基于PLC 和组态王的矿井主排水泵房自动化系统

吴敬建 李庆振 王矛庵

（山东济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿，山东 汶上 272500）

1 引言

煤矿井下主排水系统是煤矿生产的重要环节，其工作可靠性及稳定性直接关系到全矿的安全生产。矿井主排水泵是防止矿井透水事故发生的关键设备，实现井下主排水泵的自动化集中控制是保障井下排水系统安全的有力措施。随着自动化控制技术的发展，许多煤矿井下主排水泵控制系统逐步采用PLC 技术，实现了主排水泵房的自动控制。为满足煤矿“提效率，降成本”的要求，济矿鲁能煤电股份有限公司阳城煤矿进行了井下主排水泵房自动化系统的升级改造。

2 系统结构

井下现有两个主排水泵房以及两个采区排水泵房，分别为-312m 水平主排水泵房、-650m 水平主排水泵房、三采区排水泵房、三采区深部排水泵房。排水设备-312m 水平选用MD500-57×7 型矿用耐磨多级离心泵4 台，-650m 水平选用PJ200×8型高扬程多级离心泵5 台，三采区排水泵房选用MDS420A-94×4 型矿用耐磨多级离心泵3 台，三采区深部排水泵房选用MD300-65×9 型矿用耐磨多级离心泵3 台。根据现场实际情况特设计井下主排水泵房自动化系统整体结构如图1 所示，主要包括调度监控中心、工业以太网、现场控制站和现场监控设备4 个部分。

调度监控中心通过操控站集中控制和监视煤矿-312m 水平主排水泵房、-650m 水平主排水泵房、三采区排水泵房、三采区深部排水泵房的所有设备，主要有2 台工控机（分别为主操控站和备操控站）、组态王6.55版本上位机监控软件和UPS不间断电源。

工业以太网是集控中心操控站和现场控制站进行信息传递的重要途径。为了保障网络通信的可靠性，采用环形网络，并采用光纤作为网络的传输介质，以满足煤矿防爆和远距离传输的要求。整个网络由光纤、光电转换器和以太网交换机组成。

四个水泵房现场控制站主要由西门子S7-300 系列PLC、CP343-1 以太网通信设备和I/O 模块组成，与现场监控设备进行数据交互，实现对主排水泵房的自动控制，并设置就地控制箱和HMI-触摸屏实现就地控制。

现场监控设备由传感器和执行机构组成，用于直接检测水仓及排水设备，将检测到的运行数据传送到操控站，由操控站发出控制信号。监控设备在接收到控制信号后直接执行控制操作。

3 主排水泵自动化设计

该矿主排水系统是井下排水远程集中监控系统的重要组成部分，由现场控制单元、数据采集设备（或传感器）等组成。井下泵房中的控制单元是整个控制系统的逻辑核心，主要完成各现场数据信息的采集、处理、传输、远程指令的执行等任务，实现主排水泵的远程集中控制。

该矿主排水自动控制系统可根据仓位的高低、水泵状态等因素，实现合理调度、自动准确发出启、停水泵的指令，实时控制各排水管路上的电动闸阀，控制-312m 水平主排水泵房、-650m 水平主排水泵房、三采区排水泵房、三采区深部排水泵房共15台水泵运行。水泵的控制分为：单台水泵自动启停和多台水泵自动控制。

3.1 单台水泵自动启停

单台水泵自动运行的过程：仓位达到上限→开启抽真空系统→校验真空度→开启水泵→校验水泵出水压力→启动水泵出水电动阀→停止真空装置。单台水泵自动关闭的过程：仓位达到下限→关闭水泵出水电动阀→停止水泵。单台水泵自动启停流程图如图2 所示。

图2 单台水泵自动启停流程图

3.2 多台水泵自动控制

多台水泵联动控制可实现：

（1）根据仓位限定的不同级别控制主排水泵运行的台数；

（2）依据主排水泵的工况参数，系统根据程序设定自动选择备用泵及检修泵，完成所有水泵的轮换工作，使各设备磨损程度均等，延长泵房水泵的使用寿命；

（3）根据电网负荷信息，以“移峰填谷”的原则确定开、停水泵的时间，从而达到节能目的。

3.3 系统运行方式

（1）自动控制方式

根据水泵工况，结合电网峰谷时间、仓位、矿井用电负荷等参数，自动开停主排水泵。

（2）就地集中控 制方式

触摸屏采用Siemens MP277， 软件采用SIMATIC WinCC，现场就地集中控制在触摸屏上实现实时监控水泵及其附属设备的运行状态，能够显示仓位、温度、压力、流量（瞬时流量及累计流量）、电流、电压等参数。操作人员可在PLC 控制柜上实现手动一键自动开泵，控制系统自动执行启泵流程，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。

（3）就地手动控制方式

控制系统工作方式选择“就地”时，操作人员可在开关柜上手动控制设备，该工作方式主要适用于检修设备。

4 组态王监控系统

在地面调度指挥中心采用工控机作为远程监控系统，监控组态系统选用KingView 6.55 组态软件。

4.1 组态王与s7-300 通信

在组态王6.55 中对井下-312m 水平主排水泵房、-650m 水平主排水泵房、三采区排水泵房、三采区深部排水泵房进行了组态监控设计。组态王与井下四个PLC 主站之间采用串口通信，利用工程浏览器设备中的“设备配置向导对COM 进行设置，每个COM 选择对应的PLC 厂商、型号，然后设定IP 地址。运行期间组态王通过驱动程序与外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据指令。

4.2 组态监控界面

调度指挥中心主要是完成对PLC 控制器的参数传递与命令的传达，同时也是人机交互的主要核心部分，实现数据的图形、曲线、报表等形式的存储与展示，负责系统命令的执行、运行的监测、维护、报警等任务。

采用组态王KingView 6.55 所设计的组态画面主要包括：两个整体界面，4 个-312m 水平单台排水泵监控画面，5 个-650m 水平单台排水泵监控画面，3 个三采区泵房单台排水泵监控画面，3 个三采区深部泵房单台排水泵监控画面，一个-312m 水平报警设置界面、一个-650m 水平报警设置界面、1 个三采区泵房报警设置界面、1 个三采区深部泵房报警设置界面等。

组态监控界面具体包括主排水泵启停状态、电机及水泵轴承温度、电机定子温度、电机的电压、电流、水泵出水压力、流量、真空度、仓位以及各电动阀的吸合状态等参数。

5 结语

阳城煤矿排水自动化系统结合了计算机技术、工业以太网技术、PLC 技术和组态王软件，实现了对矿井两个水平主排水系统以及两个采区排水系统的实时动态监控和管理。实践证明该系统稳定性及可靠性较高，提高了劳动效率，取得了较好的经济效益，为该矿数字化矿山建设打下了坚实的基础。