基于西門子s7—300主排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

楊春花

摘 要：目前， 國內(nèi)各礦井的排水系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的繼電器控制方式， 對水泵的開停以及選擇切換均由人工完成，不僅效率低、水泵工人勞動強(qiáng)度大， 而且很容易出現(xiàn)誤操作， 影響水泵房的正常工作， 甚至引發(fā)危險(xiǎn)事故， 無法適應(yīng)現(xiàn)代化礦井安全生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：礦井；主排水； PLC； 綜合自動化

一、系統(tǒng)適用環(huán)境概述

1、安裝地點(diǎn)：井下水泵房

井下排水控制系統(tǒng)組成示意圖

該系統(tǒng)采用由礦用自動排水裝置，該裝置礦用隔爆兼本質(zhì)安全型全自動排水控制器采用全電子、數(shù)字化系統(tǒng)集成、多功能一體化設(shè)計(jì)的綜合性數(shù)據(jù)處理設(shè)備。該控制裝置集自動控制、通訊傳輸、遠(yuǎn)程指令的執(zhí)行、程序刷新，運(yùn)行歷史記錄為一體。各部分既可獨(dú)立運(yùn)行，也可綜合執(zhí)行指令。具有非常強(qiáng)的適用性和可靠性。相關(guān)輸入、輸出各類接口為標(biāo)準(zhǔn)，可方便進(jìn)入其它各類綜合自動化控制平臺集中管理。

2.2總體功能設(shè)計(jì)

1）液位監(jiān)測

通過液位計(jì)，直接監(jiān)測液位位置；通過PLC的數(shù)據(jù)處理，計(jì)算液位變化率，初步判斷涌水量是否正常。如液位或液位變化率超限，系統(tǒng)發(fā)出啟泵指令。

2）初始狀態(tài)判斷

接到啟泵指令后，系統(tǒng)開始自檢，確定設(shè)備是否有檢修、未復(fù)位等不符合啟動的初始條件。

3）方案選擇

系統(tǒng)自檢完成后，依據(jù)“均勻磨損”、“移峰填谷”、“效率優(yōu)先”等原則，確定啟泵臺數(shù)及主排水管趟數(shù)，并最終確定啟泵機(jī)組及排水管。其中，泵組的循環(huán)運(yùn)行邏輯過程分為單泵循環(huán)與多泵循環(huán)。

4）水泵啟動

系統(tǒng)自動完成水泵啟動前后的一系列動作，如真空引水、關(guān)閥啟動、出口閥控制等動作，實(shí)現(xiàn)水泵的正常運(yùn)行。

5）運(yùn)行監(jiān)測

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測液位信息、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息（包括電流、電壓、溫度、流量、壓力等），確保系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)不超限，保證安全運(yùn)行。

6）水泵停止

當(dāng)液位將至停機(jī)液位或單臺泵組出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)對該泵組發(fā)出停泵指令。則水泵按關(guān)閥、停泵的順序完成整套停機(jī)動作。

7）故障判斷

系統(tǒng)擬設(shè)置有三個(gè)故障檢測點(diǎn)，即吸水負(fù)壓檢測、排水正壓檢測、電機(jī)工作電流檢測。若在整個(gè)過程中出現(xiàn)有設(shè)備故障或異常信息，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警并自動進(jìn)行停泵等處理，最大限度的保證設(shè)備安全及排水要求。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)可手動設(shè)置系統(tǒng)全自動與半自動運(yùn)行。當(dāng)在全自動運(yùn)行模式下可實(shí)現(xiàn)井下泵房無人值守，在半自動運(yùn)行模式下手動控制水泵的啟泵操作。全自動運(yùn)行下系統(tǒng)通過水倉水位的高、低，并考慮水泵的“均勻磨損”原則，控制水泵的啟、停數(shù)量，保證水泵均衡使用。

2）單臺水泵實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，當(dāng)水泵未上水或未按正常功率運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)通過檢測本水泵的電流、流量、出水口壓力，如低于正常設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行反饋并實(shí)現(xiàn)水泵的自動停機(jī)，并啟動其他水泵。

3）控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入礦井工業(yè)以太干網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)水泵監(jiān)控子系統(tǒng)與全礦井的監(jiān)控系統(tǒng)信息共享，滿足全礦井自動化控制的要求。

