基于PLC 和組態王的礦井主排水泵房自動化系統

吳敬建 李慶振 王矛庵

（山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦，山東 汶上 272500）

1 引言

煤礦井下主排水系統是煤礦生產的重要環節，其工作可靠性及穩定性直接關系到全礦的安全生產。礦井主排水泵是防止礦井透水事故發生的關鍵設備，實現井下主排水泵的自動化集中控制是保障井下排水系統安全的有力措施。隨著自動化控制技術的發展，許多煤礦井下主排水泵控制系統逐步采用PLC 技術，實現了主排水泵房的自動控制。為滿足煤礦“提效率，降成本”的要求，濟礦魯能煤電股份有限公司陽城煤礦進行了井下主排水泵房自動化系統的升級改造。

2 系統結構

井下現有兩個主排水泵房以及兩個采區排水泵房，分別為-312m 水平主排水泵房、-650m 水平主排水泵房、三采區排水泵房、三采區深部排水泵房。排水設備-312m 水平選用MD500-57×7 型礦用耐磨多級離心泵4 臺，-650m 水平選用PJ200×8型高揚程多級離心泵5 臺，三采區排水泵房選用MDS420A-94×4 型礦用耐磨多級離心泵3 臺，三采區深部排水泵房選用MD300-65×9 型礦用耐磨多級離心泵3 臺。根據現場實際情況特設計井下主排水泵房自動化系統整體結構如圖1 所示，主要包括調度監控中心、工業以太網、現場控制站和現場監控設備4 個部分。

調度監控中心通過操控站集中控制和監視煤礦-312m 水平主排水泵房、-650m 水平主排水泵房、三采區排水泵房、三采區深部排水泵房的所有設備，主要有2 臺工控機（分別為主操控站和備操控站）、組態王6.55版本上位機監控軟件和UPS不間斷電源。

工業以太網是集控中心操控站和現場控制站進行信息傳遞的重要途徑。為了保障網絡通信的可靠性，采用環形網絡，并采用光纖作為網絡的傳輸介質，以滿足煤礦防爆和遠距離傳輸的要求。整個網絡由光纖、光電轉換器和以太網交換機組成。

四個水泵房現場控制站主要由西門子S7-300 系列PLC、CP343-1 以太網通信設備和I/O 模塊組成，與現場監控設備進行數據交互，實現對主排水泵房的自動控制，并設置就地控制箱和HMI-觸摸屏實現就地控制。

現場監控設備由傳感器和執行機構組成，用于直接檢測水倉及排水設備，將檢測到的運行數據傳送到操控站，由操控站發出控制信號。監控設備在接收到控制信號后直接執行控制操作。

3 主排水泵自動化設計

該礦主排水系統是井下排水遠程集中監控系統的重要組成部分，由現場控制單元、數據采集設備（或傳感器）等組成。井下泵房中的控制單元是整個控制系統的邏輯核心，主要完成各現場數據信息的采集、處理、傳輸、遠程指令的執行等任務，實現主排水泵的遠程集中控制。

該礦主排水自動控制系統可根據倉位的高低、水泵狀態等因素，實現合理調度、自動準確發出啟、停水泵的指令，實時控制各排水管路上的電動閘閥，控制-312m 水平主排水泵房、-650m 水平主排水泵房、三采區排水泵房、三采區深部排水泵房共15臺水泵運行。水泵的控制分為：單臺水泵自動啟停和多臺水泵自動控制。

3.1 單臺水泵自動啟停

單臺水泵自動運行的過程：倉位達到上限→開啟抽真空系統→校驗真空度→開啟水泵→校驗水泵出水壓力→啟動水泵出水電動閥→停止真空裝置。單臺水泵自動關閉的過程：倉位達到下限→關閉水泵出水電動閥→停止水泵。單臺水泵自動啟停流程圖如圖2 所示。

圖2 單臺水泵自動啟停流程圖

3.2 多臺水泵自動控制

多臺水泵聯動控制可實現：

（1）根據倉位限定的不同級別控制主排水泵運行的臺數；

（2）依據主排水泵的工況參數，系統根據程序設定自動選擇備用泵及檢修泵，完成所有水泵的輪換工作，使各設備磨損程度均等，延長泵房水泵的使用壽命；

（3）根據電網負荷信息，以“移峰填谷”的原則確定開、停水泵的時間，從而達到節能目的。

3.3 系統運行方式

（1）自動控制方式

根據水泵工況，結合電網峰谷時間、倉位、礦井用電負荷等參數，自動開停主排水泵。

（2）就地集中控 制方式

觸摸屏采用Siemens MP277， 軟件采用SIMATIC WinCC，現場就地集中控制在觸摸屏上實現實時監控水泵及其附屬設備的運行狀態，能夠顯示倉位、溫度、壓力、流量（瞬時流量及累計流量）、電流、電壓等參數。操作人員可在PLC 控制柜上實現手動一鍵自動開泵，控制系統自動執行啟泵流程，大大降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。

（3）就地手動控制方式

控制系統工作方式選擇“就地”時，操作人員可在開關柜上手動控制設備，該工作方式主要適用于檢修設備。

4 組態王監控系統

在地面調度指揮中心采用工控機作為遠程監控系統，監控組態系統選用KingView 6.55 組態軟件。

4.1 組態王與s7-300 通信

在組態王6.55 中對井下-312m 水平主排水泵房、-650m 水平主排水泵房、三采區排水泵房、三采區深部排水泵房進行了組態監控設計。組態王與井下四個PLC 主站之間采用串口通信，利用工程瀏覽器設備中的“設備配置向導對COM 進行設置，每個COM 選擇對應的PLC 廠商、型號，然后設定IP 地址。運行期間組態王通過驅動程序與外部設備交換數據，包括采集數據和發送數據指令。

4.2 組態監控界面

調度指揮中心主要是完成對PLC 控制器的參數傳遞與命令的傳達，同時也是人機交互的主要核心部分，實現數據的圖形、曲線、報表等形式的存儲與展示，負責系統命令的執行、運行的監測、維護、報警等任務。

采用組態王KingView 6.55 所設計的組態畫面主要包括：兩個整體界面，4 個-312m 水平單臺排水泵監控畫面，5 個-650m 水平單臺排水泵監控畫面，3 個三采區泵房單臺排水泵監控畫面，3 個三采區深部泵房單臺排水泵監控畫面，一個-312m 水平報警設置界面、一個-650m 水平報警設置界面、1 個三采區泵房報警設置界面、1 個三采區深部泵房報警設置界面等。

組態監控界面具體包括主排水泵啟停狀態、電機及水泵軸承溫度、電機定子溫度、電機的電壓、電流、水泵出水壓力、流量、真空度、倉位以及各電動閥的吸合狀態等參數。

5 結語

陽城煤礦排水自動化系統結合了計算機技術、工業以太網技術、PLC 技術和組態王軟件，實現了對礦井兩個水平主排水系統以及兩個采區排水系統的實時動態監控和管理。實踐證明該系統穩定性及可靠性較高，提高了勞動效率，取得了較好的經濟效益，為該礦數字化礦山建設打下了堅實的基礎。