论文部分内容阅读
摘要：矿山排水系统自动化控制提高了排水系统的可靠性、安全性，自动化系统的建立，简化了排水系统的操作步骤，提高了劳动效率，实现了岗位的无人值守，达到了技术减人，增加了企业的效益。本文主要对矿山排水自动化控制系统设计的相关内容进行了探讨，仅供参考。
关键词：矿山；排水；自动化控制；系统设计
中图分类号：S611文献标识码： A
一、系统需求
1、技术要求
排水自动化系统能够实现对井下水泵及相关设施的控制；充分满足现场运行、检修要求，确保整个系统运行可靠、故障率低、维护方便、修改灵活；系统具有灵活、可靠的控制功能，简单实用，易于掌握；系统具有自诊断及故障信息存储功能；能够实现水泵的自动、手动、远程的分别控制；系统结构合理，便于扩展。
2、用户要求
控制系统由地面控制台、井下控制分站组成，控制器选用西门子S7300 PLC，实现就地控制、地面远程和检修模式三种控制模式，远程控制可以分为联锁控制、集中控制和单机控制等多种控制模式，可以供操作者根据现场实际情况灵活选用，确保在系统正常运行时操作灵活、易于维护，在系统出现故障或通讯中断时本地可以就地控制确保水泵设备的正常运行，提高系统的稳定性。实现水泵的自动控制和无人职守。控制设备或传感器的选型满足煤矿安全生产的有关规定。充分满足现场运行、检修要求。保证整个系统运行可靠、故障率低、维护方便、修改灵活。系统具有灵活、可靠的控制功能，简单实用，易于掌握，人机界面友好。系统具有自诊断功能，并具有语音、图象以及报警功能。系统具有实时数据采集、处理及显示功能。
3、通信要求
接口、光接口和Profibus-DP接口并符合煤矿井下相关防爆标准。提供的接入设备应支持标准开放的通信协议，如通信协议厂家出于保密等方面原因不能够公开时则必须提供相应的通信驱动软件。通信驱动软件必须能够提供标准的OPC、DDE、NETDDE等标准接口，同时驱动接口软件支持至少2个客户端的读取访问。
二、自动化系统设计
1、硬件设计
对于某矿井的自动化排水系统的硬件设计有排水和排空的两套管路，排水管又分为l#主排水和2#副排水。由于矿山的井下情况复杂多变，应用了3台YB450一2的矿用防爆型三相异步电动机，作为三台水泵的驱动装置，三台水泵选用矿用离心泵，型号D85一67x3，对于系统设计中三台设备分工为:一台工作、一台备用、一台检修。吸水管道主要应用无底阀设计，水泵启动时利用真空泵对水泵进行真空处理，使水泵叶轮完全浸没在水中，实现正常的排水工作。
依据自动化排水系统的相关需求，应用稳定的工业控制器PLC进行自动化程序控制，PLC包括三种信号:数字量输入信号、输出信号和模拟量输入信号。数字信号主要的功能是控制水泵的选择、启动和停止、控制方式的选择，数字量输出信号为水泵的启动停止控制信号、故障报警、水位超限指示、电磁阀的控制等，模拟量输入主要是采集的是水泵出水口正压力、水泵吸水口负压力、水泵和电机轴温、水仓水位等，PLC硬件模块的连接如图所示。
2、软件设计
矿山井下的自动化排水控制系统的软件开发，主要是根据现场实际情况和系统的硬件，进行PLC控制柜软件的设计，上位机的组态软件设计将在下一节中介绍。系统的软件编写应用西门子的SIEMENS STEP7进行相应的编写，该编程软件可以在WINDOWS操作系統下运用，编辑完程序后，直接通过S7-300专用的PC/MPI电缆进行程序的下载和上位机的通信。对于控制系统的软件主程序中，进行相应的5s延时操作。在矿山排水系统的自动控制程序设计上，当选择自动控制后，系统进行相应的模拟量采集，并保存到相应的数据寄存器中，下一步进行相应运行水泵避峰就谷和轮换工作程序，进行水泵的启动控制判断，相关的程序流程为系统的主流程图如下图所示。实际的矿山井下排水系统的远程控制，在实际的现场工作环节，仍然有可能出现各种变化，因此在程序的编写过程中，应建立相应的保护预测处理。
3、人机交互界面
