基于WinCC的無人值守瓦斯抽采智能控制系統(tǒng)研究

李健威，萬 勇

（1.國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 保德煤礦，忻州036600；2.中煤科工集團(tuán) 重慶研究院有限公司，重慶400039）

在煤炭生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生煤礦安全事故，其中一個(gè)重要因素就與瓦斯抽采相關(guān)，瓦斯災(zāi)害的治理是煤礦安全生產(chǎn)的首要任務(wù)[1]。依據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》[2]的相關(guān)要求，煤與瓦斯突出礦井和高瓦斯礦井必須建立地面固定瓦斯抽采系統(tǒng)，并配備相應(yīng)的瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)。抽采是瓦斯災(zāi)害治理的根本性措施。

目前，多數(shù)煤礦企業(yè)一般采用大功率水環(huán)式真空泵，普遍采用高壓柜手動(dòng)按鈕直接啟動(dòng)電機(jī)的方式來帶動(dòng)真空泵運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)需要24 h 不間斷有人值守，人工手動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥門手輪（柄）開啟、關(guān)閉閥門，并人工觀察開度指示大小以調(diào)節(jié)、平衡井下抽采負(fù)壓達(dá)到最佳效果，不僅容易出現(xiàn)控制不靈活、調(diào)節(jié)開閉精度不夠等問題，而且浪費(fèi)人力資源和增加人的體力勞動(dòng)強(qiáng)度，造成較大的人力財(cái)力浪費(fèi)。根據(jù)國家安全監(jiān)管總局要求煤炭企業(yè)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安的通知要求，全國煤炭相關(guān)企業(yè)要逐步實(shí)現(xiàn)以機(jī)械化生產(chǎn)替換人工作業(yè)，以自動(dòng)化控制減少人為操作，大力提高企業(yè)安全生產(chǎn)科技保障能力[3]。為此，貴州省明確提出到2020年生產(chǎn)煤礦采煤機(jī)械化率達(dá)到96%， 煤礦輔助系統(tǒng)智能化、信息化服務(wù)管理和監(jiān)控覆蓋率均達(dá)到100%[4]。

1 瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)

為達(dá)到煤炭企業(yè)切實(shí)減少部分工作人員，降低勞動(dòng)強(qiáng)度的目標(biāo)，中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司自主研發(fā)的KJ30 瓦斯抽放監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)體現(xiàn)出了強(qiáng)大的功能性作用。

近幾年，全國各煤礦企業(yè)實(shí)施輔助系統(tǒng)智能化升級(jí)改造，通過PLC 與視窗控制中心SIMATIC WinCC（windows control center）的有效結(jié)合，由調(diào)度室WinCC 控制中心對(duì)PLC 下發(fā)指令實(shí)現(xiàn)瓦斯泵、水泵、電動(dòng)閥門的遠(yuǎn)程控制，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)安裝的數(shù)字信號(hào)攝像頭傳回圖像給以確認(rèn)，對(duì)煤礦實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采泵站現(xiàn)場(chǎng)無人值守最為有效，既節(jié)約人力資源，又使真空泵工作在最佳性能狀態(tài)。這一節(jié)能降耗的重要舉措，將節(jié)省的人力成本費(fèi)用于支付技改投入的設(shè)備資金，使企業(yè)以較低的成本獲得更大的收益，充分調(diào)動(dòng)煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)礦井自動(dòng)化的積極性，是行之有效的有力舉措[5]。

KJ30 瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)將傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制功能有機(jī)結(jié)合為一個(gè)整體，數(shù)據(jù)共享方便、快捷、有效，各層次之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠。監(jiān)測(cè)功能由現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集數(shù)據(jù)， 然后通過KXW24X（B）型瓦斯抽放控制顯示柜將傳感器數(shù)據(jù)上傳至礦調(diào)度室中心站軟件，最終通過Web 站點(diǎn)方式實(shí)時(shí)發(fā)布監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。控制功能則依靠監(jiān)測(cè)所得的各項(xiàng)傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)分析判斷達(dá)到預(yù)先設(shè)置的控制條件， 上位機(jī)WinCC 運(yùn)算并下發(fā)控制指令，PLC接收到上位機(jī)的指令后執(zhí)行。

該系統(tǒng)采用應(yīng)用管理、顯示控制、檢測(cè)與執(zhí)行3層結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 KJ30 瓦斯抽放監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 Topology of KJ30 gas drainage monitoring system

1）應(yīng)用管理層 其上位機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)抽放系統(tǒng)所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、 采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，判斷控制條件，下發(fā)控制指令，共享控制權(quán)力（實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制）、檢測(cè)數(shù)據(jù)的管理、統(tǒng)計(jì)存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)顯示工藝流程、查詢打印、網(wǎng)絡(luò)通訊等任務(wù)；

