煤礦井下多水平排水自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用

　　1、引言
　　
　　礦井涌水由井下排水系統(tǒng)排至地面，其能否有效、可靠地運(yùn)行，關(guān)系到整個礦井的安危。我國礦井排水系統(tǒng)普遍采用人工操作，存在著勞動強(qiáng)度大、啟停時間長、效率低等諸多不適應(yīng)現(xiàn)代化礦井管理的問題。對此，本系統(tǒng)以安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗為控制目標(biāo)，設(shè)計了煤礦多水平排水綜合自動化控制系統(tǒng)，可以有效簡化操作、提高系統(tǒng)可靠性、降低設(shè)備故障率，有效降低噸水排出費(fèi)用，節(jié)約能源。
　　
　　2、綜合自動化控制系統(tǒng)的組成
　　
　　2.1硬件組成
　　
　　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)采用三級網(wǎng)絡(luò)體系（現(xiàn)場層、控制層和管理層）來實現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動化控制。兩層排水控制分系統(tǒng)采用相同硬件配置，整個系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　
　?。?）現(xiàn)場層結(jié)構(gòu)
　　
　　中央泵房和二水平的現(xiàn)場層主要利用遠(yuǎn)程i/o實現(xiàn)，一臺就地箱控制一臺水泵。就地箱內(nèi)安裝有et200m模塊化dp從站，并擴(kuò)展數(shù)字量輸入輸出和模擬量輸入模塊。就地箱內(nèi)模塊主要用來輸入球閥、閘閥等到位信號，輸出球閥，閘閥，合閘等控制信號，以及采集壓力、負(fù)壓、吸水井液位、水泵和電機(jī)的軸溫等模擬量信號。
　　
　?。?）控制層結(jié)構(gòu)
　　
　　每個水平的控制層即利用西門子觸摸屏來實現(xiàn)對這一水平多臺水泵的集中控制，PLC選用cpu315-2dp模塊，cp340串口通訊模塊、cp342-5通信模塊、cp343-1以太網(wǎng)模塊。其中cpu模塊的mpi接口與施耐德的觸摸屏連接，dp接口與多臺就地箱連接實現(xiàn)Profibus-dp現(xiàn)場總線。利用串口通訊rs485接口與水泵啟動柜的綜保通訊，采集水泵電機(jī)電流、電壓、功率等重要數(shù)據(jù)。利用cp343-1模塊與上位機(jī)實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)，把現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)傳送到地面。系統(tǒng)設(shè)立兩個水平的控制分站，要實現(xiàn)整個排水系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度和管理，兩個水平的控制分站之間需要交換必要的監(jiān)測、控制信息。考慮到工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠性，選擇基于cp342-5通信模塊的profibus-fdl通信和基于西門子mpi接口的mpi通信互為備用。
　　
　?。?）管理層結(jié)構(gòu)
　　
　　管理層由上位機(jī)來完成，遠(yuǎn)程計算機(jī)設(shè)置在地面集中控制室，利用intouch組態(tài)軟件和plc之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。上位機(jī)利用其opc客戶端驅(qū)動程序opclink建立和opcscout的連接，根據(jù)定義實時地從其中取得所需數(shù)據(jù)，放入自己的數(shù)據(jù)庫中。本系統(tǒng)中，plc控制柜與調(diào)度中心控制室相距較遠(yuǎn)，而且現(xiàn)場干擾又比較嚴(yán)重，所以對通信系統(tǒng)的抗干擾性能要求比較高。考慮到以上兩點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了以太網(wǎng)與光纖傳輸技術(shù)實現(xiàn)各分系統(tǒng)控制plc與調(diào)度中心監(jiān)控終端之間的通信。
　　
　　2.2軟件組成
　　
　　軟件部分有plc程序、西門子觸摸屏程序以及上位機(jī)intouch的監(jiān)控程序。這里主要介紹遠(yuǎn)程監(jiān)控及管理軟件設(shè)計。系統(tǒng)中各層控制分系統(tǒng)的plc控制柜是其當(dāng)?shù)丶刂行?，一方面起著就地集中監(jiān)控的作用，一方面承擔(dān)與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)通信以實現(xiàn)遠(yuǎn)程集控的任務(wù)。系統(tǒng)中各分系統(tǒng)plc與遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)之間的通信采用工業(yè)以太網(wǎng)的方式，這里著重介紹遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)與plc的數(shù)據(jù)交換的實現(xiàn)及監(jiān)控軟件的開發(fā)。
　　
　　根據(jù)排水自動控制系統(tǒng)的實際需要，按照面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，用通用化的組態(tài)軟件建立實時數(shù)據(jù)庫用于實時過程數(shù)據(jù)的存儲和處理；設(shè)計親切友好的人機(jī)操作界面，在實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的支持下使操作人員能夠非常方便地對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控；為用戶提供時間段的歷史數(shù)據(jù)和趨勢查詢以及報表輸出；提供過程數(shù)據(jù)的動態(tài)報警提示等。選用了上應(yīng)用較為廣泛的intouch組態(tài)軟件。遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)是在采用opc和通用組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的開放式體系結(jié)構(gòu)的監(jiān)控軟件。（排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1）
　　