4）集中控制器采用西門子公司S7-300系列工業(yè)級PLC及先進(jìn)的過程控制軟件，綜合考慮礦井各種安全信息，實(shí)現(xiàn)井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略。

2.4 性能特點(diǎn)

1）智能化（Intelligent）：

四種操作模式遵照“井下優(yōu)先”的原則可以進(jìn)行自由切換。特殊條件時(shí)也可以進(jìn)行自動切換。系統(tǒng)在判斷監(jiān)測終端或中間環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時(shí)，能迅速做出判斷并處理。并通過設(shè)計(jì)“井下優(yōu)先”、“均勻磨損”、“移峰填谷”、“效率優(yōu)先”等算法，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動判斷并選擇。

2） 高可靠性（Secure）

依照“安全第一、效率優(yōu)先”的原則，運(yùn)行模式的自動切換、機(jī)組自動切換及起停、冗余設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的故障報(bào)警等功能，最大限度的保障系統(tǒng)整體運(yùn)行。在系統(tǒng)達(dá)到最大涌水量或發(fā)生透水等緊急情況時(shí)，系統(tǒng)做出判斷且聲光報(bào)警，投入所有可運(yùn)行泵組進(jìn)行排水，保證井下排水要求。

實(shí)時(shí)監(jiān)測每臺泵組的運(yùn)行電流、電壓、壓力、流量等數(shù)據(jù)，與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的安全隱患。

3） 最優(yōu)化（Optimum）

在保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的前提下，嵌入多套數(shù)學(xué)算法，保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

四、結(jié)束語

該系統(tǒng)可自動監(jiān)測井下的水倉水位， 并根據(jù)涌水量的大小自動控制每臺水泵的運(yùn)行， 達(dá)到優(yōu)化配置和自動排水的目的， 實(shí)現(xiàn)無人值守， 從而降低操作工人的勞動強(qiáng)度， 提高排水系統(tǒng)的安全性、可靠性、用電效率、經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)代化管理水平， 為全礦井進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控及統(tǒng)一指揮奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn) ：

[1]國家機(jī)械工業(yè)局編，《中國機(jī)電產(chǎn)品目錄》，2000

[2]孟凡英，《流體力學(xué)與流體機(jī)械》，煤炭工業(yè)出版社，2006

[3]李新梅，《礦山流體機(jī)械》，航空工業(yè)出版社，2010

[4]張景松，陳更林，《流體力學(xué)與流體機(jī)械》中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010

[5]周廼榮，嚴(yán)萬生，《礦山固定機(jī)械手冊》，煤炭工業(yè)出版社，1986

[6] 煤礦設(shè)計(jì)研究院主編，《煤礦井下排水設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，1985

[7] 煤礦設(shè)計(jì)研究院主編，《煤礦井下中央泵房系列及基本參數(shù)》，1985endprint

摘 要：目前， 國內(nèi)各礦井的排水系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的繼電器控制方式， 對水泵的開停以及選擇切換均由人工完成，不僅效率低、水泵工人勞動強(qiáng)度大， 而且很容易出現(xiàn)誤操作， 影響水泵房的正常工作， 甚至引發(fā)危險(xiǎn)事故， 無法適應(yīng)現(xiàn)代化礦井安全生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：礦井；主排水； PLC； 綜合自動化

一、系統(tǒng)適用環(huán)境概述

1、安裝地點(diǎn)：井下水泵房

井下排水控制系統(tǒng)組成示意圖

該系統(tǒng)采用由礦用自動排水裝置，該裝置礦用隔爆兼本質(zhì)安全型全自動排水控制器采用全電子、數(shù)字化系統(tǒng)集成、多功能一體化設(shè)計(jì)的綜合性數(shù)據(jù)處理設(shè)備。該控制裝置集自動控制、通訊傳輸、遠(yuǎn)程指令的執(zhí)行、程序刷新，運(yùn)行歷史記錄為一體。各部分既可獨(dú)立運(yùn)行，也可綜合執(zhí)行指令。具有非常強(qiáng)的適用性和可靠性。相關(guān)輸入、輸出各類接口為標(biāo)準(zhǔn)，可方便進(jìn)入其它各類綜合自動化控制平臺集中管理。

2.2總體功能設(shè)計(jì)

