基于S7—300PLC的矿井多水平排水自动化联合控制系统的研究与应用

胡云涛+王平利+袁胜凯

摘 要：针对平煤股份六矿现有四个主要井下泵房水泵设备排水时各自手动独立运行，导致水泵运行时不能实现设备的远程自动化监控，同时不能根据水仓容量及电价政策等信息合理调度，做到节能减排的现状。本文研究出一种基于西门子S7-300PLC的矿井多水平排水自动化联合控制系统。系统投入运行后，实现了该矿井下不同水平排水设备的联合自动化运行，使该矿的生产自动化水平提升了一个台阶。

关鍵词：S7-300PLC；联合控制；组态软件

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.079

0 引言

水泵作为矿井生产的关键设备之一，其运行情况决定着矿井是否能安全生产。水泵还是煤矿企业生产的耗电大户，能否合理调度水泵设备根据电价政策避峰填谷运行很大程度上决定煤矿企业的节能减排水平。因此，对水泵设备运行工况的及时全面的掌握，并能将不同水平面上个泵房设备联网运行，根据各泵房的水仓容量、涌水情况及电价政策，合理的调度水泵设备运行，对提升企业节能减排水平，提高企业自动化信息化水平都有重要意义。

1 现状分析

平煤股份六矿井下排水系统主要包含四个井下水泵房，分别是二水平中央泵房、戊二采区泵房、丁二采区泵房和三水平中央水泵房。各水泵房基本情况描述如下：

二水平中央泵房：海拔-440米，三台多级耐磨泵，水泵额定流量360M3/h，水仓容量5200M3。

戊二采区泵房：海拔-590米，三台多级耐磨泵，水泵额定流量130M3/h，水仓容量2800M3。

丁二采区泵房：海拔-620米，两台多级耐磨泵，水泵额定流量150M3/h，水仓容量3000M3。

三水平中央泵房：海拔-680米，三台多级耐磨泵，水泵额定流量280M3/h，水仓容量4000M3。

各泵房水泵操作全由人工手动实现：观察泵房内水仓水位，达到启动水泵水位后手动开启真空阀、射流阀，观察真空表判断真空度达到后启动水泵电机，观察压力表判断压力达到后手动打开出水闸阀。停止水泵时由人工先手动关闭出水闸阀，然后手动停止水泵电机。综上，水泵的启动、停止操作全部为手动操作，工作效率低；水泵运行工况人工巡查，可靠度低，不能及时发现水泵运行中的异常情况；各排水泵房独立运行，是否启动水泵仅根据本地水仓水量判断，不能合理利用相关联的泵房水仓容量，合理调度水泵运行。随着该矿自动化信息化水平的不断提升，现有的设备运行管理水平已不符合企业管理要求，因此急需进行排水工艺的升级改造，已提高企业节能减排水平，为安全生产提供保障。该矿现有排水生产工艺示意图如图1。

2 矿井多水平排水自动化联合控制系统的研究

针对该矿现有排水系统存在的各种问题，对排水工艺进行升级改造，升级后的系统应具备如下功能：

（1）系统操纵电气化，即各种阀门根据需要自动开关，水泵电机根据需求自动启动或停止；

（2）各项参数自动采集，系统主要采集参数包括：水仓水位、水泵真空度、水泵正压、水泵实时流量、电机电流、电机电压等，所有数据可自动生成历史数据曲线并能根据操作权限查询或打印；

（3）根据水泵的主用、备用、检修不同状态，系统应具有对应的操作模式并可根据操作权限切换；

（4）不同水平面的排水泵房的水泵设备亦可组网运行，系统可根据本地水仓水位，相关联水泵房水仓水位，本地涌水量，电价政策等信息自动合理调度水泵运行，实现最大限度的节能减排；

（5）系统要能够接入该矿现有综合自动化平台，并且系统操作要简单，运行维护要方便，可靠性要高，测量显示数据要准确。改造后的水泵自动运行流程图如图2。

3 矿井多水平排水自动化联合控制系统的组成

系统以四套SIMATIC S7-300PLC配套远程I/O模块为下位机控制核心[2]，内装水泵自动控制下位机程序，四套PLC通过平煤股份六矿现有的井下工业以太网组网运行。上位机已研华工控机为监控核心，利用IFIX SCADA开发版软件开发了相应的上位机软件，友好的人机交互界面，直观的显示系统运行状态。系统图如下图3所示。

系统实现的主要功能如下：

（1）实时监测排水系统相关的所有设备运行参数：通信状态、水仓水位、各设备开停状态、水泵正压、水泵真空度、电机电流、电机电压等。

（2）通过预设不同的时间段的危险水位，高水位，低水位等参数，水泵可自动启停，实现水泵设备的合理运行。

（3）利用矿井以太环网[3] ，不同泵房内控制核心可交换数据，使不同水平排水泵房组网运行，最大限度利用水仓容量避峰填谷运行水泵，提升节能减排水平。

（4）系统可接入该矿现有综合自动化平台。

（5）系统具备自诊断功能，能够自动判断设备异常状态，发生故障时停泵并报警。

4 上位机监控画面设计

系统上位机设置工程师站和操作员站。监控画面可直观显示设备运行参数及报警信息，同时可以动画方式模拟设备运行状态，共操作人员及时了解系统运行工况，以二水平中央泵房为例，系统主画面如下图4所示。

5 结语

针对平煤股份六矿井下排水系统，设计研究了矿井多水平排水自动化联合控制系统：

（1）通过安装各类传感器及电动阀门等设备，将原有的手动操作工艺升级为电气化自动化控制过程，提升了设备利用率与运行可靠性。

（2）开发了友好的人机交互界面，将所有设备信息直观的显示到计算机屏幕上，系统上位机软件操作简单，并能根据不用用户提供相应的操作权限。

（3）利用矿井工业以太网，实现井下不同水平面的排水设备联合自动化运行。

该系统投运以来，参数采集准确，系统运行可靠，提升了矿井技能减排水平，同时使企业自动化信息化水平更上一个台阶，符合该矿自动化信息化发展方向。

参考文献：

[1]王卫东，田金云，张成联.基于S7-300的煤矿水泵控制系统[J]. 矿山机械，2010（21）：35-37.

[2]孙鹏.S7-300PLC在水泵监控系统中的应用[J].工业技术，2008（08）：107-108.

[3]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，2006.

基金项目：2017年江苏省科技成果转化资金项目《智慧矿山生产与安全系统关键技术研发及产业化》

作者简介：胡云涛，男，江苏徐州人，从事矿井综合自动化、信息化的研究与应用工作。endprint