　　intouch由一系列組件組成，包括可視化、獲取數(shù)據(jù)。歷史趨勢、報表和分析等工具。intouch可與其它wonderware軟件產(chǎn)品集成，有很大的靈活性。intouch提供的繪圖工具可生成各種各樣的矢量圖形和文本。標(biāo)記名瀏覽器讓使用者從任何的factorysuite應(yīng)用程序和任何其它支持intouch標(biāo)記名字典接口的標(biāo)記名來源。intouch賦予使用者對包括activex、opc、wonderware的suiink以及標(biāo)準(zhǔn)dde等所有工具的運(yùn)用能力。尤其是wonderware及其合作廠商提供范圍廣泛的i/oserver，可供數(shù)以百計的zui常見的控制裝置使用，所有的i/oserver都提供dde和wonderware的suiink通信協(xié)議。intouch還支持分布式告警和分布式歷史趨勢。
　　
　　使用組態(tài)軟件開發(fā)用戶應(yīng)用程序一般按照以下步驟進(jìn)行：
　　
　?。?）根據(jù)工藝過程繪制、設(shè)計圖形界面；
　　
　?。?）建立數(shù)據(jù)庫；
　　
　　（3）將圖形對象與實時數(shù)據(jù)庫變量建立動畫連接；
　　
　?。?）運(yùn)行和調(diào)試。
　　
　　系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)監(jiān)控軟件就是通過按照上述步驟在intouch的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)實現(xiàn)的，實現(xiàn)了系統(tǒng)要求的所有功能。包括：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和顯示；事故順序記錄；畫面調(diào)用與顯示；數(shù)據(jù)報表及打印功能；數(shù)據(jù)庫管理和查詢；事故自動報警；安全保護(hù)等。圖2所示為本系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件的體系結(jié)構(gòu)圖。
　　
　　除了具備監(jiān)測、監(jiān)控功能外，將intouch工控組態(tài)軟件與用c#語言自主研發(fā)的管理軟件配合使用，通過解決intouch組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫與自主開發(fā)軟件的數(shù)據(jù)庫實時通訊的問題，具備強(qiáng)大的管理功能，在人員權(quán)限管理的基礎(chǔ)上納入了設(shè)備參數(shù)管理、設(shè)備檢修管理、設(shè)備故障管理（分析、處理預(yù)案），以設(shè)備基本信息及實際運(yùn)行參數(shù)為管理依據(jù)，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況給出檢修維護(hù)方案（閘閥、泵體、管路等定期維護(hù)設(shè)備），根據(jù)故障信息給出處理預(yù)案（閥門故障、泵體故障等）。
　　
　　3、系統(tǒng)應(yīng)用效果及特點(diǎn)
　　
　　3.1控制功能實現(xiàn)
　　
　　各項控制功能的順利實現(xiàn)是自動控制系統(tǒng)的首要目標(biāo)，現(xiàn)場調(diào)試過程采取了分步調(diào)試的方式逐步實現(xiàn)系統(tǒng)的所有設(shè)計控制功能。
　　
　?。?）就地控制的實現(xiàn)
　　
　　對現(xiàn)場水泵機(jī)組逐臺進(jìn)行電控改造，滿足電控要求后即接入控制柜進(jìn)行就地控制的調(diào)試，實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一對一控制。圖3為每臺水泵的就地控制箱。
　　
　?。?）井下觸摸屏集控
　　
　　就地控制實現(xiàn)后將現(xiàn)場傳感器采集數(shù)據(jù)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制變量納入半自動控制邏輯，并于觸摸屏監(jiān)控軟件進(jìn)行組態(tài)連接，實現(xiàn)井下觸摸屏集控，操作員在觸摸屏實施就地集中監(jiān)測監(jiān)控，監(jiān)控界面如圖4所示。　　
　?。?）遠(yuǎn)程集控
　　
　　井下集控實現(xiàn)后在PLC控制軟件中并入遠(yuǎn)程控制點(diǎn)，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端通過opc下發(fā)控制指令實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，同時現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)通過opc上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的實時數(shù)據(jù)庫，遠(yuǎn)程監(jiān)控界面如圖5所示。　　
　　3.2控制系統(tǒng)特點(diǎn)
　　
　　本系統(tǒng)綜合應(yīng)用plc、遠(yuǎn)程i/o、現(xiàn)場總線、智能傳感器、計算機(jī)監(jiān)控、以太網(wǎng)通信等技術(shù)，構(gòu)建了完善的遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件，軟件具有良好的開放性和擴(kuò)展性，并利用實時數(shù)據(jù)庫的動態(tài)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)庫的靜態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合實現(xiàn)礦井排水設(shè)備的遠(yuǎn)程輔助管理。實現(xiàn)了對煤礦井下兩個水平排水系統(tǒng)的統(tǒng)一集中監(jiān)測監(jiān)控，具有無人值守功能，大大提高了煤礦井下排水系統(tǒng)的自動化程度及安全運(yùn)轉(zhuǎn)水平。
　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　本文針對煤礦井下多水平排水系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合前*的工業(yè)控制技術(shù)，研究和開發(fā)了一套煤礦井下多水平排水自動化控制系統(tǒng)。在實際的運(yùn)行中，還有一點(diǎn)不足。下一步我們將根據(jù)多水平排水系統(tǒng)的實際特點(diǎn)采取*控制與模糊控制相結(jié)合的優(yōu)化排水控制策略，實現(xiàn)了以噸水排水費(fèi)用zui低為目標(biāo)的多水平排水智能控制。