)可靠。

2.4 觸摸屏及變頻器選型

PLC 控制系統(tǒng)的觸摸屏能夠?qū)崿F(xiàn)控制器參數(shù)設(shè)置和水泵系統(tǒng)現(xiàn)場操作等功能，每個(gè)水泵配置一個(gè)觸摸屏，選擇型號為PT150-1/2/4/6 的觸摸屏，其運(yùn)存為64 kB，彩色顯示。同時(shí)，該觸摸屏具有以太網(wǎng)RSC422/485 兩個(gè)接口，能夠與PLC 直接串接在一起工作。為了提高煤礦井下水泵泵水工作的自動(dòng)化、智能化，避免其一直工作在相同的電壓供電中，需要在PLC 和水泵電機(jī)之間配置變頻器，以提高水泵工作的效率和安全性。依據(jù)水泵工作時(shí)的實(shí)際電流，負(fù)荷量和過載特點(diǎn)，選擇了型號為HIVERT-YO6/060，運(yùn)用變頻工頻并聯(lián)方法運(yùn)作，減小消耗的同時(shí)作出全方位保護(hù)，實(shí)現(xiàn)智能化頻速度工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)工作流程

煤礦井下水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件選型完成之后規(guī)劃設(shè)計(jì)其工作流程，如圖2 所示，其中，系統(tǒng)設(shè)定了4 組水位界限數(shù)值。圖2 中的H1為水庫水位規(guī)定的最小水位線，H2為水庫水位規(guī)定的較小中間水位線，H3為水庫水位規(guī)定的較大中間水位線，H4為水庫水位規(guī)定的最大水位線。井下水泵系統(tǒng)工作時(shí)，若將實(shí)時(shí)水位高度標(biāo)記為h，則在h 大于H2時(shí)，通過監(jiān)視計(jì)算電網(wǎng)的負(fù)荷程度，當(dāng)處于用電谷段時(shí)，開啟水泵，相反，不啟動(dòng)水泵；隨著水位線的不斷升高，達(dá)到H3位置時(shí)，不論電網(wǎng)負(fù)荷處于何種狀態(tài)，必須立刻打開水泵；當(dāng)水庫水位超過了H4時(shí)，同時(shí)打開兩臺水泵運(yùn)行，避免出現(xiàn)水位超限情況；當(dāng)水位降低至H1水位線之下后，水泵全部停止運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)工作流程

3.2 水泵自動(dòng)開啟、運(yùn)行、停止故障保護(hù)工作流程

水泵自動(dòng)開啟、運(yùn)行、停止故障保護(hù)工作流程如圖3 所示，水泵開啟之前需要將電動(dòng)球閥和射流泵同時(shí)打開，進(jìn)行注水和放氣工作。當(dāng)真空閥檢測得到的真空度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求時(shí)，關(guān)閉射流泵球閥，之后啟動(dòng)水泵電機(jī)。當(dāng)水壓檢測數(shù)值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，開啟電動(dòng)閘閥?？刂葡到y(tǒng)開啟射流泵時(shí)需要記錄工作時(shí)長，若工作時(shí)間過長，聲光報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，將水泵關(guān)閉，停止運(yùn)行。水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測其壓力、電流、溫度以及流量等的狀態(tài)量，一旦出現(xiàn)狀態(tài)參數(shù)超標(biāo)，立即關(guān)閉水泵并報(bào)警，指出問題出現(xiàn)的具體情況。

圖3 水泵自動(dòng)開啟、運(yùn)行、停止故障保護(hù)工作流程

3.3 人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面的作用是實(shí)時(shí)顯示井下水泵運(yùn)行參數(shù)數(shù)值，供監(jiān)控人員實(shí)現(xiàn)井下水泵的遠(yuǎn)程監(jiān)測。同時(shí)，監(jiān)控人員也可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)值及變化趨勢，修改井下水泵運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)井下水泵遠(yuǎn)程控制的目的。如圖4 給出了井下水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的界面顯示，其中涉及水泵運(yùn)行的溫度、正負(fù)壓、流量和液位等參數(shù)。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)存儲各個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)，形成對應(yīng)的曲線，由參數(shù)變化曲線可以了解變化趨勢，指導(dǎo)監(jiān)控人員及時(shí)調(diào)整水泵參數(shù)，同時(shí)也能為水泵系統(tǒng)運(yùn)維人員的檢修工作提供數(shù)據(jù)參考。

圖4 煤礦井下水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)界面顯示

4 應(yīng)用效果評價(jià)

為了驗(yàn)證煤礦井下水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，將其應(yīng)用于某煤炭井下水泵系統(tǒng)，對其進(jìn)行半年的跟蹤記錄，結(jié)果顯示，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了井下水泵系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制功能。相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，相較于原水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)，新系統(tǒng)的應(yīng)用達(dá)到了井下水泵自動(dòng)化控制的目的，節(jié)省了運(yùn)維人員3～4 名，降低了水泵系統(tǒng)近10%的故障排查時(shí)間，提高了水泵系統(tǒng)近6%的有效利用率，降低了煤炭生產(chǎn)成本，預(yù)計(jì)為煤炭企業(yè)新增經(jīng)濟(jì)效益近50 萬元/年，取得了很好的應(yīng)用效果。