1）液位監(jiān)測

通過液位計(jì)，直接監(jiān)測液位位置；通過PLC的數(shù)據(jù)處理，計(jì)算液位變化率，初步判斷涌水量是否正常。如液位或液位變化率超限，系統(tǒng)發(fā)出啟泵指令。

2）初始狀態(tài)判斷

接到啟泵指令后，系統(tǒng)開始自檢，確定設(shè)備是否有檢修、未復(fù)位等不符合啟動的初始條件。

3）方案選擇

系統(tǒng)自檢完成后，依據(jù)“均勻磨損”、“移峰填谷”、“效率優(yōu)先”等原則，確定啟泵臺數(shù)及主排水管趟數(shù)，并最終確定啟泵機(jī)組及排水管。其中，泵組的循環(huán)運(yùn)行邏輯過程分為單泵循環(huán)與多泵循環(huán)。

4）水泵啟動

系統(tǒng)自動完成水泵啟動前后的一系列動作，如真空引水、關(guān)閥啟動、出口閥控制等動作，實(shí)現(xiàn)水泵的正常運(yùn)行。

5）運(yùn)行監(jiān)測

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測液位信息、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息（包括電流、電壓、溫度、流量、壓力等），確保系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)不超限，保證安全運(yùn)行。

6）水泵停止

當(dāng)液位將至停機(jī)液位或單臺泵組出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)對該泵組發(fā)出停泵指令。則水泵按關(guān)閥、停泵的順序完成整套停機(jī)動作。

7）故障判斷

系統(tǒng)擬設(shè)置有三個(gè)故障檢測點(diǎn)，即吸水負(fù)壓檢測、排水正壓檢測、電機(jī)工作電流檢測。若在整個(gè)過程中出現(xiàn)有設(shè)備故障或異常信息，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警并自動進(jìn)行停泵等處理，最大限度的保證設(shè)備安全及排水要求。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)可手動設(shè)置系統(tǒng)全自動與半自動運(yùn)行。當(dāng)在全自動運(yùn)行模式下可實(shí)現(xiàn)井下泵房無人值守，在半自動運(yùn)行模式下手動控制水泵的啟泵操作。全自動運(yùn)行下系統(tǒng)通過水倉水位的高、低，并考慮水泵的“均勻磨損”原則，控制水泵的啟、停數(shù)量，保證水泵均衡使用。

2）單臺水泵實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，當(dāng)水泵未上水或未按正常功率運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)通過檢測本水泵的電流、流量、出水口壓力，如低于正常設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行反饋并實(shí)現(xiàn)水泵的自動停機(jī)，并啟動其他水泵。

3）控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入礦井工業(yè)以太干網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)水泵監(jiān)控子系統(tǒng)與全礦井的監(jiān)控系統(tǒng)信息共享，滿足全礦井自動化控制的要求。

4）集中控制器采用西門子公司S7-300系列工業(yè)級PLC及先進(jìn)的過程控制軟件，綜合考慮礦井各種安全信息，實(shí)現(xiàn)井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略。

2.4 性能特點(diǎn)

1）智能化（Intelligent）：

四種操作模式遵照“井下優(yōu)先”的原則可以進(jìn)行自由切換。特殊條件時(shí)也可以進(jìn)行自動切換。系統(tǒng)在判斷監(jiān)測終端或中間環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時(shí)，能迅速做出判斷并處理。并通過設(shè)計(jì)“井下優(yōu)先”、“均勻磨損”、“移峰填谷”、“效率優(yōu)先”等算法，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動判斷并選擇。

2） 高可靠性（Secure）

依照“安全第一、效率優(yōu)先”的原則，運(yùn)行模式的自動切換、機(jī)組自動切換及起停、冗余設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的故障報(bào)警等功能，最大限度的保障系統(tǒng)整體運(yùn)行。在系統(tǒng)達(dá)到最大涌水量或發(fā)生透水等緊急情況時(shí)，系統(tǒng)做出判斷且聲光報(bào)警，投入所有可運(yùn)行泵組進(jìn)行排水，保證井下排水要求。

實(shí)時(shí)監(jiān)測每臺泵組的運(yùn)行電流、電壓、壓力、流量等數(shù)據(jù)，與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的安全隱患。

