煤矿排水自动远程集控系统的研究与应用

[摘 要]本文在工业以太环网平台的基础上，采用可靠的监测传感器、可编程控制器（PLC）和触摸屏技术，实现了对水泵房的远程自动集中控制。能够根据水仓水位和峰谷用电时段，按最优化的方式轮换启停水泵，在地面监控室自动控制水泵启动过程。

[关键词]排水系统；远程集控；可编程控制器；联锁启动

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）22-0291-02

1 引言

煤矿排水系统是煤矿安全生产的重要一环，其工作的安全性、可靠性及合理性，对矿井安全高效生产有着重大意义。目前，煤矿排水电控系统大多采用继电器―接触器控制方式，水泵的开停及选择切换可以部分自动完成，不能实现据水位或其它参数自动开停水泵，实现远程自动化集中控制，严重影响井下主排水泵房的管理水平和经济效益的提高。

本文根据矿井的实际情况，基于计算机控制技术，利用可靠的监测传感器、可编程控制器（PLC）和触摸屏技术，实现了对中央泵房的自动控制。该系统能够根据水仓水位和峰谷用电时段，按最优化的方式轮换启停水泵；能够在地面监控室，监控水泵的启停；能够监测记录并保存排水系统的重要参数。该自动控制系统的投入，不仅能提高水泵的工作效率和安全性，也大大减轻工作人员的劳动强度。

2 系统的硬件结构

井下排水自动化远程集控通过工业以太网和PLC与系统交换数据，采集服务器直接通过以太网模块读取数据，实现远程综合自动化平台的远程接入访问和控制，如图1所示。

井下自动化远程集控系统主要由井下PLC控制柜、电磁阀、检测传感器、信号传输接口等设备组成。井下PLC控制柜中的1台设为主站，其它为分站。在主站的操作台能够设置水泵的工作方式，地面计算机和井下PLC主站采用光缆传输信号，分站之间采用西门子专用通信电缆连接，整个系统内部连接构成MPI总线协议网络。每个PLC控制柜负责控制一台水泵的开停。每个PLC控制柜也可脱离网络独立构成单台水泵控制装置。

PLC控制柜及相关设备如图2所示，与PLC控制柜配置的操作台上设有触摸屏、按钮，可以实现就地控制水泵的开停，并能观测相关参数和设定水泵的工作方式。控制柜的核心为PLC可编程控制器，它采集各个传感器的信号；设置系统的工作方式；显示系统工作状态和参数；根据预设逻辑对水泵进行手动或自动控制。水位传感器用于检测水井里的水位高低，设于水仓的排水配水仓内。矿用本安压力传感器监测水泵出口处的压力，矿用本安压力传感器监测水泵入水口处的真空度。

3 系统软件设计

3.1 PLC控制程序设计

每台水泵设置工作、备用和检修三种工作方式，该方式可直接在本机上设定或由地面主机设定。当水位达到高位或不在高位而处在用电低谷时间内，将自动启动工作泵，当达到低位或不在高位而处在用电高峰时间内时自动停泵。当水位达到上限水位时，自动启动“工作泵”及“备用泵”，直到水位低于高位时停止“备用泵”只运行“工作泵”， 当达到低位或不在高位而处在用电高峰时间内时自动停泵。控制逻辑如图3所示：

PLC控制程序按照以下工作原则设计：

（1）轮换工作制。为了防止因备用泵及其电气设备或备用管路长期不用而使电机和电气设备受潮或其他故障未能及时发现，当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以至影响矿井安全，系统程序设计多台泵自动轮换工作控制，控制程序将水泵启停次数及运行时间等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相应管路，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当某台泵或所属阀门故障，系统自动发出声光报警，并在上位机上记录事故，同时将故障泵或管路自动退出轮换工作，其余各泵和管路继续按一定顺序自动轮换工作，以达到有故障早发现、早处理，以免影响矿井安全生产的目的。

