矿井中央泵房自动监控系统设计

矿井中央泵房自动监控系统设计

于向东，高明亮秦宏，

（兖矿集团邹城金明机电有限公司，山东邹城２７３５００）

设计了一套基于西门子Ｓ７－３００的泵房自动化监摘要针对煤矿矿井中央泵房的自动化控制要求，

控系统，实现了对矿井中央泵房的无人值守，在矿井生产中取得了良好的使用效果。关键词ＰＬＣ；中央泵房；监控中图分类号：ＴＤ４４２．５文献标志码：Ｂ文章编号：１００９－０７９７（２０１５）０４－００９５－０３

DOI:10.13606/j.cnki.37-1205/td.2015.04.041

矿井中央泵房是煤矿的重要场所，直接影响到煤矿的安全生产。目前国内煤矿中央泵房自动化水平还不是很高，对煤矿生产的安全性和高效性都有较大的影响。因而，设计一套安全可靠，自动化程度较高的矿井中央泵房自动化监控系统是当前迫切需要解决的问题。

传统的泵房手动控制存在较多的问题：①水泵启停的水位点及控制流程不规范；②无法均衡使用每一台水泵；③不能及时处理各种预警；④工作人员多，生产效率低下；⑤调度中心不能及时了解泵房当前工况；⑥设备维护时没有历史数据以供参考。

本设计采用ＰＬＣ实现矿井中央泵房的自动监控，具有多种控制方式，及时而精确的数据远程传送，是一套功能齐全，性能先进的泵房自动化监控系统。

系统同时设计有工业以太网，ＭＯＤＢＵＳ等通信接口，

可以和各种智能设备及矿用自动化监控平台无缝连接，实现数据实时交换，在地面控制中心即可完成对中央泵房水泵的启停控制。

２系统控制功能

１系统概述

某煤矿中央泵房现有型号为Ｄ５００Ａ－５７×１０排水泵３台，流量为４９８ｍ３／ｈ，扬程为４５６ｍ，配用电机型号为ＴＳ１５１２－４，工作电压６ｋＶ，功率为１０５０ｋＷ。水泵启动采用软启动控制方式，水泵灌引水采用射流抽真空，排水管路有２路Φ２５０ｍｍ×１１．５ｍｍ。

矿井中央泵房自动化监控系统应具有如下的特点和功能：系统要满足水泵起停、故障诊断和数据处理及上传完全自动化；无需人工干预；能根据水泵工作时间及电价避峰填谷的原则自动实现水泵起停。实现泵房的节能和高效运行，并能长时间连续稳定工作。

本设计针对该矿中央泵房设备情况，在遵守煤矿安全规程的前提下，结合矿井泵房自动化监控功能要求进行了细致有效的设计。控制系统采用ＺＪＳ（Ａ）型矿用隔爆兼本质安全型水泵自动化电控装置，由西门子Ｓ７－３００ＰＬＣ进行控制。系统通过液晶组态显示，以图形、图像、数据、文字等方式，反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度、轴温、排水管流量、水泵出口压力、真空度等参数。监控

）系统具有手动、集控、远控三种控制方式，在（１

集控和远控方式还内嵌有集控手动／自动和远控手动／动方式。也可分为就地手动操作、集控、远控、自动四种运行方式，手动优先。在集控和远控方式下，只要水位满足条件，水泵都会预警并自动运行。三种工作模式间具有闭锁功能，防止意外操作。

（２）泵房的设备工作情况可以通过工业以太网上传到调度室的上位机中，实现系统的远程监控。包括现场设备运行状态、故障状态、传感器信号等信息。当系统发生故障时，上位机可及时报警并准确的定位故障点，并提示故障解决方法。

（３）归档、记录系统的运行、操作、报警信息。包括每台水泵的运行电耗、工作时间，水池水位，电机温度等数据。主要数据保存至少一个月，并对数据进行综合处理，实现报表统计、显示和打印输出。

（４）水泵按照累计运行时间循环启动。根据对水泵的运行时间统计，每次运行启动时都首先启动运行时间最小的水泵。实现水泵的均匀磨损。水泵自动运行时，会自动根据电价避峰填谷原理运行。

３系统硬件设计

矿井泵房自动化监控系统由地面上位机、ＫＴＪ１－６６０矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱（主体为西门子Ｓ７－３００ＰＬＣ）、ＫＴＢ－２２０矿用隔爆型可编程操作箱、信号采集装置及传感器等组成。水泵监控系统结构框图如图１所示。３．１ＩＰＣ６１０地面上位机