2）顯示控制層 負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)各傳感器數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)計(jì)量及操作控制、故障保護(hù)、面板操作、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示、聲光報(bào)警、控制現(xiàn)場(chǎng)所有受控設(shè)備，通過儲(chǔ)存的程序指令以條件式地判斷分別精確地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制等；

3）檢測(cè)與執(zhí)行層 負(fù)責(zé)采集瓦斯抽放系統(tǒng)中的各種參數(shù)，執(zhí)行抽放泵（電機(jī)）開停、電動(dòng)閥啟閉、冷卻塔開停等狀態(tài)。

2 PLC 及WinCC 簡(jiǎn)介

采用國際主流的可編程控制及嵌入式芯片控制結(jié)合的西門子S7-300 混合可編程技術(shù)作為抽放監(jiān)控系統(tǒng)各種設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、 集中保護(hù)控制裝置，對(duì)瓦斯抽采泵站的水環(huán)式真空泵、水泵、冷卻塔、通風(fēng)機(jī)等設(shè)備的啟動(dòng)、停止，電動(dòng)閥門的打開、關(guān)閉、停止、開到位、關(guān)到位、開度等工作狀態(tài)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、可靠、高效地控制，配置西門子原裝I/O 模塊。通過串口通訊模塊CP340 監(jiān)聽控制柜與中心站軟件數(shù)據(jù)交換源碼[6]，根據(jù)通訊協(xié)議解析出采集泵站現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)（甲烷、溫度、CO 氣等）、管道參數(shù)（流量、壓力、溫度、甲烷濃度等）、設(shè)備工況參數(shù)（電流、電壓、功率、溫度等）及其他泵站現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)參數(shù)的功能。

監(jiān)測(cè)采用插入式威力巴流量計(jì)量、激光甲烷監(jiān)測(cè)、巡檢式溫度監(jiān)測(cè)、高防護(hù)等級(jí)（IP65 等級(jí)）等技術(shù)的產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)，確保技術(shù)在安全性、準(zhǔn)確性、可靠性、實(shí)用性等方面都能很好地實(shí)現(xiàn)。

控制主要采用混合可編程技術(shù)（國際主流的可編程控制及嵌入式芯片控制結(jié)合）實(shí)現(xiàn)控制，配套的人機(jī)交互控制設(shè)備采用遠(yuǎn)程調(diào)度室上位計(jì)算機(jī)視窗控制中心WinCC 組態(tài)軟件及泵站就地觸摸屏控制柜，來實(shí)現(xiàn)多功能顯示和觸控。

視窗控制中心WinCC 是第一個(gè)使用最新的32 b 技術(shù)的過程監(jiān)視系統(tǒng)，具有良好的開放性和靈活性。它一方面是高水平的創(chuàng)新，使用戶在早期就了解到即將到來的發(fā)展趨勢(shì)并加以實(shí)現(xiàn)，另一方面是基于標(biāo)準(zhǔn)的長(zhǎng)期產(chǎn)品策略，可確保用戶的投資利益。

3 無人值守抽采泵站智能化控制系統(tǒng)

根據(jù)煤礦企業(yè)瓦斯抽采泵站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，將傳統(tǒng)的手動(dòng)閥門全部更換為礦用隔爆型電動(dòng)閥門執(zhí)行器，把閥門的打開、關(guān)閉、停止、開到位、關(guān)到位及開度信息接入PLC 控制及反饋對(duì)應(yīng)接線端子上[7-8]；將控制抽放泵的高壓開關(guān)柜（軟啟動(dòng)開關(guān)），控制水泵、冷卻塔、排風(fēng)扇等設(shè)備的低壓開關(guān)上相關(guān)的合閘、分閘、故障、報(bào)警等信息接入PLC 接線端子，并將對(duì)應(yīng)開關(guān)上的控制信號(hào)由就地切換到遠(yuǎn)控狀態(tài)；把CP340 模塊的通訊線接入到采集傳感器信息的監(jiān)控分站RS485 總線上，實(shí)時(shí)監(jiān)聽分站與上位機(jī)中心站軟件的數(shù)據(jù)交換信息，并將監(jiān)聽的數(shù)據(jù)源碼采集到PLC 數(shù)據(jù)解析程序上進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，通過WinCC 組態(tài)軟件關(guān)聯(lián)其變量參數(shù)進(jìn)行在線顯示。

通過編寫PLC 程序?qū)Τ榉畔到y(tǒng)輸氣管道及供水管路上的各電動(dòng)閥門、高壓控制柜開關(guān)、低壓開關(guān)進(jìn)行獨(dú)立控制。同時(shí)，根據(jù)各煤礦企業(yè)瓦斯抽放泵站的日常生產(chǎn)啟動(dòng)或者停止抽放泵的流程順序，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)單臺(tái)瓦斯抽放泵的一鍵啟動(dòng)或停止，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的運(yùn)行時(shí)間或者啟停次數(shù)等條件實(shí)現(xiàn)主、備機(jī)一鍵自動(dòng)切換倒機(jī)，而且能根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)反饋數(shù)據(jù)，建立起專家?guī)炷Ｐ团袛喙收?、發(fā)出聲光報(bào)警。根據(jù)設(shè)備故障情況，能夠自動(dòng)停泵和啟動(dòng)備用抽放泵， 在數(shù)據(jù)庫內(nèi)記錄下故障記錄等信息。部分程序代碼如圖2和圖3所示。