矿山自动化排水系统，应建立相应的上位机显示软件，本文对于某井下排水系统，应用北京亚控公司生产的组态王软件进行相应的系统远程设置和控制，排水系统作为矿山生产自动控制系统的一个子系统，相应的数据应于其他网络进行信息的共享，应用组态王驱动与PLC进行工业以太网的连接。矿山排水系统的上位机监控界面主要包括，主界面、实时报表、历史报表、趋势图、历史报警和帮助界面。为了避免错误的操作，进行了相应的不同权限设计.用户可分相应的系统管理员和操作人员，系统管理的权限最大设置为999，可自由进行用户的配置和添加，操作员的权限设置为801，根据实际的需要还设置了远程操作界面的权限为800.该页面主有操作员和系统管理员进行打开，其他人员没有权限进行进入，这样避免无关人员对参数的修改.此外系统设置了10分钟的无操作登录自动关闭的保护功能。
三、排水控制系统结构设计
1、控制系统工作过程
控制系统就地显示控制可采用西门子液晶触摸屏TP270完成，可显示水泵电机的电压，电流以及功率因数；通过指示灯显示水泵及附属设备的工作状态；水泵的开停及附属设备开停控制。能对水泵进行就地控制，它可作为水泵的操作柜。显示屏具有RS485通讯接口，通过以太网或工业总线接口与上级监控系统完成通讯，实现远距离监控；
监测需要的所有信号，经传感器检测，送入相应的信号变送器[3]变成标准的4 m A～20 m A信号或1 V～5 V信号，由变送器送入S7-300控制器配置的I/O模块，实现对原始一次信号的采集，实现对所监测信号的采集与传输，包括所需的电气参数、水泵系统工作状态、故障信号等。同时能接受上级监控系统传来的各种动作指令和保护调试指令并可靠执行，实现远方操作或自动化运行控制、接受解锁命令后能修改参数设定等；
水位检测、流量检测：超声波水位计、超声波流量计信号接入；射流系统：真空度检测、射流电磁阀控制、排气管路电磁阀控制等；抽真空系统：抽真空电机控制、排气管路电磁阀控制、真空度检测等。
2、系统功能及特点
2.1系统特点
选用先进的S7300可编程控制器，系统实时性好，可靠性高，数据处理速度快；采用分布式控制结构和人工智能技术，系统具有非常高的安全性。当地面部分出现控制故障或通讯系统中断的情况下时，井下部分随即转入自动运行状态；通讯网络速度快，距离远，可靠性高；界面直观友好，操作简便，功能齐全。人机界面全中文显示，具有实时报警监视；维护方便，运行费用低。系统扩展方便，可随时增加节点，并可通过网络由中控室在线修改程序。控制器和网络可靠性高，维护工作量小。
2.2系统功能
实现泵房及水源井无人值守自动控制运行。具有系统故障自诊断功能，包括PLC故障自诊断、传感器故障自诊断等。水泵具有遥控（地面中心控制）、自动（与水仓水位联锁）、手动（人工手动开停）等多种控制模式。水泵出水管路的流量监测显示。水泵水压、电压、电流等参数的测试与分析。泵房排水系统效率的测试与分析。实现水泵真空泵引水和射流引水的自动转化。水仓水位实时监测，实现高、低水位报警。监测系统可实时显示并保存各种参数及状态，对于模拟量参数可进行图形曲线显示，可以随时查看一段时期内的历史数据。
本控制系统要配有以太网模块，可以通过光缆将中央泵房内水泵机组的运行状态、参数及视频等信息上传到地面控制室，地面控制室通过局域网再将这些信息传至有关部门，管理人员在地面即可掌握井下排水系统设备的所有检测数据及工作状态。地面控制中心计算机的图表功能丰富，界面友好操作简单。不管手动或自动开机时，在上位机上都要有数据检测并显示。主排水系统主机能上传供电数据，通讯协议开放。矿井水温、水质情况发生突变时，能及时检测反馈。
结束语
综上所述，矿山将继续把自动化建设作为依靠科技进步发展煤炭事业的重要内容，积极引进先进的装备和技术，不断完善现代化的生产经营管理手段，提高整个矿井现代化管理水平，创造良好的安全和经济效益。
参考文献
[1]董子良.矿山排水系统自动化监控技术研究[D].中南大学，2011.
