KJ751泵站监控系统在大平矿的应用

郑广磊 段超华 刘春峰 李轲 刘涛

摘 要：文章介绍了郑煤集团大平矿矿井开采方式和瓦斯抽采状况，分析了矿井现有地面瓦斯抽采系统存在问题，研究基于S7-1200PLC的瓦斯泵站自动控制组成及工作原理，简述了矿井地面瓦斯泵站自动控制效果。

关键词：煤矿；真空泵；PLC；一键式控制；监控；自动控制

中图分类号：TD76 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）24-0050-02

1 大平矿概况

1.1 抽采条件

大平矿位于新密市和登封市交界处，距郑州50 km，大平煤矿1986年建成投产，2004年被定性为煤与瓦斯突出矿井，核定年生产能力90万t，是全国五对防突示范矿井之一。

地面抽放泵站现有2BEK500型水环真空泵2台，额定流量200 m3/min；13采区抽放泵站现有2BEA303型水环真空泵2台，额定流量60 m3/min；21采区下部抽放泵站现有2BEA303型水环真空泵2台，额定流量60 m3/min；21采区中部抽放泵站现有2BEX505型水环真空泵2台，额定流量140 m3/min；21采区上部抽放泵站现有2BEA303型水环真空泵2台，额定流量60 m3/min；15采区抽放泵站现有2BEX303型水环真空泵2台，额定流量60 m3/min。

1.2 瓦斯泵站运行状况

井下抽采泵站，通过13采区、21采区下部、21采区中部、21采区上部抽采管道，把各采区瓦斯气体通过配套泵站抽采至专用瓦斯回风巷，21 081上付巷和21 161底抽巷的瓦斯抽采管路，通过地面瓦斯泵站抽采，实现气体排空或利用。

1.3 存在的问题

正常情况下，当地面瓦斯泵站抽采的瓦斯浓度高于10%时可以送瓦斯发电站发电，低于时则直接排空。原来抽采瓦斯浓度靠人工每小时监测一次，而瓦斯浓度是随时变化的，有时会造成瓦斯浓度从低于10%变化到10%以上时本可以发电利用的瓦斯，因为人工不能及时监测到而大量排空，造成能源浪费，不利于高效利用。同时采用人工操作，劳动强度大，人力资源浪费，工作效率低，而且设备工作状态需要人工实时判断，容易受到主观因素干扰，因此不能及时发现设备异常运行而造成重大设备事故。

为了满足高瓦斯矿井瓦斯抽采达标验收标准，同时为了适应未来瓦斯抽采泵站自动化控制需求，需要对地面瓦斯抽采泵站进行系统改造，建立瓦斯抽采泵站监控系统，按照控制逻辑实现“一键式”启停操作，实现对瓦斯抽采参数和设备运新参数的在线监测和报警。

2 瓦斯泵站自动控制系统

整套控制系统分为三大部分：上位机、系统控制柜和现场仪表及控制设备。

上位机由工业计算机和组态软件组成。

系统控制柜包含PLC、电源模块、开关量输入输出模块、模拟量输入模块、通信模块和安全隔离栅。

现场仪表及控制设备包括测量管道瓦斯浓度、流量、压力、温度的传感器、真空泵轴温传感器、开停传感器、泵站环境甲烷传感器、循环水泵开停传感器、液位传感器和温度传感器，控制设备真空泵电动机、循环供水泵、阀门控制箱。泵站监控系统组成，如图1所示。

①系统控制柜通过控制继电器闭合/关断，实现对真空泵电动机、循环水泵、阀门控制箱的控制，通过采集传感器数据实时监测设备工作状态，同时把处理后数据通过KJJ12环网交换机上传至上位机。

②上位机可以远程控制真空泵电动机启停、循环水泵启停、电动阀门开关，通过对现场数据的采集处理，实现了以动画显示、数据曲线、报表输出、故障报警等多种功能。

③可编程控制器模块采用西门子S7_1200系列，通过PLC自带RJ45接口连接到接入环网交换机，通过光纤远程传输到调度中心环网交换机，通过接入网线建立上位机与CPU直接通信连接。

④系统配置PLC采用西门子S7-1200系列，主要模块采用SM1223开关量输入输出模块（16输入通道、16输出通道）4块，SM1231模拟量输入模块（8电流/电压通道）3块，SM1231模拟量输入模块（8电阻通道）2块，编程软件采用TIA V12，工控组态软件采用KJ751泵站组态软件，通过西门子Simatic Net建立OPC连接实现PLC和组态软件之间的通信，进行实时数据库交换。控制系统框架，如图2所示。

3 系统功能

系统监控软件采用KJ751泵站监控软件，通过监控软完成数据采集和报警、系统保护及故障判断、系统按照工艺流程自动运行，在上位机上实时显示信息，主要功能有以下几方面。

