分布式PLC技术在煤矿主排水系统中的应用

2021-04-06王艺明

陕西煤炭 2021年2期

王艺明

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安 710054)

0 引言

主排水泵是煤矿井下的重要设备，其功能是将井下工作面及大巷涌出水排至地面，确保井下正常生产及人员安全[1]。开启水泵涉及到开启电动阀门、排真空及启动高压隔爆柜等一系列操作流程，在这个过程中还需要专人监视压力、真空度、闸阀状态、流量、电流等一系列参数，所以开启一台水泵至少需要2人配合才能完成。水泵自动化系统的出现，使井下岗位人员减少，设备故障率降低，煤矿效益提高，安全管理水平得到提升[2]。目前水泵自动化系统多数以可编程逻辑控制器(以下简称PLC)为核心，PLC具有高稳定性，操作简单，功能完善等特点[3]。

PLC替代原有的继电器控制方式，使控制系统具有多元化、智能化等优点，PLC采集水泵管路流量，管路压力，电机轴承温度，配电装置的电流、电压，水仓水位等参数，通过程序计算，实现水泵的自动运行[4-9]。唐辉辉[10]提出，井下传感器采集信息传输给西门子S7-1200型PLC，PLC监控井下各设备的实时状态。水泵自动化系统有手动、半自动、自动、检修等控制方式。王海兴[11]设计了一种水位检测系统，为水泵自动化系统的子系统，可输出4个开关量信号，分别代表超高水位、高水位、低水位、超低水位，水位信号上传至PLC后，可根据不同的水位做出相应指令。本设计对目前以PLC为核心的水泵自动化系统做出改进，使系统组成更灵活、功能更全面。陈广达等[12]设计了一种无人值守煤矿井下排水监控系统；该系统应用S7-300PLC控制技术、组态王技术、通信技术，通过检测水位和其他参数，实现了泵站无人值守。

针对目前井下主水泵自动控制系统逻辑复杂，动力及控制电缆接线繁杂等因素，文中提出一种新的设计方法，每台水泵使用1台PLC分站，使单台水泵形成独立控制系统自动运行，当出现故障后，PLC分站将该台水泵隔离；再使用PLC主站对主管路阀门及每一台水泵进行控制。

1 水泵自动化系统设计

整个泵房自动控制系统由地面上位机、井下泵房控制系统、传感器、闸阀及远程监控系统组成。

1.1 地面上位机

地面上位机由远程工控一体机和组态软件组成，用以实时监测和控制井下排水泵。上位机与井下泵房控制系统通过工业以太网通讯，进行信息交换。水泵房各设备参数信号通过网线就近接入交换机，利用工业以太环网，将信号远传到矿调度中心，矿调度中心根据需要，再将控制指令下发到井下泵房控制系统中，对水泵、阀门等进行实时的远程监控。上位机画面如图1所示。

图1 上位机画面Fig.1 Upper computer display

工业组态软件采用Wincc 7.3正版授权软件，画面模拟现场实际设备情况，画面直观，操作方便。

上位机界面上可显示水仓水位、吸水管真空度、水泵轴承温度及振动幅度、水泵运行电流及电压、排水管出水压力及流量等参数，还可以监测系统当前的控制方式(远程/集中/就地、自动/手动)、各台水泵的工作状态(工作、备用或者检修状态)、水泵的运行状态(运行/停止)、故障信号及电动闸阀的开闭状态等参数。

1.2 井下泵房控制系统

井下泵房控制系统由PLC主站和分站组成。

PLC主站配置西门子S7-1500系列PLC及10寸触摸屏，可通过箱体触摸板控制系统内各界面转换，同时PLC主站可提供AC660V和AC127V电源，为主排水管闸阀和主引水管球阀供电。PLC主站采集水仓水位、主管路压力等信号；通过网线和硬接线与PLC分站通讯；通过硬接线控制高压隔爆柜，实现对水泵的启停。

PLC分站配置S7-1200系列PLC及10寸触摸屏，同时PLC分站可提供AC660V和AC127V电源，为本水泵排水管闸阀、射流泵及引水管球阀供电。PLC主站采集水仓水位、吸水管真空度、排水管出水压力及流量、水泵轴承温度、振动、水泵运行电流及电压等参数；通过硬接线控制本水泵排水管闸阀和引水管球阀的开关；通过硬接线控制射流泵及引水管球阀的开关；通过硬接线控制高压隔爆柜，实现对水泵的启停。

