基于iFix的矿井排水集控系统设计与应用

2019-12-13喻振杰曾尚琦

煤炭工程 2019年11期

刘迪，喻振杰，曾尚琦，李哲

(中国矿业大学信控学院，江苏徐州 221008)

随着煤炭行业快速的发展，矿井安全问题越来越被人们所重视。煤矿排水系统作为煤矿六大系统之一，主要任务是将矿井巷道的积水排出到地面上，在煤矿开采中扮演着非常重要的角色[1]。我国大部分煤矿的排水系统自动化程度不高，设备老旧严重，很难适应现代化的煤矿开采需求[2，3]。进入21世纪后，随着我国科技水平的日益增长，以及工业控制行业的快速发展，煤矿排水系统取得了一定的发展[4]。1980年徐州矿务局旗山煤矿程瑞林提出了矿井主排水泵单机自动化系统，有效提高了排水效率，对之后水泵自动化发展提供了思路，但是自动化程度较低，不能实现排水系统的整体集控[5]。2001年煤炭工业邯郸设计研究院李胜旺对中央泵房水泵自动化实施过程中遇到的问题进行了分析与探讨，解决部分排水系统设计问题，但是缺乏具体的软件系统设计方案[6]。2008年煤炭工业济南设计研究院有限公司彭澄伟对主排水泵自动控制系统进行了研究，提出科学控制水仓水位，更好的提高排水效率，但是缺乏故障报警环节，无法及时有效的发现故障位置、类型[7]。2009年唐山学院朱全印提出了一种矿井水泵自动控制的设计，主要关于水泵节能运行，可以有效节约能源，但是缺乏相应软件系统设计[8，9]。目前煤矿排水系统多是单机自动化控制，缺乏整体统一的集中控制，没有水泵的故障报警画面弹窗、语音提示，历史记录以及故障分析[10，11]。近年来，随着工业技术的发展，为实现煤矿综合自动化生产提供了可能，煤矿排水系统综合自动化对煤炭的安全生产具有重要意义。本设计针对以上情况，使用工业控制领域先进的组态软件iFix为任楼煤矿设计了一种矿井排水集控系统，来解决目前控制系统功能单一、故障报警环节缺失、数据记录、电能浪费的问题。

1 系统结构

1.1 矿井排水系统概述

任楼煤矿分为一水平和二水平，其中二水平开采深度达到了-720m，二水平设置4台水泵，2个水仓。系统采用全分布式控制结构。主要由井下水泵PLC控制箱、防爆交换机、通信网关、UPS电源、打印机、多个传感器、调度中心上位机和综合操作台构成。综合操作台位于地面调度中心控制室，调度中心上位机与水泵PLC控制箱之间采用工业以太网络或工业总线结构连接，水泵PLC控制箱采用矩阵结构与多个传感器连接。井下设备的数据采集和控制由水泵PLC控制箱实现，通过集控系统，对矿井下设备进行监测和集中控制，如图1所示。

图1 水泵系统结构图

1.2 系统功能

1)故障监测及报警，当水泵发生故障，相应位置的传感器会产生故障信号，经过PLC控制箱将数据传输到调度中心上位机排水集控系统，系统立即停止水泵运行，发出报警语音提示，弹出故障窗口以及将故障信息记录到数据库中。通过故障弹窗可以知道产生故障的位置、类型，还可以打开水泵房的视频监控，实时查看水泵房情况。

2)合理启用水泵，提高能效比。系统运行后，在用电谷段时，会将水位降到超低水位，尽可能增加水仓的蓄水量，以便在用电峰段，可以减少水泵开启时间，进而节约电费。编程实现水位变化测算，按照水位变化率来决定水泵开启数目，减少水泵的频繁开启。

3)具有自动、手动、检修三种模式，自动模式下，系统根据水位信息，按照下位机设置的运行逻辑控制水泵开启；手动模式下，操作员根据现场情况，手动开启水泵；检修模式主要用于维修人员现场检查维护时使用。

4)实时监测和采集各传感器数据，并将数据记录到数据库中，还可以设置传感器的参数(上限、下限、限值)、用时、超时等，方便工作人员对各传感器的管理以及数据的查看分析。

