鐵礦井下主排水遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

徐德亮

（中鋼集團安徽劉塘坊礦業(yè)有限公司 安徽 六安 237471）

1 引言

礦山主排水系統(tǒng)是保證礦山井下安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一，目前我國礦山井下部分排水系統(tǒng)仍使用繼電器、接觸器進行控制，線路比較復(fù)雜，設(shè)備運行可靠性低。在PLC控制系統(tǒng)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(shè)備工作壽命延長，可靠性能提高。此外，PLC能直觀地反映出現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，通過通訊可實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，減少崗位操作人員數(shù)量，大大提高了排水設(shè)備運行的安全性、可靠性和經(jīng)濟性[1]。

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及設(shè)計條件

2.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

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

2.2 系統(tǒng)的設(shè)計條件

劉塘坊鐵礦井下主排水泵房內(nèi)設(shè)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(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1.1 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

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

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

（3）模擬量輸入模塊：將模擬信號轉(zhuǎn)換成S7-300內(nèi)部處理用的數(shù)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(shù)字量輸入/輸出模塊：數(shù)字量輸入/輸出模板主要顯示水泵狀態(tài)、真空泵狀態(tài)、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(tǒng)電源，為防止系統(tǒng)突然斷電造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)的丟失以及控制失控，采用UPS供電方式，保證系統(tǒng)不間斷運行。

3.1.2 現(xiàn)場控制柜及控制箱

水泵房設(shè)一集中控制柜，控制柜上可實現(xiàn)對主排水泵及真空泵的選擇及工作方式（遠(yuǎn)程/本地）的選擇。在每臺水泵附近設(shè)1臺就地控制箱，在真空泵附近設(shè)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(tǒng)的可靠運行。

3.1.3 監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)采用兩臺遠(yuǎn)程上位計算機，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與監(jiān)視主排水泵運行狀態(tài)信息。上位機監(jiān)控平臺選用西門子WINCC軟件，功能模塊化，結(jié)構(gòu)線性化，注釋完整齊全，并附有輔助圖表說明。整個系統(tǒng)通過光纖與井下主排水系統(tǒng)聯(lián)接在一起。

3.1.4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

輔助視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要在中央泵房處各水泵處配置對應(yīng)的攝像機及輔助控制箱等，由網(wǎng)絡(luò)交換機及光電收發(fā)器，通過光纖傳輸?shù)降乇砑刂行?，通過視頻TCP/IP網(wǎng)絡(luò)融入原有的集中視頻管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)在集控中心監(jiān)控該區(qū)域前端的所有網(wǎng)絡(luò)攝像機，可實現(xiàn)分組管理和控制，并且能夠?qū)崟r存儲視頻數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在該控制系統(tǒng)中，上位機監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計由Wincc組態(tài)軟件實現(xiàn)。Wincc組態(tài)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(shù)據(jù)等[2]。

圖2 水泵運行主畫面

圖3 參數(shù)監(jiān)控畫面

圖4 運行曲線查詢畫面

圖5 報表查詢畫面

4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的主要功能

4.1 監(jiān)測參數(shù)顯示

電機繞組溫度監(jiān)控；前后端軸承溫度監(jiān)控；水倉液位監(jiān)控；壓力監(jiān)測；真空度監(jiān)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(jù)水泵運行情況及運行時間進行工作泵之間的自動轉(zhuǎn)換。可根據(jù)井下用電負(fù)荷和供電部門規(guī)定，依據(jù)“避峰填谷”的原則進行水泵的啟停。主排水泵房照明系統(tǒng)可通過遠(yuǎn)程操作進行開關(guān)。

4.3 運行曲線、報表統(tǒng)計

通過建立數(shù)據(jù)庫，對重要運行參數(shù)生成趨勢曲線和數(shù)據(jù)報表，并提供各項數(shù)據(jù)的查詢功能，可通過報表和設(shè)備運行曲線對設(shè)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(tài)。

4.4 視頻監(jiān)控

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

4.5 保護功能

（1）超溫保護 當(dāng)電機定子、軸承，水泵軸承溫度超出預(yù)編程序內(nèi)設(shè)置保護值時，可實現(xiàn)溫度超溫報警，根據(jù)溫度高低可自動實現(xiàn)水泵停止運轉(zhuǎn)。

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

（3）流量報警 當(dāng)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(tài)監(jiān)護 可在集控上位機觀測到各個閥門開啟或關(guān)閉狀態(tài)，若開到位或關(guān)到位不達(dá)標(biāo)，則進行報警。

（5）過流保護 當(dāng)主排水泵電機電流超過設(shè)定值時，則自動停止水泵運行。

（6）啟動時間過長保護 當(dāng)水泵抽真空時間過長，或真空度不達(dá)標(biāo)等，超出水泵啟動時間，則進行報警。

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

5 結(jié)語

井下主排水遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高、操作簡單方便，通過PLC程序設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)的正常運行和故障信號傳輸，并可與上位機實時數(shù)據(jù)交換，讓集控操作員實時監(jiān)控主排水系統(tǒng)的運行狀態(tài)。主排水遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用，減少了設(shè)備故障率，實現(xiàn)了井下主排水泵房的無人值守。