PLC主站和PLC分站内均含有控制系统及配电系统，实现系统集成，每台水泵均可独立运行，最大程度保证水泵自动化系统安全运行。

1.3 传感器

检测传感器：检测传感器包括压力传感器、负压传感器、双声道超声波流量计、投入式液位计、温度振动一体传感器等，需要检测的参数有泵体负压，水泵出水口压力，电机电流、电压，排水的瞬时流量及水仓水位等信号。

投入式液位传感器：配置2台投入式液位计，实时监测井下水仓水位变化。

压力传感器：每台水泵配置1台正压传感器，用来监测水泵出水口压力，当排水压力出现故障时可及时停泵，以免水泵腔体产生“汽蚀现象”；每台水泵配置1台负压传感器，用来监测水泵真空度，作为水泵启动前腔体是否灌满水的重要参数。

流量传感器：在每趟主管路上，分别配置1台双声道超声波流量传感器，检测每趟出水管路的瞬时流量。

温度振动一体传感器：利用水泵轴承体预留的传感器接口，对水泵轴承运行温度、振动进行实时检测，检测到的温度、振动信号经转换输出成标准模拟量信号交由PLC分站作为水泵是否正常工作的依据。同时，系统应可接入电机绕组温度数据，当温度过高时则报警，严重时停泵。

电流采集：通过高压隔爆柜综保通讯，采集相关电量信息，每台水泵单独采集电流，用于实现对电机电流信号的有效采集及检测。

1.4 闸阀部分

为更好地实现井下泵房自动排水控制，减轻井下水泵操作人员劳动强度，保护井下水泵引水及出水管路，采用电动球阀和电动闸阀。PLC主站为主排水管闸阀和主引水管球阀供电和控制；PLC分站为本水泵排水管闸阀、射流泵及引水管球阀供电和控制。

1.5 设备远程维护系统

在井下设置设备远程维护模块，井下泵房控制系统与公共Internet网络之间建立一条安全可靠的VPN通道，甲方授权后，可通过以太网随时访问现场设备，实时监控系统运行状态，当系统出现故障时，分析系统异常原因，可进行远程技术指导。

设备远程维护系统收集水泵运行数据，实现水泵进行全生命周期管理。

增加设备远程监控模块后，可以快速地进行故障诊断，减少维护成本及增加水泵服务时间。

2 控制方式

2.1 分布式PLC控制方式

由于水泵自动化系统对安全性与可靠性有较高的要求，水泵自动化系统的控制结构应采用多CPU控制模式，实现以太网通讯。此模式为每台泵组设计一台PLC分站进行控制，再设置一台PLC主站对各PLC分站进行总控制。

各PLC分站内置CPU控制模块与数据采集模块，实现了各泵组的运行参数独立采集与启、停控制的故障保护，同时可就地控制或远程控制模式“一键启停”泵组。当任意一台PLC分站出现故障时，不会影响其他泵组的正常运行，同时PLC分站内的元器件型号一致，均可互换，维护方便、快捷，将不利因素降到最低点。

各PLC分站之间通过以太网进行通讯，将泵组的运行状态与故障状态传输至PLC主站，系统依据当前的水仓液位状态、避峰填谷功能、均匀磨损功能、效率优先等功能进行全自动的调度控制，此模式下可实现无人值守功能。多CPU控制系统结构如图2所示。

图2 多CPU控制系统结构Fig.2 Multi CPU control system structure

2.2 自动控制方式

地面监控组态画面及井下PLC主站均显示自动模式，此时PLC自动控制所有设备，按照排水工艺流程进行排水，地面监控画图及PLC主站10寸屏动态显示系统内各水泵及阀门工作状况和系统各种故障显示。PLC主站和PLC分站实时监控水仓液位，根据吸水井的水位及其他因素，合理调度自动开停水泵和电动阀门，在正常水位时，各台水泵能自动轮换工作，最大涌水及突出涌水时，自动投入必要数量的水泵运行，同时可限定各泵站同时开泵的最高台数，确定水泵启动水位，当水位增长过快时能及时加泵。当运行过程中，水泵出现故障时，能迅速发出报警，并自动开启备用水泵。当水位降低过快或水位至低水位时，能及时报警或适当停泵减少水泵运行数量。