鐵礦井下主排水遠程自動控制系統的設計及應用

徐德亮

（中鋼集團安徽劉塘坊礦業有限公司 安徽 六安 237471）

1 引言

礦山主排水系統是保證礦山井下安全生產的關鍵因素之一，目前我國礦山井下部分排水系統仍使用繼電器、接觸器進行控制，線路比較復雜，設備運行可靠性低。在PLC控制系統中，可通過軟件程序代替繼電器等電子器件及量大的硬線線路，設備工作壽命延長，可靠性能提高。此外，PLC能直觀地反映出現場設備的運行狀態，通過通訊可實現遠程操作，減少崗位操作人員數量，大大提高了排水設備運行的安全性、可靠性和經濟性[1]。

2 遠程控制系統及設計條件

2.1 遠程控制系統

該系統主要由地面監控工控機、井下PLC控制柜及現場控制箱、檢測傳感器及視頻監控組成。實現根據水倉液位和峰谷供電時機，在現場無人值守的情況下，按最優的方式輪換啟停水泵，既保證了安全又達到了節能的目的。

2.2 系統的設計條件

劉塘坊鐵礦井下主排水泵房內設4臺主排水泵、2趟排水管路、2臺真空泵（一用一備），每臺水泵安裝1臺電動閘閥及1臺止回閥。水泵型號為MD280-65*9，揚程588m，流量291m3/h，電機額定電壓10kV，額定功率800kW，啟動方式為高壓軟啟動，高壓部分保護由高壓柜繼電保護裝置及軟啟動器保護組成。

3 遠程控制系統的設計

3.1 系統的硬件設計

3.1.1 PLC控制系統

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

圖1 PLC控制系統硬件設計結構圖

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

（2）通訊模板CP343：將 SIMATIC S7-300 連接到工業以太網，采用 RJ45 連接，可對傳輸協議 TCP與 UDP實現多協議運行。

（3）模擬量輸入模塊：將模擬信號轉換成S7-300內部處理用的數字信號，主要采集溫度、電流、液位、壓力、流量等模擬量信號。

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

（5）供電方式：利用電源模塊提供plc系統電源，為防止系統突然斷電造成系統數據的丟失以及控制失控，采用UPS供電方式，保證系統不間斷運行。

3.1.2 現場控制柜及控制箱

水泵房設一集中控制柜，控制柜上可實現對主排水泵及真空泵的選擇及工作方式（遠程/本地）的選擇。在每臺水泵附近設1臺就地控制箱，在真空泵附近設1臺真空泵控制柜，可對真空泵、抽真空電動閥、水泵主電動閥進行手動控制，確保排水系統的可靠運行。

3.1.3 監控監測系統

監控系統采用兩臺遠程上位計算機，實現遠程控制與監視主排水泵運行狀態信息。上位機監控平臺選用西門子WINCC軟件，功能模塊化，結構線性化，注釋完整齊全，并附有輔助圖表說明。整個系統通過光纖與井下主排水系統聯接在一起。

3.1.4 視頻監控系統

輔助視頻監控系統主要在中央泵房處各水泵處配置對應的攝像機及輔助控制箱等，由網絡交換機及光電收發器，通過光纖傳輸到地表集控中心，通過視頻TCP/IP網絡融入原有的集中視頻管理系統，從而實現在集控中心監控該區域前端的所有網絡攝像機，可實現分組管理和控制，并且能夠實時存儲視頻數據。

3.2 系統的軟件設計

在該控制系統中，上位機監控系統的軟件設計由Wincc組態軟件實現。Wincc組態軟件具有良好的開放性和靈活性。通過Wincc豐富強大的功能，可實時顯示井下主水倉液位、主排水泵房溫濕度、電動機電流、實時流量等。通過WINCC軟件自動記錄運行時間和故障歷史數據等[2]。

圖2 水泵運行主畫面

圖3 參數監控畫面

圖4 運行曲線查詢畫面

圖5 報表查詢畫面

4 遠程控制系統的主要功能

4.1 監測參數顯示

電機繞組溫度監控；前后端軸承溫度監控；水倉液位監控；壓力監測；真空度監測；各電動閥門位置檢測；電機電流；水流量；水泵房溫濕度；煙霧報警等。

4.2 控制功能

具有自動、半自動、手動三種控制方式，可根據水泵運行情況及運行時間進行工作泵之間的自動轉換。可根據井下用電負荷和供電部門規定，依據“避峰填谷”的原則進行水泵的啟停。主排水泵房照明系統可通過遠程操作進行開關。

4.3 運行曲線、報表統計

通過建立數據庫，對重要運行參數生成趨勢曲線和數據報表，并提供各項數據的查詢功能，可通過報表和設備運行曲線對設備運行狀況進行自動分析，進而判斷出每臺水泵的完好狀態。

4.4 視頻監控

每臺水泵均設置一臺專用攝像機進行監控，可在視頻監控后臺時刻觀測到主排水泵房內水泵、電機的運行狀況。

4.5 保護功能

（1）超溫保護 當電機定子、軸承，水泵軸承溫度超出預編程序內設置保護值時，可實現溫度超溫報警，根據溫度高低可自動實現水泵停止運轉。

（2）液位報警 當液位超高時，集控上位機會有聲光顯示進行報警；當水位過低時，水泵會自動停止運行。

（3）流量報警 當水泵開啟，流量計顯示水泵沒有上水，則自動停止水泵運行。

（4）閥門狀態監護 可在集控上位機觀測到各個閥門開啟或關閉狀態，若開到位或關到位不達標，則進行報警。

（5）過流保護 當主排水泵電機電流超過設定值時，則自動停止水泵運行。

（6）啟動時間過長保護 當水泵抽真空時間過長，或真空度不達標等，超出水泵啟動時間，則進行報警。

（7）低電壓、漏電保護 當高壓部分出現低電壓或漏電時，啟動相應的保護裝置動作，并將故障信號送入PLC。

5 結語

井下主排水遠程自動控制系統穩定性高、操作簡單方便，通過PLC程序設計實現系統的正常運行和故障信號傳輸，并可與上位機實時數據交換，讓集控操作員實時監控主排水系統的運行狀態。主排水遠程自動控制系統的應用，減少了設備故障率，實現了井下主排水泵房的無人值守。