[2]张宇.矿山排水自动化控制系统设计[J].电子制作，2014，03:228-229.
[3]段本强.矿山排水系统自动化研究与应用[J].能源与节能，2013，11:34-35+48.
关键词：矿山；排水；自动化控制；系统设计
中图分类号：S611文献标识码： A
一、系统需求
1、技术要求
排水自动化系统能够实现对井下水泵及相关设施的控制；充分满足现场运行、检修要求，确保整个系统运行可靠、故障率低、维护方便、修改灵活；系统具有灵活、可靠的控制功能，简单实用，易于掌握；系统具有自诊断及故障信息存储功能；能够实现水泵的自动、手动、远程的分别控制；系统结构合理，便于扩展。
2、用户要求
控制系统由地面控制台、井下控制分站组成，控制器选用西门子S7300 PLC，实现就地控制、地面远程和检修模式三种控制模式，远程控制可以分为联锁控制、集中控制和单机控制等多种控制模式，可以供操作者根据现场实际情况灵活选用，确保在系统正常运行时操作灵活、易于维护，在系统出现故障或通讯中断时本地可以就地控制确保水泵设备的正常运行，提高系统的稳定性。实现水泵的自动控制和无人职守。控制设备或传感器的选型满足煤矿安全生产的有关规定。充分满足现场运行、检修要求。保证整个系统运行可靠、故障率低、维护方便、修改灵活。系统具有灵活、可靠的控制功能，简单实用，易于掌握，人机界面友好。系统具有自诊断功能，并具有语音、图象以及报警功能。系统具有实时数据采集、处理及显示功能。
3、通信要求
接口、光接口和Profibus-DP接口并符合煤矿井下相关防爆标准。提供的接入设备应支持标准开放的通信协议，如通信协议厂家出于保密等方面原因不能够公开时则必须提供相应的通信驱动软件。通信驱动软件必须能够提供标准的OPC、DDE、NETDDE等标准接口，同时驱动接口软件支持至少2个客户端的读取访问。
二、自动化系统设计
1、硬件设计
对于某矿井的自动化排水系统的硬件设计有排水和排空的两套管路，排水管又分为l#主排水和2#副排水。由于矿山的井下情况复杂多变，应用了3台YB450一2的矿用防爆型三相异步电动机，作为三台水泵的驱动装置，三台水泵选用矿用离心泵，型号D85一67x3，对于系统设计中三台设备分工为:一台工作、一台备用、一台检修。吸水管道主要应用无底阀设计，水泵启动时利用真空泵对水泵进行真空处理，使水泵叶轮完全浸没在水中，实现正常的排水工作。
依据自动化排水系统的相关需求，应用稳定的工业控制器PLC进行自动化程序控制，PLC包括三种信号:数字量输入信号、输出信号和模拟量输入信号。数字信号主要的功能是控制水泵的选择、启动和停止、控制方式的选择，数字量输出信号为水泵的启动停止控制信号、故障报警、水位超限指示、电磁阀的控制等，模拟量输入主要是采集的是水泵出水口正压力、水泵吸水口负压力、水泵和电机轴温、水仓水位等，PLC硬件模块的连接如图所示。
2、软件设计
矿山井下的自动化排水控制系统的软件开发，主要是根据现场实际情况和系统的硬件，进行PLC控制柜软件的设计，上位机的组态软件设计将在下一节中介绍。系统的软件编写应用西门子的SIEMENS STEP7进行相应的编写，该编程软件可以在WINDOWS操作系統下运用，编辑完程序后，直接通过S7-300专用的PC/MPI电缆进行程序的下载和上位机的通信。对于控制系统的软件主程序中，进行相应的5s延时操作。在矿山排水系统的自动控制程序设计上，当选择自动控制后，系统进行相应的模拟量采集，并保存到相应的数据寄存器中，下一步进行相应运行水泵避峰就谷和轮换工作程序，进行水泵的启动控制判断，相关的程序流程为系统的主流程图如下图所示。实际的矿山井下排水系统的远程控制，在实际的现场工作环节，仍然有可能出现各种变化，因此在程序的编写过程中，应建立相应的保护预测处理。
3、人机交互界面
