煤礦井下自動(dòng)化供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

張紀(jì)飛

（兗煤萬福能源有限公司，山東 菏澤 274922）

1 工程概況

兗州煤業(yè)股份有限公司東灘煤礦副井井底車場深度為-709.97 m，井筒減壓水池深度為-350 m，水池容量為100 m3。井下供水系統(tǒng)的控制核心位于副井-3.5 m位置，此處布置一臺(tái)控制箱、四臺(tái)兩路并聯(lián)使用的閘閥。礦井用水由地面蓄水池通過管路輸送到控制箱，通過閘閥控制水量后，將水輸送到井筒減壓水池，然后從-650 m水平引出井筒。

原井下供水控制系統(tǒng)采用西門子S7-200控制器，選用Z773-10型液動(dòng)漿液閥。PLC對采集到的4～20 mA電流信號進(jìn)行采集分析后控制閘閥開或者關(guān)，通過LED數(shù)字顯示器，顯示井筒減壓水池水位。該系統(tǒng)由于設(shè)計(jì)使用時(shí)間較長，系統(tǒng)軟件、硬件配置均達(dá)不到礦井自動(dòng)化控制的需求。

（1）液動(dòng)漿液閥通過液壓油壓入液壓缸的上下腔來帶動(dòng)活塞桿做上下動(dòng)作，從而控制閘門的開或者關(guān)。此種漿液閥受外界環(huán)境影響較大，由于冬季副井風(fēng)流較大，溫度較低，很容易使液壓油油質(zhì)變稠，影響閘門動(dòng)作，從而影響供水系統(tǒng)正常運(yùn)行；液壓油長時(shí)間使用后需要人員定期檢查、維護(hù)，增加了人力物力。

（2）液動(dòng)漿液閥活塞桿位置受行程限位開關(guān)控制，由于減壓水池容量較小，限位開關(guān)動(dòng)作頻繁，容易導(dǎo)致限位開關(guān)動(dòng)作不靈敏，影響供水系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（3）液動(dòng)漿液閥只有開、關(guān)兩個(gè)位置，不能根據(jù)減壓水池水位自動(dòng)調(diào)節(jié)和顯示閘閥開度。

（4）原供水系統(tǒng)數(shù)字顯示器功能單一，只能進(jìn)行故障報(bào)警和水位顯示，無法進(jìn)行閘閥控制和顯示閘閥運(yùn)行狀態(tài)。

（5）液動(dòng)漿液閥不具備遠(yuǎn)程通訊接口，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。因此，有必要研究一套適用于煤礦井下供水系統(tǒng)的自動(dòng)水位監(jiān)測系統(tǒng)。

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)改造方案

2.1 系統(tǒng)改造方案

（1）解決原系統(tǒng)閘閥故障率高、工作不穩(wěn)定的問題。采用ZJK系列電動(dòng)閘閥，ZJK系列電動(dòng)閘閥采用非侵入式結(jié)構(gòu)，不受外界環(huán)境溫度影響，性能穩(wěn)定可靠，故障率低，便于操作和維護(hù)。

（2）解決原系統(tǒng)閘閥無法進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊的問題。ZJK系列型電動(dòng)閘閥采用單片機(jī)編程控制，具有485通訊接口，能夠?qū)㈤l閥開度、運(yùn)行狀態(tài)、4～20 mA模擬量信號等反饋給PLC，并根據(jù)需要控制閘閥任意開度，同時(shí)具有就地操作和遠(yuǎn)程操作兩種操作方式。

（3）解決原系統(tǒng)閘閥動(dòng)作頻繁的問題。優(yōu)化完善程序設(shè)計(jì)，通過對減壓水池的水位檢測，設(shè)置調(diào)整閘閥開度，使減壓水池進(jìn)水量與出水量基本保持平衡，避免電動(dòng)閘閥頻繁動(dòng)作。

（4）解決原系統(tǒng)數(shù)字顯示器功能單一，無法進(jìn)行閘閥控制和顯示閘閥運(yùn)行狀態(tài)等問題。將副井操作室和副井-3.5 m的數(shù)字顯示器更換為西門子智能觸摸屏，使用MCGS組態(tài)軟件，并與西門子PLC控制器進(jìn)行通訊，用于實(shí)時(shí)顯示減壓水池水位變化、閘閥開度、參數(shù)設(shè)定等功能。