3） 最優(yōu)化（Optimum）

在保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的前提下，嵌入多套數(shù)學(xué)算法，保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

四、結(jié)束語

該系統(tǒng)可自動監(jiān)測井下的水倉水位， 并根據(jù)涌水量的大小自動控制每臺水泵的運(yùn)行， 達(dá)到優(yōu)化配置和自動排水的目的， 實(shí)現(xiàn)無人值守， 從而降低操作工人的勞動強(qiáng)度， 提高排水系統(tǒng)的安全性、可靠性、用電效率、經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)代化管理水平， 為全礦井進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控及統(tǒng)一指揮奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn) ：

[1]國家機(jī)械工業(yè)局編，《中國機(jī)電產(chǎn)品目錄》，2000

[2]孟凡英，《流體力學(xué)與流體機(jī)械》，煤炭工業(yè)出版社，2006

[3]李新梅，《礦山流體機(jī)械》，航空工業(yè)出版社，2010

[4]張景松，陳更林，《流體力學(xué)與流體機(jī)械》中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010

[5]周廼榮，嚴(yán)萬生，《礦山固定機(jī)械手冊》，煤炭工業(yè)出版社，1986

[6] 煤礦設(shè)計(jì)研究院主編，《煤礦井下排水設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，1985

[7] 煤礦設(shè)計(jì)研究院主編，《煤礦井下中央泵房系列及基本參數(shù)》，1985endprint

摘 要：目前， 國內(nèi)各礦井的排水系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的繼電器控制方式， 對水泵的開停以及選擇切換均由人工完成，不僅效率低、水泵工人勞動強(qiáng)度大， 而且很容易出現(xiàn)誤操作， 影響水泵房的正常工作， 甚至引發(fā)危險(xiǎn)事故， 無法適應(yīng)現(xiàn)代化礦井安全生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：礦井；主排水； PLC； 綜合自動化

一、系統(tǒng)適用環(huán)境概述

1、安裝地點(diǎn)：井下水泵房

井下排水控制系統(tǒng)組成示意圖

該系統(tǒng)采用由礦用自動排水裝置，該裝置礦用隔爆兼本質(zhì)安全型全自動排水控制器采用全電子、數(shù)字化系統(tǒng)集成、多功能一體化設(shè)計(jì)的綜合性數(shù)據(jù)處理設(shè)備。該控制裝置集自動控制、通訊傳輸、遠(yuǎn)程指令的執(zhí)行、程序刷新，運(yùn)行歷史記錄為一體。各部分既可獨(dú)立運(yùn)行，也可綜合執(zhí)行指令。具有非常強(qiáng)的適用性和可靠性。相關(guān)輸入、輸出各類接口為標(biāo)準(zhǔn)，可方便進(jìn)入其它各類綜合自動化控制平臺集中管理。

2.2總體功能設(shè)計(jì)

1）液位監(jiān)測

通過液位計(jì)，直接監(jiān)測液位位置；通過PLC的數(shù)據(jù)處理，計(jì)算液位變化率，初步判斷涌水量是否正常。如液位或液位變化率超限，系統(tǒng)發(fā)出啟泵指令。

2）初始狀態(tài)判斷

接到啟泵指令后，系統(tǒng)開始自檢，確定設(shè)備是否有檢修、未復(fù)位等不符合啟動的初始條件。

3）方案選擇

系統(tǒng)自檢完成后，依據(jù)“均勻磨損”、“移峰填谷”、“效率優(yōu)先”等原則，確定啟泵臺數(shù)及主排水管趟數(shù)，并最終確定啟泵機(jī)組及排水管。其中，泵組的循環(huán)運(yùn)行邏輯過程分為單泵循環(huán)與多泵循環(huán)。

4）水泵啟動

系統(tǒng)自動完成水泵啟動前后的一系列動作，如真空引水、關(guān)閥啟動、出口閥控制等動作，實(shí)現(xiàn)水泵的正常運(yùn)行。

5）運(yùn)行監(jiān)測

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測液位信息、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)信息（包括電流、電壓、溫度、流量、壓力等），確保系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)不超限，保證安全運(yùn)行。

6）水泵停止

當(dāng)液位將至停機(jī)液位或單臺泵組出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)對該泵組發(fā)出停泵指令。則水泵按關(guān)閥、停泵的順序完成整套停機(jī)動作。

