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煤矿井下多水平排水自动化控制系统的设计和应用

1 引言

  矿井涌水由井下排水系统排至地面,其能否有效、可靠地运行,关系到整个矿井的安危。我国矿井排水系统普遍采用人工操作,存在着劳动强度大、启停时间长、效率低等诸多不适应现代化矿井管理的问题[1]。对此,本系统以安全生产、节能降耗为控制目标,设计了煤矿多水平排水综合自动化控制系统,可以有效简化操作、提高系统可靠性、降低设备故障率,有效降低吨水排出费用,节约能源。

2 综合自动化控制系统的组成

  2.1 硬件组成

  系统硬件结构采用三级网络体系(现场层、控制层和管理层)来实现排水系统的自动化控制。两层排水控制分系统采用相同硬件配置,整个系统布置结构如图1所示。

  (1)现场层结构

  中央泵房和二水平的现场层主要利用远程i/o实现,一台就地箱控制一台水泵。就地箱内安装有et200m模块化dp从站[2],并扩展数字量输入输出和模拟量输入模块。就地箱内模块主要用来输入球阀、闸阀等到位信号,输出球阀,闸阀,合闸等控制信号,以及采集压力、负压、吸水井液位、水泵和电机的轴温等模拟量信号。

  (2)控制层结构

  每个水平的控制层即利用西门子触摸屏来实现对这一水平多台水泵的集中控制,plc选用cpu315-2dp模块,cp340串口通讯模块、cp342-5通信模块、cp343-1以太网模块。其中cpu模块的mpi接口与施耐德的触摸屏连接,dp接口与多台就地箱连接实现profibus-dp现场总线。利用串口通讯rs485接口与水泵启动柜的综保通讯,采集水泵电机电流、电压、功率等重要数据。利用cp343-1模块与上位机实现工业以太网,把现场实时数据传送到地面。系统设立两个水平的控制分站,要实现整个排水系统的统一调度和管理,两个水平的控制分站之间需要交换必要的监测、控制信息。考虑到工业控制系统的可靠性,选择基于cp342-5通信模块的profibus-fdl通信[3]和基于西门子mpi接口的mpi通信互为备用。

  (3)管理层结构

  管理层由上位机来完成,远程计算机设置在地面集中控制室,利用intouch组态软件和plc之间通过以太网进行通讯。上位机利用其opc客户端驱动程序opc

  link建立和opc

  scout的连接,根据定义实时地从其中取得所需数据,放入自己的数据库中。本系统中,plc控制柜与调度中心控制室相距较远,而且现场干扰又比较严重,所以对通信系统的抗干扰性能要求比较高。考虑到以上两点,本系统采用了以太网与光纤传输技术实现各分系统控制plc与调度中心监控终端之间的通信。

  2.2软件组成

  软件部分有plc程序、西门子触摸屏程序以及上位机intouch的监控程序。这里主要介绍远程监控及管理软件设计。系统中各层控制分系统的plc控制柜是其当地集控中心,一方面起着就地集中监控的作用,一方面承担与远程监控计算机通信以实现远程集控的任务。系统中各分系统plc与远程监控计算机之间的通信采用工业以太网的方式[4],这里着重介绍远程监控计算机与plc的数据交换的实现及监控软件的开发。

  根据排水自动控制系统的实际需要,按照面向对象的设计方法,用通用化的组态软件建立实时数据库用于实时过程数据的存储和处理;设计亲切友好的人机操作界面,在实时数据库系统的支持下使操作人员能够非常方便地对系统设备进行监控;为用户提供指定时间段的历史数据和趋势查询以及报表输出;提供过程数据的动态报警提示等。选用了国际上应用较为广泛的intouch组态软件。远程监控计算机的监控系统是在采用opc和通用组态软件的基础上实现的开放式体系结构的监控软件。(排水控制系统结构图见图1)

  intouch由一系列组件组成,包括可视化、获取数据。历史趋势、报表和分析等工具。intouch可与其它wonderware软件产品集成,有很大的灵活性。intouch提供的绘图工具可生成各种各样的矢量图形和文本。标记名浏览器让使用者从任何的factorysuite应用程序和任何其它支持intouch标记名字典接口的标记名来源。intouch赋予使用者对包括activex、opc、wonderware的suitelink以及标准dde等所有最新工具的运用能力。尤其是wonderware及其合作厂商提供范围广泛的i/oserver,可供数以百计的最常见的控制装置使用,所有的i/oserver都提供dde和wonderware的suitelink通信协议[5]。intouch还支持分布式告警和分布式历史趋势。

  使用组态软件开发用户应用程序一般按照以下步骤进行:

  (1)根据工艺过程绘制、设计图形界面;

  (2)建立数据库;

  (3)将图形对象与实时数据库变量建立动画连接;

  (4)运行和调试。

  系统的远程监控计算机监控软件就是通过按照上述步骤在intouch的基础上进行二次开发实现的,实现了系统要求的所有功能。包括:现场数据采集和显示;事故顺序记录;画面调用与显示;数据报表及打印功能;数据库管理和查询;事故自动报警;安全保护等。图2所示为本系统监控系统软件的体系结构图。

  除了具备监测、监控功能外,将intouch工控组态软件与用c#语言自主研发的管理软件配合使用,通过解决intouch组态软件数据库与自主开发软件的数据库实时通讯的问题,具备强大的管理功能,在人员权限管理的基础上纳入了设备参数管理、设备检修管理、设备故障管理(分析、处理预案),以设备基本信息及实际运行参数为管理依据,根据设备运行情况给出检修维护方案(闸阀、泵体、管路等定期维护设备),根据故障信息给出处理预案(阀门故障、泵体故障等)。

3 系统应用效果及特点

  3.1控制功能实现

  各项控制功能的顺利实现是自动控制系统的首要目标,现场调试过程采取了分步调试的方式逐步实现系统的所有设计控制功能。

  (1)就地控制的实现

  对现场水泵机组逐台进行电控改造,满足电控要求后即接入控制柜进行就地控制的调试,实现执行机构的一对一控制。图3为每台水泵的就地控制箱。

  (2)井下触摸屏集控

  就地控制实现后将现场传感器采集数据及执行机构的控制变量纳入半自动控制逻辑,并于触摸屏监控软件进行组态连接,实现井下触摸屏集控,操作员在触摸屏实施就地集中监测监控,监控界面如图4所示。

  (3)远程集控

  井下集控实现后在plc控制软件中并入远程控制点,远程监控终端通过opc下发控制指令实现远程控制,同时现场监测数据通过opc上传至远程监控终端的实时数据库,远程监控界面如图5所示。

  3.2控制系统特点

  本系统综合应用plc、远程i/o、现场总线、智能传感器、计算机监控、以太网通信等技术,构建了完善的远程监控软件,软件具有良好的开放性和扩展性,并利用实时数据库的动态数据与历史数据库的静态数据相结合实现矿井排水设备的远程辅助管理。实现了对煤矿井下两个水平排水系统的统一集中监测监控,具有无人值守功能,大大提高了煤矿井下排水系统的自动化程度及安全运转水平。

4 结束语

  本文针对煤矿井下多水平排水系统的特点,结合前先进的工业控制技术,研究和开发了一套煤矿井下多水平排水自动化控制系统。在实际的运行中,还有一点不足。下一步我们将根据多水平排水系统的实际特点采取最优控制与模糊控制相结合的优化排水控制策略,实现了以吨水排水费用最低为目标的多水平排水智能控制。

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