2 井下水泵系统设计

2.1 硬件设计

任楼煤矿-720泵房共4台水泵，出于可靠性考虑，每台水泵都采用独立的PLC控制箱进行控制，共设置4个PLC控制箱。本设计中PLC采用德国西门子公司生产的S7-300 PLC，S7-300 PLC具有模块化结构，设计灵活紧凑，电磁兼容性强、抗震动冲击性能好，非常适合煤矿井下的恶劣环境。数字量信号输入模块包括电动闸阀开关到位，射流阀开关到位、排气阀开关到位、真空泵开关到位、控制模式选择、水泵开关到位、水泵故障复位及水泵急停等。模拟量信号输入模块包括水仓水位、水泵正负压、水泵前后轴温度、电机前后轴温度及电机电流、电压等[11]。PLC控制箱与调度中心上位监控计算机通过网线连接来传输井下传感器采集到的数据，调度中心上位机与打印机连接，方便管理员随时打印故障报表，以及对系统参数进行分析[11]。

2.2 软件设计

该系统软件设计主要分为iFix组态软件与SQL server数据库两部分。iFix 组态软件设计主要分为画面、调度、历史库配置、过程数据库、I/O驱动配置、安全用户六部分。SQL server数据库用来记录各种数据，方便vxDATA数据控件调用。画面主要是集控系统各设备的直观显示及控制，调度主要作用是记录数据以及报警语音文件播放，历史库配置主要作用是使传感器数据以更加直观的曲线图的形式展现出来，方便管理员观察其变化。安全用户用于给不同用户分配不同的访问和操作权限。其中画面主要由集控界面、数据查询界面、传感器参数设置界面三部分组成。集控系统画面结构如图2所示。

图2 集控系统画面结构图

2.2.1 监控界面设计

任楼煤矿设置4台水泵，采用抽真空方式给水泵引水，在主界面中有水流动画的效果。系统监控主界面以灰色作为背景色，水流以蓝色为背景色，监控界面分为主界面和分界面，单击主界面上某台水泵，能够弹出这台水泵控制分界面，可以清楚的看到水泵的各项参数、控制按钮以及各阀门、管路的动画。水泵监控主界面和水泵控制分界面如图3、图4所示。

图3 水泵监控主界面

图4 水泵控制分界面

2.2.2 故障记录查询界面及调度设计

通过故障调度设计，分别记录故障名称、故障类型、故障发生时间、故障确认时间四种信息在数据库中。用vxDATA数据控件通过ODBC协议与数据库连接在一起，方便管理员查找水泵故障信息。

2.2.3 传感器历史曲线设计

将各水泵电流、电压、正压等传感器节点加入到历史库配置中，相关的信息就会记录在历史库中，通过点击“设置”按钮，选择想查看的节点，可以非常直观的查看节点的曲线图。

3 水泵节能原理与实现

目前煤矿井下排水系统大多数是根据水位高低来作为水泵开启的判断标准，分为三个水位，低水位线、高水位线、警戒水位线[10]。当水位到达高水位时，水泵开始排水，水位低于低水位线时，水泵停止排水。但是，这种控制方法没有充分利用电价的阶梯型，不能有效的节省电费。水泵开启数目也缺乏相应的判断依据，会导致水泵的频繁开启，不仅会让用电量增加而且对设备的使用寿命造成极大的影响，针对以上情况，本设计提出了根据水位下降变化率和电价不同区间段来决定水泵开启数目和时间段，把水位进一步细分为：超低水位、低水位、中水位、高水位、超高水位、警戒水位，在用电谷段时，尽可能的将水位降到最低，在用电峰段时，只要不影响煤矿的安全生产，暂缓水泵的开启。根据水位下降的速率来决定水泵的开启数目，当一台水泵排水量大于同时间段的涌水量，不增开水泵。系统运行后，当水位高于中水位线以及在用电谷段时，开启水泵排水，根据水位下降的速率判断是否加开一台水泵，直至水位到达超低水位时关闭水泵。当时间在用电谷段但水位低于中水位线和当时间在用电峰段但水位低于超高水位时，不开启水泵，当时间在用电峰段并且水位高于超高水位时，开启一台水泵，根据水位下降的速率判断是否加开一台水泵，直至水位下降到中水位时关闭水泵。水泵排水逻辑流程如图5所示。