7）故障判斷

系統(tǒng)擬設(shè)置有三個(gè)故障檢測點(diǎn)，即吸水負(fù)壓檢測、排水正壓檢測、電機(jī)工作電流檢測。若在整個(gè)過程中出現(xiàn)有設(shè)備故障或異常信息，系統(tǒng)發(fā)出聲光報(bào)警并自動進(jìn)行停泵等處理，最大限度的保證設(shè)備安全及排水要求。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)可手動設(shè)置系統(tǒng)全自動與半自動運(yùn)行。當(dāng)在全自動運(yùn)行模式下可實(shí)現(xiàn)井下泵房無人值守，在半自動運(yùn)行模式下手動控制水泵的啟泵操作。全自動運(yùn)行下系統(tǒng)通過水倉水位的高、低，并考慮水泵的“均勻磨損”原則，控制水泵的啟、停數(shù)量，保證水泵均衡使用。

2）單臺水泵實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，當(dāng)水泵未上水或未按正常功率運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)通過檢測本水泵的電流、流量、出水口壓力，如低于正常設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行反饋并實(shí)現(xiàn)水泵的自動停機(jī)，并啟動其他水泵。

3）控制系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入礦井工業(yè)以太干網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)水泵監(jiān)控子系統(tǒng)與全礦井的監(jiān)控系統(tǒng)信息共享，滿足全礦井自動化控制的要求。

4）集中控制器采用西門子公司S7-300系列工業(yè)級PLC及先進(jìn)的過程控制軟件，綜合考慮礦井各種安全信息，實(shí)現(xiàn)井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略。

2.4 性能特點(diǎn)

1）智能化（Intelligent）：

四種操作模式遵照“井下優(yōu)先”的原則可以進(jìn)行自由切換。特殊條件時(shí)也可以進(jìn)行自動切換。系統(tǒng)在判斷監(jiān)測終端或中間環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時(shí)，能迅速做出判斷并處理。并通過設(shè)計(jì)“井下優(yōu)先”、“均勻磨損”、“移峰填谷”、“效率優(yōu)先”等算法，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動判斷并選擇。

2） 高可靠性（Secure）

依照“安全第一、效率優(yōu)先”的原則，運(yùn)行模式的自動切換、機(jī)組自動切換及起停、冗余設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)的故障報(bào)警等功能，最大限度的保障系統(tǒng)整體運(yùn)行。在系統(tǒng)達(dá)到最大涌水量或發(fā)生透水等緊急情況時(shí)，系統(tǒng)做出判斷且聲光報(bào)警，投入所有可運(yùn)行泵組進(jìn)行排水，保證井下排水要求。

實(shí)時(shí)監(jiān)測每臺泵組的運(yùn)行電流、電壓、壓力、流量等數(shù)據(jù)，與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的安全隱患。

3） 最優(yōu)化（Optimum）

在保障系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的前提下，嵌入多套數(shù)學(xué)算法，保證系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

四、結(jié)束語

該系統(tǒng)可自動監(jiān)測井下的水倉水位， 并根據(jù)涌水量的大小自動控制每臺水泵的運(yùn)行， 達(dá)到優(yōu)化配置和自動排水的目的， 實(shí)現(xiàn)無人值守， 從而降低操作工人的勞動強(qiáng)度， 提高排水系統(tǒng)的安全性、可靠性、用電效率、經(jīng)濟(jì)效益和現(xiàn)代化管理水平， 為全礦井進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控及統(tǒng)一指揮奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn) ：

[1]國家機(jī)械工業(yè)局編，《中國機(jī)電產(chǎn)品目錄》，2000

[2]孟凡英，《流體力學(xué)與流體機(jī)械》，煤炭工業(yè)出版社，2006

[3]李新梅，《礦山流體機(jī)械》，航空工業(yè)出版社，2010

[4]張景松，陳更林，《流體力學(xué)與流體機(jī)械》中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010

[5]周廼榮，嚴(yán)萬生，《礦山固定機(jī)械手冊》，煤炭工業(yè)出版社，1986

[6] 煤礦設(shè)計(jì)研究院主編，《煤礦井下排水設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，1985

[7] 煤礦設(shè)計(jì)研究院主編，《煤礦井下中央泵房系列及基本參數(shù)》，1985endprint