地面控制室设置一台工控机，通过安装和组态好的西门子ＷｉｎＣＣ组态软件监控井下中央泵房及

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其它需要监控的水泵。能实时显示排水系统的运行状况、参数、故障、报警、远程操作和控制参数设定。

图１泵房自动化监控系统结构框图

３．２ＫＴＪ１－６６０可编程控制箱

ＫＴＪ１－６６０矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱，其主要功能是负责整个系统的数据采集、设备控制、信息传输及远程数据通讯。控制箱的核心ＰＬＣ采用西门子公司的Ｓ７－３００系列可编程控制器，控制电路设有过压、短路等自动保护功能，本安电路与非本安电路使用安全栅和光电隔离电路，可安全可靠地保证主排水系统的正常运行。足够的备用点和通讯接口模块，便于系统扩展。

（１）ＰＬＣ配置。ＰＬＣ选用西门子公司Ｓ７－３００系列。它采用模块化结构设计，节省空间，具有较好的牢固性和良好的电磁兼容性。Ｓ７－３００系列ＰＬＣ具有多种通信接口，与上位机连接方便，通信高效。

本设计采用ＣＰＵ３１４为主控制器；扩展模块包括２块数字量输入模块（ＤＩ）ＳＭ３２１，共６４个输入点；２块数字量输出模块（ＤＯ）ＳＭ３２２，共６４个输出点；３块（８点／块）模拟量输入模块（ＡＩ）ＳＭ３３１，共２４个输入点；通信模块选用１块ＣＰ３４１。

（２）检测对象。模拟量检测包括水仓水位、电机电流／温度、排水管流量、水泵吸水管真空度及水泵出水口压力；数字量检测包括水泵磁力启动器状态／故障、电动阀工作状态与启闭位置、射流阀工作状态。３．３触摸屏

触摸屏采用了西门子的ＯＰ２７０触摸屏，物理接口为ＲＳ４８５与ＰＬＣ连接，采用ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ通信协议。３．４电网监控

电网监控采用山东力创科技的电量监控器，可检测三相四线制的相电压，线电压，相电流，零线电·96·

流，有功无功功率，功率因数，频率及相应的最大值。

电量监控器通过ＲＳ４８５物理接口采用ＭＯＤＢＵＳ协议与ＰＬＣ连接，传送电网监控数据。３．５ＫＴＢ－２２０可编程操作箱

矿用隔爆型可编程操作箱，用于就地控制水泵，并可就地监视电动机电流、电机及水泵的温度、出水管的流量压力等参数。设备配置清单如表１所示。

表１

控制系统设备配置清单

序号名称

型号数量单位１矿用隔爆兼本质安全型可编程控制箱

ＫＴＪ１－６６０１台２矿用隔爆型可编程操作箱ＫＴＢ－２２０１台３矿用本安型超声波水位传感器

ＺＵＣ６２台４矿用本安型负压传感器ＧＹＤ６０－Ｙ２０～－０．１ＭＰａ３台５矿用本安型压力传感器ＧＹＤ６０－Ｙ２１０ＭＰａ

３台６隔爆兼本安型超声波流量计

ＧＬＣ１２Ｇ２台７矿用隔爆型球阀

ＱＭＢ６台８矿用隔爆阀门电动装置控制箱

ＫＸＢ３台９

矿用电动闸阀

ＭＫＺＤＮ２５０

３

台

４

控制方式及软件设计

４．１

单台水泵自动启动的过程为

启动射流系统、检测真空度、启泵、检测水泵出水口压力、打开水泵出水口电动阀。如图２所示，共分为以下８个步骤。

图２水泵自动启动过程工作示意图

（１）ＰＬＣ模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，将水位变化信号计算出单位时间内不同段水位上升速率，判断涌水量。

（２）ＰＬＣ综合水泵相关设备信息，确定无故障，具备启动条件，启动灌引水系统水泵。

（３）灌引水信号并反馈给ＰＬＣ。（４）主泵电机起动，停止灌引水水泵。（５）返回电机启动信号给ＰＬＣ。（６）检测水泵出水压力。（７）出水压力到达设定，启动电动碟阀。（８）打开主水管阀门，向主水管排水。４．２停泵过程

停机过程则为先关水泵出口电动阀，后通过启动柜停止水泵。

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）液位信息返回低水位或接受到停泵指令信（１号；

（２）关闭电动碟阀；（３）控制器综合相关条件，关闭水泵。４．３检测与保护

ＰＬＣ检测系统电压、电机电流、水泵轴温及振动、电机轴温和定子温度、排水管流量等参数，若超限报警。ＰＬＣ采集各种开关量信号作为逻辑处理的条件和依据，控制排水泵的启停。

