摘要：火烧铺煤矿水源泵房为基础，设计并运用了一套煤矿井下排水泵智能控制系统，现将运用情况作简单的介绍。
关键词：排水泵；PLC；智能控制
水源泵房作为火烧铺矿全矿职工的饮水水源，也是用电大户，为确保排水泵安全、可靠、经济运行在基于智能控制原理，采用计算机监控技术、网络技术和各种传感器等知识的基础上，我矿设计了一套井下智能排水系统，至2017年9月份投入了运行以来，取得了良好的效果。
改造前：水源泵房安装水泵4台，三台型号200D43×8，配用电机功率为450KW，单台排水能力280m3/h。主水仓容量1100立方米，副水仓容量600立方米。主排水管路Φ275两趟。每套排水装置均由人工在现场手动完成对水泵的启动、停止操作。
改造后：实现高水位自动开泵，低水位自动停泵，并对电机温度、水泵压力、系统电压、电机电流、排水量等进行实现实时监测，能自动统计每天排水时间、排水量等重要数据。
水源泵房自动化系统现场监控主站PLC采用西门子S7-300系列，增加监控分站，实现对主排水泵及电动阀进行监测、显示、控制，并将其通过工业以太网传送至机电科调度室。
通讯部分依托光纤工业以太网，除能完成水泵的单机控制外，还可通过工业以太网传输接口模块与井下交换机连接，由井上调度中心监控所有排水泵等被控设备。通过网络平台将主排水系统及配套设备的状态信息和实时数据传送给调度室监控主机。调度监控主机使用组态软件实时动态显示主排水系统及配套设备运行状态和详细参数。
PLC通过通讯接口和通讯协议，与触摸屏进行全双工通讯，将水泵的工作状态与运行参数传至触摸屏，完成各数据的动态显示；同时，集控员也可利用监控主机或就地操作台将操作指令传至PLC，控制水泵运行。PLC同时将水泵机组的运行状态与参数经工业以太网传至地面机电科调度室，管理人员在地面即可掌握井下主排水系统设备的所有检测数据及工作状态，又可根据自动化控制信息，实现井下主排水系统的遥测、遥控。就地显示控制箱与监测监控主机均可动态显示主排水系统运行的模拟图、运行参数图表，记录系统运行和故障数据，并显示故障点以提醒操作人员注意。
一、智能化排水系统设计
1.硬件设计
1.1 PLC模块选型
由于主站与上位机之间的数据通讯量比较大，故PLC的CPU选用存储量较大通讯能力较强的315-2DP。根据输入输出点的类型和数目，PLC控制柜的基本硬件选型见表1。
表1 PLC硬件选型表
1.2 就地控制箱面板的设计
就地控制箱可以实现操作方式的转换、系统授权、显示故障信息、启停控制和手动控制设备功能。
（1）自动方式：根据设定的上下限水位自动开启和停止水泵
（2）计算机控制（远控）：计算机下发命令开停水泵，低水位自动停止或可现场操作人员下停止命令
（3）近控方式：通过井下操作台程序控制按钮开停水泵，低水位自动停泵或可现场操作人员下停止命令
（4）纯手动方式：井下操作台不通过PLC控制水泵，而直接用面板上的开关来控制电机和出水阀
（5）当“操作允许开关”位于关位置时，面板上的所有按钮失效，“软启选择”主要是选择电机启动方式是“软启”方式还是“全压”方式。
图2 操作方式切换电路图
1.3 出水闸阀的控制
出水闸阀分为PLC控制和手动控制两种方式。其中，PLC控制方式为非手动状态下出水闸阀的控制方式，在该方式下通过PLC输出控制正、反转线圈带电与否，从而控制出水闸阀动作；手动控制方式采用传统的接触器继电器控制方式。如图3所示。
图3 出水闸阀的控制电路原理图
2.软件设计
2.1 PLC软件设计
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。PLC监控程序要考虑的主要问题如下：
（1）操作方式的选择
系统具有自动、远控、近控、检修、手动五种工作方式，其操作方式的选择流程如图4所示。其中手动控制是不需要PLC参与。在PLC工作正常，现场各设备也都正常的条件下，自动、远控、近控和检修工作方式可以随意选择使用。
当出现PLC故障或设备故障，则系统自动进入手动操作方式，屏蔽在上位机软件上的“自动操作”和“近控操作”选择，并发出报警提示。此时，现场人员将“操作方式选择开关”置于手动操作方式，即可手动操作启停水泵。