3.1 系统工艺控制

系统高度集成地实现了自动、手动和检修三种运行模式下的自动控制。在自动模式下系统可根据相应的操作工艺流程实现对抽放泵启停实现一键式操作，即系统可根据工艺流程中设备启动先后的逻辑顺序自动开启或关闭相应设备，达到一键式操作。在手动模式下，启动抽放泵时系统具有“自动闭锁”的功能，在阀门没有打开、水循环泵没有启动等情况下，自动闭锁瓦斯抽放泵，避免设备损坏。在检修模式下，系统对设备实现“点动式”启停，此时系统对整体设备保护性功能最低，只有受过专业培训的人员才可以在该模式下进行相应操作。

3.2 数据监测

系统能连续准确监测泵房及井下抽放管路瓦斯的浓度、流量、压力、温度及部分管道一氧化碳；泵房中循环水的供水状态、液位；泵房环境瓦斯浓度、抽放泵的运行状态、轴温、电流、电压、功率等。并能够依据所测参数自动换算标准状态下的混合瓦斯流量和纯流量，并准确计算出累计抽放量。

3.3 故障报警

上位机对泵房瓦斯浓度、管道参数、泵运行状态、阀门状态等参数进行监测显示，可根据抽放参数监测结果，进行超限声光报警、瓦斯泵断水保护、急停控制输出。文本显示器可对报警信息查询、管道参数查询、电机参数查询、环境参数查询，并可对累计量进行查询。

3.4 数据查询

系统具有实时报警和历史报警查询功能。实时报警可实时显示每个测点参数（如超上、下限），发生报警时，监视屏幕会弹出报警画面，发出报警声响信号。历史报警允许用户随时查询、打印所有报警记录。

3.5 报表分析

监控软件能实时统计、分析处理存储日、旬、月报表，供用户查询打印。系统提供各类用户定制的各类报表，可统计日抽采混和量、月抽采混和量、日抽采纯量和月抽采纯量，报表所需要的数据均自动直接从处理后的数据中提取，无需人工干预，有效的保证数据的安全性、可靠性，同时系统生成的各类报表可以自动转换成Excel电子表格。提供各系统内各监测参数的历史数据查询、曲线查询和打印，并提供专门的瓦斯抽放日报表和瓦斯月报表。

3.6 故障预警功能

在实时监测轴温、冷却水温和压力等参数的数据基础上，通过建立相应的数学模型分析这些参数的波动范围、变化速率等变量判断设备运行状态，进而对设备进行故障预警。

3.7 智能管理功能

就目前煤矿瓦斯抽放泵站的抽放泵运行状态来说一般分为使用和备用两种情况，有的地方为使用/备用/检修等三种情况。为了避免出现过于依赖一台泵运行导致其易损件磨损过快，而备用泵因长期不用，关键部件锈蚀导致紧急启动时无法启动的状况发生，对抽放泵的运行时间及开机效率等数据监测和处理，及时为决策者制定工艺流程提供有价值的参考依据。

3.8 设备故障自诊断和记忆功能

对抽放泵及相应设备进行故障自动报警，并能根据故障类别给出故障排除措施建议；同时，系统可自动统计设备故障类别及相应的频次，阶段性的给决策者制定设备操作管理规程提供非常有价值的参考依据。

3.9 远程监测功能

通过交换机将设备运行状态远程上传至监控终端或局域网，实现对现场设备的运行状态实时监测，同时系统具备以太网和OPC接口，可以有效与第三方厂家设备有效对接。

4 产生效益

4.1 数据有效性

管道瓦斯数据在原来每小时现场检测一次，改变为实时在线监测，减少现场巡视人员2～3人，避免人为因素影响，做到数据实时有效性。

4.2 供气可靠性

当气体浓度大于10%，自动打开用气阀门，充分利用能源，减少能源浪费。当气体浓度小于10%时，自动打开排空阀门，气体直接排空，保证利用气体浓度大于10%要求。

4.3 系统自动操作

在上位机组态软件，通过操作系统启动按钮，自动启停真空泵、循环水泵和配套电动阀门等设备，达到自动控制目的，有效减少人为操作事故发生。

5 结 语

KJ751泵站监控系统安装在大平矿地面瓦斯泵站，对真空泵及电动机工作状态，管道气体数据，供水状态，环境状态实时监测，完成对设备自动化控制，大大改善现场人员工作条件，满足远程监测监控要求，为现代化矿井发展提供有效决策依据，泵站运行效率明显提高，维护时间明显缩短。同时瓦斯气体及时利用，在提高效益方面增加显著，且有效减少瓦斯气体直接排空对环境影响。

参考文献：

[1] 郝鹏雁.自动化系统在顾桥煤矿瓦斯抽排泵站的应用[J].淮南职业技术学院报，2008，（3）.

[2] 朱文杰.S7-1200 PLC编程设计与案例分析[M].北京：机械工业出版社，2011.