在水泵的控制过程中，为了防止备用泵、电气设备、管路长期不用而损坏，系统采用水泵自动轮换工作，将水泵启／停次数、运行时间、管路使用次数及流量等自动记录并累计，系统根据运行参数按一定顺序自动启停水泵和相应管路，使各水泵及其管路的使用率分布均匀。当某台泵或所属阀门故障、某趟管路漏水时，将故障泵或管路自动退出轮换工作，其余各泵和管路继续按一定顺序自动轮换工作。４．４ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ分配

ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ分配如表２所示。

表２

输入变量Ｉ０．０－０．７Ｉ１．０－１．３Ｉ１．４－１．５Ｉ１．６－１．７Ｉ２．０－２．１Ｉ２．２－２．３Ｉ２．４－２．５Ｉ２．６－２．７

输入装置Ｆ１－Ｆ８Ｆ９－Ｆ１２１＃电机运行／故障２＃电机运行／故障３＃电机运行／故障１＃闸阀开／关到位２＃闸阀开／关到位３＃闸阀开／关到位

ＰＬＣ的Ｉ／Ｏ分配表

输出变量

输出装置

模入采样对象

１＃电流２＃电流３＃电流１＃压力２＃压力

Ｑ０．０－０．１１＃电机启动／停止ＡＩＷ０Ｑ０．２－０．３２＃电机启动／停止ＡＩＷ２Ｑ０．４－０．５３＃电机启动／停止ＡＩＷ４Ｑ０．６－０．７Ｑ１．０－１．１Ｑ１．２－１．３

１＃闸阀开／关２＃闸阀开／关３＃闸阀开／关

ＡＩＷ６ＡＩＷ８

图３程序主流程图

ＡＩＷ１０３＃压力

系统采用西门子Ｓ７－３００ＰＬＣ实现了对矿井中央泵房的自动化监控，整个监控过程由ＰＬＣ控制，不需要人工干预。通过工业以太网通信，将设备数据传输琶调度室的上位机，实现了设备的远程监控。整个系统高效、可靠，非常适合煤矿排水泵房使用。

参考文献：

［１］廖常初．Ｓ７－３００／４００ＰＬＣ应用技术［Ｍ］．北京：机械工业出版

社，２０１１（１）：１３－２４．

［２］西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团．深入浅出西

门子Ｓ７－３００ＰＬＣ［Ｍ］，北京：北京航空航天大学出版社，２００４（８）：１０７－１０８．

［３］薛迎成．工业组态技术基础及应用［Ｍ］．中国电力出版社，

２０１１（２）：１７１－１７２．作者简介：

秦宏（１９６９－），男，工程师，从事煤矿机电设备研制工作。

Ｑ１．４－１．５１＃低压球阀开／关ＡＩＷ１２１＃负力Ｑ１．６－１．７１＃高压球阀开／关ＡＩＷ１４２＃负力

Ｉ３．０－３．１１＃低压球阀开／关到位Ｑ２．０－２．１２＃低压球阀开／关ＡＩＷ１６３＃负力Ｉ３．２－３．３１＃高压球阀开／关到位Ｑ２．２－２．３２＃高压球阀开／关ＡＩＷ１８１＃水位Ｉ３．４－３．５２＃低压球阀开／关到位Ｑ２．４－２．５３＃低压球阀开／关ＡＩＷ２０２＃水位Ｉ３．６－３．７２＃高压球阀开／关到位Ｑ２．６－２．７３＃高压球阀开／关ＡＩＷ２２１＃流量Ｉ４．０－４．１３＃低压球阀开／关到位Ｉ４．２－４．３３＃高压球阀开／关到位

ＡＩＷ２４２＃流量

４．５

主要监控程序

ＰＬＣ软件采用西门子公司的ＳＴＥＰ７编写，采用梯形图方式。程序采用模块化结构设计，便于维护，易于修改。本系统程序由主程序块、控制程序块、信号检测程序块组成，控制程序分为手动控制和自动控制两种方式。系统程序主流程图如图３。

５总结

（收稿日期：２０１５－７－８）

）（上接第９４页

［１］全球定位系统城市测量技术规程．北京测绘设计研究院

主编．１９９７．４．２５，中国建筑工业出版社．

［２］煤矿测量规程．１９８９．５，中华人民共和国能源部制定．煤炭

工业出版社出版．

作者简介：

李玫斯（１９６７－），男，２００７年毕业于太原理工大学，采煤高级工程师。

（收稿日期：２０１５－６－３）

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