图4 操作方式选择流程
（2）轮换工作制
为了防止备用泵、管路及其电气设备，因长期备用未能及时发现其故障，而当需投入备用泵时，不能快速投入运行，以至影响矿井安全。本系统程序设计了3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。
（3）投入水泵台数的自动确定
该要求是：根据水仓水位的变化，合理调度水泵在用电的谷段时间运行，减少峰段启动，调度各水泵将水仓水位排至设定水位，使水仓腾出尽可能大的容量容纳更多的矿井涌水，以便在峰段，尽可能减少开泵，节省电费支出。
在PLC监控程序的设计中，通过监测水仓水位变化和水泵的排水量，依据所建立的数学模型，计算出当前水仓容水量、矿井涌水量和水仓剩余容积。在谷段，PLC计算出需要启动水泵的台数并自动控制水泵工作，在运行过程中根据检测水位，适时调整水泵机组的工作情况，使水仓水位在谷段结束前达到设定水位；在峰段，PLC通过检测水仓水位的变化率，预测水仓在峰段结束前的水位情况，必要时再启动水泵，防止发生水仓溢水。
（4）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。
（5）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。
（6）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3台水泵运行。
3.2 上位机监控软件设计
本系统上位机监控软件在WINCC平台上编写。PLC程序设计时，将所有采集到的数据和处理结果汇总后统一存储在主站的DB区中，在WinCC中建立过程变量对应到DB区完成数据的读取。
图5 软件整体结构
由于WinCC项目中涉及的变量数目较多，存在很多的内部和外部变量，如果在“逻辑连接”下直接建立变量，并映射到PLC内部相应的DB区地址，这样的数据组织结构混乱、管理不便，往往造成通讯效率低下和通讯故障，故在数据的读取时采用以“双字”的形式连续地读取DB区内容。在变量的读取后，可将变量分组以方便WinCC项目的管理。将变量组织为变量组，这样能在项目的始终注意到各种事件，对变量进行了分类。但应注意因为变量组并不能保证变量的唯一性，故即使在不同的变量组下变量名也应该是唯一的。一般可将完成同一功能的变量或属于同一设备的变量归结为一个组。
在本系统中由于涉及到3台相同的水泵机组，而每台水泵都有各自的状态信号、报警信号、传感器信号、运行方式返回信号等多种信号。由于这些数据在数据功能和数据类型上都相同，故可以按数据的功能进行分类。在“结构变量”中以功能为分类标准，建立同一功能但来自不同分站的结构变量，同时在“内部变量”建立不同功能的变量组调用这些结构变量，实现对过程变量的分类，通过在全局脚本中的动作实时刷新这些过程变量到内部变量的映射。具体过程如图5所示。
二、智能化排水系统运用
1.系统能在自动状态下根据水仓水位的高低，按最优化的方式轮换自动启停水泵。
2.通过地面监控室计算机远程控制水泵的启停；能够显示并记录排水系统的各种参数和设备的运行状态：包括水池水位、水泵出水口的压力、吸水管真空度、电动阀的位置、电机的工作电流、重要位置的温度、水泵流量等。所有数据能够存储于数据库，以备后期调用。
3.通过就地操作箱控制水泵的启停；并能在就地操作箱的显示屏上显示水泵的各种参数。
4.能够把有关数据和图形传送到局域网，实现信息的共享。
5.通过监测记录水泵及电机的工作参数，测算水泵运行效率，为水泵的维护保养提供科学依据。
三、结束语
该自动控制系统于2017年9月在火烧铺矿水源泵房投入使用，实现了水泵的智能控制，使设备能够根据水仓水位高低，在无人干涉的情况下自动运行和自我诊断；通过地面计算机对设备的运行状态、运行过程进行远程监测记录；提高了设备的安全性和自动化程度；为降低运行成本、延长设备使用寿命提供了可靠的保障。
论文作者:李林
论文发表刊物:《基层建设》2018年第28期
论文发表时间:2018/11/14
标签：水泵论文; 水位论文; 变量论文; 方式论文; 操作论文; 井下论文; 数据论文; 《基层建设》2018年第28期论文;