矿山自动化排水系统，应建立相应的上位机显示软件，本文对于某井下排水系统，应用北京亚控公司生产的组态王软件进行相应的系统远程设置和控制，排水系统作为矿山生产自动控制系统的一个子系统，相应的数据应于其他网络进行信息的共享，应用组态王驱动与PLC进行工业以太网的连接。矿山排水系统的上位机监控界面主要包括，主界面、实时报表、历史报表、趋势图、历史报警和帮助界面。为了避免错误的操作，进行了相应的不同权限设计.用户可分相应的系统管理员和操作人员，系统管理的权限最大设置为999，可自由进行用户的配置和添加，操作员的权限设置为801，根据实际的需要还设置了远程操作界面的权限为800.该页面主有操作员和系统管理员进行打开，其他人员没有权限进行进入，这样避免无关人员对参数的修改.此外系统设置了10分钟的无操作登录自动关闭的保护功能。
三、排水控制系统结构设计
1、控制系统工作过程
控制系统就地显示控制可采用西门子液晶触摸屏TP270完成，可显示水泵电机的电压，电流以及功率因数；通过指示灯显示水泵及附属设备的工作状态；水泵的开停及附属设备开停控制。能对水泵进行就地控制，它可作为水泵的操作柜。显示屏具有RS485通讯接口，通过以太网或工业总线接口与上级监控系统完成通讯，实现远距离监控；
监测需要的所有信号，经传感器检测，送入相应的信号变送器[3]变成标准的4 m A～20 m A信号或1 V～5 V信号，由变送器送入S7-300控制器配置的I/O模块，实现对原始一次信号的采集，实现对所监测信号的采集与传输，包括所需的电气参数、水泵系统工作状态、故障信号等。同时能接受上级监控系统传来的各种动作指令和保护调试指令并可靠执行，实现远方操作或自动化运行控制、接受解锁命令后能修改参数设定等；
水位检测、流量检测：超声波水位计、超声波流量计信号接入；射流系统：真空度检测、射流电磁阀控制、排气管路电磁阀控制等；抽真空系统：抽真空电机控制、排气管路电磁阀控制、真空度检测等。
2、系统功能及特点
2.1系统特点
选用先进的S7300可编程控制器，系统实时性好，可靠性高，数据处理速度快；采用分布式控制结构和人工智能技术，系统具有非常高的安全性。当地面部分出现控制故障或通讯系统中断的情况下时，井下部分随即转入自动运行状态；通讯网络速度快，距离远，可靠性高；界面直观友好，操作简便，功能齐全。人机界面全中文显示，具有实时报警监视；维护方便，运行费用低。系统扩展方便，可随时增加节点，并可通过网络由中控室在线修改程序。控制器和网络可靠性高，维护工作量小。
2.2系统功能
实现泵房及水源井无人值守自动控制运行。具有系统故障自诊断功能，包括PLC故障自诊断、传感器故障自诊断等。水泵具有遥控（地面中心控制）、自动（与水仓水位联锁）、手动（人工手动开停）等多种控制模式。水泵出水管路的流量监测显示。水泵水压、电压、电流等参数的测试与分析。泵房排水系统效率的测试与分析。实现水泵真空泵引水和射流引水的自动转化。水仓水位实时监测，实现高、低水位报警。监测系统可实时显示并保存各种参数及状态，对于模拟量参数可进行图形曲线显示，可以随时查看一段时期内的历史数据。
本控制系统要配有以太网模块，可以通过光缆将中央泵房内水泵机组的运行状态、参数及视频等信息上传到地面控制室，地面控制室通过局域网再将这些信息传至有关部门，管理人员在地面即可掌握井下排水系统设备的所有检测数据及工作状态。地面控制中心计算机的图表功能丰富，界面友好操作简单。不管手动或自动开机时，在上位机上都要有数据检测并显示。主排水系统主机能上传供电数据，通讯协议开放。矿井水温、水质情况发生突变时，能及时检测反馈。
结束语
综上所述，矿山将继续把自动化建设作为依靠科技进步发展煤炭事业的重要内容，积极引进先进的装备和技术，不断完善现代化的生产经营管理手段，提高整个矿井现代化管理水平，创造良好的安全和经济效益。
参考文献
[1]董子良.矿山排水系统自动化监控技术研究[D].中南大学，2011.
[2]张宇.矿山排水自动化控制系统设计[J].电子制作，2014，03:228-229.
[3]段本强.矿山排水系统自动化研究与应用[J].能源与节能，2013，11:34-35+48.