（2）高水位时无条件开泵。当PLC采集到水池水位是高水位时，不论是否峰谷电价时段将按自动轮换规则启动相应的水泵工作。

（3）低水位无条件停泵。当PLC采集到水池水位达低水位时，不论是否峰谷电价时段将停止水泵工作。

（4）常规自动控制。PLC自动化控制系统根据水仓水位的高低、井下用电负荷的高、低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段等因素，建立数学模型，合理调度水泵，自动准确发出启、停水泵的命令，轮换控制多台水泵运行。

3.2 PLC监控程序实现

上位机采用组态软件WINCC进行开发，该应用软件为用户提供了厂级的可视化过程、数据获取和监视控制功能。采用面向目标的开发方法，可以快速容易的按照操作人员的设计处理、显示生产过程的数据。采用客户/服务器体系结构，能够提供数据在网络上的全面集成和共享，为企业管理系统提供数据，提高监控系统的性能。使用WINCC组态软件还可以根据矿生产系统及工艺流程的变化，由用户制作和修改监控画面，也可以随时修改界面上设备的颜色、形状、尺寸和位置，运行界面如图4所示。

系统采用动画图形对设备进行描述，当设备是停止状态时，代表该设备的图形是静态的，当设备是运行状态时，系统就会以动画的形式对设备进行模拟、效果形象逼真、富有动感；图中也可以以不同的颜色表示设备的不同运行状态，不填色表示设备未投入运行；红色表示设备故障；所有的流程采用不同的线条进行描述，当系统要发生一些重大变化时伴随多媒体语音预告或警告。

井下PLC监控系统是基于STEP7软件编写的，采用模块化结构编程，包括监测模块、数据模块、控制模块、显示模块、通信模块等。这种编程方法使系统运行安全可靠，修改方便易于扩展。

4 系统功能

4.1 控制功能

（1）系统通过监测水仓水位和峰谷电价时段，在无人值守的情况下，按设定的规则，合理调度多台水泵自动启动或停止；

（2）在地面集控室，通过计算机的鼠标或键盘实现多台水泵的启动、停止；

（3）在泵房通过现场的就地操作台分别控制多台水泵的启动和停止；

（4）保留现有的手动控制方式。

4.2 显示功能

（1）在地面控制计算机的显示屏上能够显示并记录：各水泵的工作状态、水仓水位、每台泵出水口的压力、入口真空度、各电动阀的位置、电机的工作电流、重要位置的温度等参数；

（2）在泵房操作台或现场仪表上能够显示：水泵运行状态、电机电流、水仓水位等；

（3）安装合适的传感器能够监测显示设备重要位置的温度。

4.3 信息管理功能

（1）记录各水泵的运行时刻和累计运行时间等参数；

（2）记录水井水位、排水口压力、进水口真空度、流量、阀门位置等历史资料（即过去某时刻的状态），按用户要求进行水泵运行效率和有关信息管理；

（3）能够记录过去某时刻系统所处的运行状态，并记录操作员的操作过程。

4.4 报警功能

当某一被检测参数超限或设备工作不正常时，在井下操作台显示屏上报警显示。

5 结束语

本文实现的系统通过监测水仓水位和其它参数，可以远程集中控制水泵轮流工作和适时启动备用泵，合理调度水泵的运行。根据工况设定以及时间、水位、矿供电负荷等参数自动开启、停止水泵的运转，并能实现泵阀的联锁启动，对运行中的各种参数进行实时监控。所有的采集和控制均对底层直接操作，系统响应时间短，实时性好，可靠稳定。

参考文献：

[1] 孔繁德.矿井排水泵特性分析及选型计算[J]，煤炭技术，2010年02期.

[2] 袁小东，邓先明，王冬冬.基于以太网的煤矿排水综合自动化系统[J]，工矿自动化，2009年07期.

[3] 王幸福，矿井排水自动化控制系统，煤矿机电，2010第4期.