圖2 抽放泵一鍵啟動(dòng)程序Fig.2 Drainage pump one key start-up procedure

圖3 抽放泵一鍵停止程序Fig.3 Drainage pump one key stop procedure

WinCC 提供了所有最重要的通訊通道，用于連接到SIMATIC S5/S7/505 控制器 （如通過S7 協(xié)議集）的通訊，以及PROFIBUS-DP/FMS，DDE（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換）和OPC（用于過程控制的OLE）等非專用通道[9]；在WinCC 上位機(jī)根據(jù)抽放泵站現(xiàn)場(chǎng)管路走向及機(jī)電設(shè)備的安置情況， 利用三維建模軟件作圖，效果保持與現(xiàn)狀一致，以適應(yīng)煤礦企業(yè)值班操作員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的親切感。

利用與現(xiàn)場(chǎng)PLC 變量的關(guān)聯(lián)，通過功能按鈕用鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯泵站的操作。為了確保遠(yuǎn)程控制下發(fā)命令的可靠性，同時(shí)將泵站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)反饋攝像頭視屏一并集成到主畫面，只需一鍵點(diǎn)擊待查看設(shè)備對(duì)應(yīng)的視屏確認(rèn)即可。對(duì)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的優(yōu)化處理、歷史數(shù)據(jù)的查詢、設(shè)備的運(yùn)行記錄、報(bào)警信息等狀態(tài)可以通過相關(guān)功能按鈕點(diǎn)擊查看、 打印等，做到隨時(shí)了解并掌握泵站抽采效果。

如果管道發(fā)生氣體泄漏等引起環(huán)境瓦斯超限、水泵未及時(shí)開啟引起抽放泵缺水或者長(zhǎng)時(shí)間未關(guān)閉引起水池水位過低、抽放泵和點(diǎn)擊前后軸承溫度超限等，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)置的參數(shù)條件自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警提示，并自動(dòng)轉(zhuǎn)入在線“專家診斷”程序提出解決改問題辦法。同時(shí)，利用手機(jī)短信功能，根據(jù)問題故障的等級(jí)程度向調(diào)度值班員、區(qū)隊(duì)、智能部門及相關(guān)主管領(lǐng)導(dǎo)發(fā)送信息，確保瓦斯抽采泵站無人值守情況下的穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)WinCC 組態(tài)主界面如圖4所示。

圖4 抽采泵站智能化控制系統(tǒng)WinCC 組態(tài)主界面Fig.4 WinCC configuration main interface of intelligent control system for pumping station

4 展望

無人值守抽采泵站智能化控制系統(tǒng)的研究不僅局限于獨(dú)立子系統(tǒng)的運(yùn)用，還可以將數(shù)據(jù)接入礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)或者礦井綜合自動(dòng)化平臺(tái)，將抽采系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享并長(zhǎng)期有效保存；遠(yuǎn)期還可以將井下鉆孔、支管、干管及主管道瓦斯?jié)舛?、流量、溫度?壓力等全范圍管路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)涞皆撓到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井抽采源頭到地面最終排空， 以致瓦斯發(fā)電、提存、輸送；利用全覆蓋監(jiān)測(cè)控制為煤礦安全生產(chǎn)調(diào)度、安全避險(xiǎn)和應(yīng)急救援提供有力保障，為煤炭企業(yè)打造綠色環(huán)保礦山，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的平衡，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

5 結(jié)語

借助于國家大力推行煤礦企業(yè)輔助系統(tǒng)智能化升級(jí)改造的機(jī)遇，基于WinCC 的無人值守瓦斯抽采泵站智能化控制系統(tǒng)一直在不斷總結(jié)、優(yōu)化和完善，完成了高品質(zhì)通訊傳輸、縝密的邏輯程序、運(yùn)行指令下發(fā)上傳、異常狀況報(bào)警及在線專家診斷功能的全面實(shí)現(xiàn)；充分發(fā)揮了PLC 應(yīng)用技術(shù)的先進(jìn)性和WinCC 組態(tài)軟件的實(shí)用性。該系統(tǒng)廣泛運(yùn)用于各大煤業(yè)集團(tuán)瓦斯抽采泵站，改善了傳統(tǒng)人工操作的弊端及勞動(dòng)強(qiáng)度，為煤炭企業(yè)瓦斯抽采工作提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐體系，總體效果較好，得到各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)和使用人員的一致認(rèn)可；對(duì)于相關(guān)煤炭企業(yè)落實(shí)國家安全監(jiān)管總局要求的“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”具有重要意義和積極作用。