（5）解決原系統(tǒng)無法進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題。采用西門子S7-1200PLC控制器，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)與副井操作室西門子智能觸摸屏、區(qū)隊(duì)值班室上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)閘閥的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用兩套超聲波傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測井筒減壓水池水位，將采集到的4～20 mA模擬量信號傳輸至副井-3.5 m位置的西門子CPU1214C PLC控制器，調(diào)節(jié)四臺(tái)電動(dòng)閘閥開度控制減壓水池水位，并在副井-3.5 m位置和操作室安裝西門子智能觸摸屏，區(qū)隊(duì)值班室上位機(jī)安裝組態(tài)王軟件，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)與西門子S7-1200進(jìn)行通訊，用于實(shí)時(shí)顯示減壓水池水位變化、故障報(bào)警、運(yùn)行與歷史曲線、閘閥開度及遠(yuǎn)程控制等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)硬件配置

系統(tǒng)主要硬件配置見表1。

表1 硬件配置表

2.4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)功能

（1）閘閥控制

現(xiàn)場布置4個(gè)電動(dòng)閘閥，首先南北兩個(gè)閘閥串聯(lián)，然后東西并聯(lián)后使用，形成雙串雙并系統(tǒng)。根據(jù)井下用水情況，設(shè)定不同的水位及閘閥開度。正常情況下，只需將東側(cè)或者西側(cè)的兩臺(tái)閘閥設(shè)置成自動(dòng)模式，其余兩個(gè)閘閥設(shè)置成手動(dòng)模式，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閘閥的自動(dòng)化運(yùn)行，且一用一備。以運(yùn)行其中一側(cè)的兩個(gè)閘閥為例，其中一個(gè)閘閥設(shè)置超高限、高限、中限、低限、超低限五個(gè)水位，另一個(gè)閘閥設(shè)置極高限、中限、極限低三個(gè)水位。當(dāng)減壓水池水位在高限和低限之間變化時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)水位信號，通過PLC的PID功能自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)閘閥開度來控制水池供水量，保證井下正常供水。當(dāng)水位到達(dá)超高限或者超低限時(shí)，則進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)控制電動(dòng)閘閥全關(guān)或者全開。如果水位處于超高限時(shí)，正在運(yùn)行的電動(dòng)閘閥發(fā)生故障，導(dǎo)致閘閥不能關(guān)閉，則同一側(cè)的另外一個(gè)閘閥自動(dòng)關(guān)閉。如果水位處于超低限時(shí)，正在運(yùn)行的電動(dòng)閘閥發(fā)生故障，導(dǎo)致閘閥不能打開，則打開備用閘閥進(jìn)行供水。通過檢測減壓水池的涌水量可以提前預(yù)測水位增長情況，做到提前預(yù)知和提前干預(yù)。參數(shù)設(shè)置如圖2。（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控

圖2 上位機(jī)參數(shù)設(shè)置與運(yùn)行曲線界面

副井操作室內(nèi)的西門子智能觸摸屏與副井-3.5 m的西門子S7-1200PLC通過工業(yè)網(wǎng)建立通訊，可以實(shí)時(shí)顯示減壓水池水位、電動(dòng)閘閥開度、故障信息、系統(tǒng)參數(shù)等。當(dāng)系統(tǒng)水位發(fā)生異常或者電動(dòng)閘閥出現(xiàn)故障，提升機(jī)司機(jī)或者檢修人員通過操作觸摸屏，就能進(jìn)行故障查詢及復(fù)位，并且遠(yuǎn)程控制電動(dòng)閘閥，保證供水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。觸摸屏界面如圖3。

圖3 觸摸屏顯示界面

在區(qū)隊(duì)值班室上位機(jī)安裝組態(tài)王軟件，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)與副井-3.5 m的西門子S7-1200PLC建立通訊，除了可以實(shí)時(shí)顯示減壓水池水位、電動(dòng)閘閥開度、故障信息、系統(tǒng)參數(shù)等，還具有故障復(fù)位、實(shí)時(shí)曲線顯示、歷史曲線查詢、數(shù)據(jù)報(bào)表打印等功能，并且值班人員通過操作上位機(jī)就能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閘閥的遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。上位機(jī)顯示界面如圖4。

圖4 上位機(jī)監(jiān)控主頁面

2.5 軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用西門子S7-1200PLC作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,利用TIA博途軟件- Portal V13進(jìn)行編程。編程界面如圖5。

3 結(jié)束語

礦井井下自動(dòng)化供水系統(tǒng)自投入以來，一直保持著平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)零故障運(yùn)行，節(jié)省了人力物力，達(dá)到了減員增效的目的，大大提高了供水系統(tǒng)的安全可靠性，保證了礦井安全生產(chǎn)，同時(shí)為礦井綜合自動(dòng)化改造提供了新思路，也為礦井實(shí)現(xiàn)無人值守奠定了基礎(chǔ)。