铁矿井下主排水远程自动控制系统的设计及应用

徐德亮

（中钢集团安徽刘塘坊矿业有限公司 安徽 六安 237471）

1 引言

矿山主排水系统是保证矿山井下安全生产的关键因素之一，目前我国矿山井下部分排水系统仍使用继电器、接触器进行控制，线路比较复杂，设备运行可靠性低。在PLC控制系统中，可通过软件程序代替继电器等电子器件及量大的硬线线路，设备工作寿命延长，可靠性能提高。此外，PLC能直观地反映出现场设备的运行状态，通过通讯可实现远程操作，减少岗位操作人员数量，大大提高了排水设备运行的安全性、可靠性和经济性[1]。

2 远程控制系统及设计条件

2.1 远程控制系统

该系统主要由地面监控工控机、井下PLC控制柜及现场控制箱、检测传感器及视频监控组成。实现根据水仓液位和峰谷供电时机，在现场无人值守的情况下，按最优的方式轮换启停水泵，既保证了安全又达到了节能的目的。

2.2 系统的设计条件

刘塘坊铁矿井下主排水泵房内设4台主排水泵、2趟排水管路、2台真空泵（一用一备），每台水泵安装1台电动闸阀及1台止回阀。水泵型号为MD280-65*9，扬程588m，流量291m³/h，电机额定电压10kV，额定功率800kW，启动方式为高压软启动，高压部分保护由高压柜继电保护装置及软启动器保护组成。

3 远程控制系统的设计

3.1 系统的硬件设计

3.1.1 PLC控制系统

PLC控制系统内置有电源、CPU模块、CP343通讯模块、I/O模块等（如图1）。

图1 PLC控制系统硬件设计结构图

（1）CPU模板315-2DP:CPU模板CPU315-2DP是高性能处理器，384K字节RAM，负载存贮器内装256K字节RAM，2个PROFIBUS-DP接口作为主站和PROFIBUS分布式总线系统连接。

（2）通讯模板CP343：将 SIMATIC S7-300 连接到工业以太网，采用 RJ45 连接，可对传输协议 TCP与 UDP实现多协议运行。

（3）模拟量输入模块：将模拟信号转换成S7-300内部处理用的数字信号，主要采集温度、电流、液位、压力、流量等模拟量信号。

（4）数字量输入/输出模块：数字量输入/输出模板主要显示水泵状态、真空泵状态、工作方式选择及电动阀、真空阀运行是否到位等。

（5）供电方式：利用电源模块提供plc系统电源，为防止系统突然断电造成系统数据的丢失以及控制失控，采用UPS供电方式，保证系统不间断运行。

3.1.2 现场控制柜及控制箱

水泵房设一集中控制柜，控制柜上可实现对主排水泵及真空泵的选择及工作方式（远程/本地）的选择。在每台水泵附近设1台就地控制箱，在真空泵附近设1台真空泵控制柜，可对真空泵、抽真空电动阀、水泵主电动阀进行手动控制，确保排水系统的可靠运行。

3.1.3 监控监测系统

监控系统采用两台远程上位计算机，实现远程控制与监视主排水泵运行状态信息。上位机监控平台选用西门子WINCC软件，功能模块化，结构线性化，注释完整齐全，并附有辅助图表说明。整个系统通过光纤与井下主排水系统联接在一起。

3.1.4 视频监控系统

辅助视频监控系统主要在中央泵房处各水泵处配置对应的摄像机及辅助控制箱等，由网络交换机及光电收发器，通过光纤传输到地表集控中心，通过视频TCP/IP网络融入原有的集中视频管理系统，从而实现在集控中心监控该区域前端的所有网络摄像机，可实现分组管理和控制，并且能够实时存储视频数据。

3.2 系统的软件设计

在该控制系统中，上位机监控系统的软件设计由Wincc组态软件实现。Wincc组态软件具有良好的开放性和灵活性。通过Wincc丰富强大的功能，可实时显示井下主水仓液位、主排水泵房温湿度、电动机电流、实时流量等。通过WINCC软件自动记录运行时间和故障历史数据等[2]。

图2 水泵运行主画面

图3 参数监控画面

图4 运行曲线查询画面

图5 报表查询画面

4 远程控制系统的主要功能

4.1 监测参数显示

电机绕组温度监控；前后端轴承温度监控；水仓液位监控；压力监测；真空度监测；各电动阀门位置检测；电机电流；水流量；水泵房温湿度；烟雾报警等。

4.2 控制功能

具有自动、半自动、手动三种控制方式，可根据水泵运行情况及运行时间进行工作泵之间的自动转换。可根据井下用电负荷和供电部门规定，依据“避峰填谷”的原则进行水泵的启停。主排水泵房照明系统可通过远程操作进行开关。

4.3 运行曲线、报表统计

通过建立数据库，对重要运行参数生成趋势曲线和数据报表，并提供各项数据的查询功能，可通过报表和设备运行曲线对设备运行状况进行自动分析，进而判断出每台水泵的完好状态。

4.4 视频监控

每台水泵均设置一台专用摄像机进行监控，可在视频监控后台时刻观测到主排水泵房内水泵、电机的运行状况。

4.5 保护功能

（1）超温保护 当电机定子、轴承，水泵轴承温度超出预编程序内设置保护值时，可实现温度超温报警，根据温度高低可自动实现水泵停止运转。

（2）液位报警 当液位超高时，集控上位机会有声光显示进行报警；当水位过低时，水泵会自动停止运行。

（3）流量报警 当水泵开启，流量计显示水泵没有上水，则自动停止水泵运行。

（4）阀门状态监护 可在集控上位机观测到各个阀门开启或关闭状态，若开到位或关到位不达标，则进行报警。

（5）过流保护 当主排水泵电机电流超过设定值时，则自动停止水泵运行。

（6）启动时间过长保护 当水泵抽真空时间过长，或真空度不达标等，超出水泵启动时间，则进行报警。

（7）低电压、漏电保护 当高压部分出现低电压或漏电时，启动相应的保护装置动作，并将故障信号送入PLC。

5 结语

井下主排水远程自动控制系统稳定性高、操作简单方便，通过PLC程序设计实现系统的正常运行和故障信号传输，并可与上位机实时数据交换，让集控操作员实时监控主排水系统的运行状态。主排水远程自动控制系统的应用，减少了设备故障率，实现了井下主排水泵房的无人值守。