【摘要】针对我矿排水系统运行工艺，结合现代工业技术和最优控制理论，设计了一套现代化自动排水系统。能够实现远程动态观测水文信息和设备工况，综合实现自动排水。井下控制设备采用S7-300系列PLC，结合各种传感器自动控制闸阀的开关。上位机采用Ifix组态软件对监控系统进行设计。可视化监控画面有利于管理人员实时远程监控，而且具有报警、显示实时趋势曲线等功能，可方便地生成各种报表。系统具有以下特点：水位实时在线检测与显示；水泵自动启动与停止；多台水泵实行“轮班工作制”，提高水泵使用寿命；有可扩展的工业以太网接口，便于系统集成。
【关键词】水泵房；PLC；Ifix组态软件；远程监控
1.引言
国投郑煤教学三矿位于登封市徐庄乡，矿井水泵房仍然采用传统的人工操作排水系统。这种排水系统由于自动化程度低，还做不到根据水位或其它参数自动开停水泵，严重影响井下主排水泵房的管理水平[1]。为建设成高水平的数字化矿井，设计对登封教学三矿井下泵房的排水系统进行自动化改造。本系统基于西门子S7-300PLC来实现，Ifix组态软件编写的上位机界面可以很方便地实现对水泵的自动控制，且具有查看历史数据，打印报表等功能。各台水泵相互连接、数据共享，地面统一调度、统一控制。数据传输使用以太网方式，多个泵房可以相互连接。电动闸阀改造采用高集成度的方案，将闸阀配电部分集成到PLC隔爆控制箱内，以减少布线，提高集成度。
2.系统整体设计
井下矿用隔爆兼本安型可编程控制器通过矿下工业以太网，信号高速传输，实现地面集控中心与井下设备信号采集。系统整体设计框架如图1。
图1中，地面集控中心采用Ifix编写的上位机软件，可视化界面有利于管理者了解各种系统运行参数，及时对排水系统进行监控。控制信号通过井下光纤以太环网，传到井下PLC控制箱，在各个管道分支巷道安装电动闸阀控制单元，通过矿用隔爆兼本安型可编程控制器实现闸阀的闭合断开操作。另外流量、压力和温度等各种传感器信号通过Profibus-DP总线接口传输到PLC控制箱内，PLC负责采集压力传感器、管道流量计等设备的运行状态和参数。系统供电引自就近的变电所。
3.井下设备改造
3.1 井下排水系统要求
目前泵房工作方式为手动操作方式，安排有值班运行人员，操作、跟踪泵的运行[2]。
井下排水系统信号传输和控制系统改造应满足信息化的整体设计要求：
（1）实现井下排水泵房无人值守自动控制运行，具备网络测控功能。
（2）系统具备远程控制、就地自动控制、就地手动控制三种操作方式。
（3）对电机和水泵的运行参数及保护参数进行实时的监测和传送，这些参数包括：电机温度、泵体温度、水位、真空度、电压、电流、水泵出水口压力、各种闸阀、电磁阀的位置信号、过转矩信号等。
（4）整个系统做到可靠运行、维护方便、修改灵活[3]。
3.2 设备改造
根据教学三矿的现场情况，结合自动化系统设计要求，进行以下改造：井下监控单元由井下监控主控站（PLC）及信号采集装置、传感器等组成，主控制站作为井下控制部分的通信核心，完成分站监控信息与地面控制中心的监控信息交互传递。同时，通过在现场的操作显示屏，为井下巡检人员提供整个系统的运行情况。另外，增加两台真空泵和真空泵控制箱，互为备用，两台真空泵进气管处安装电动球阀，并联手阀；安装真空支管以实现3台泵的抽真空引水。每台泵抽真空支管设置一台电动球阀，并联一台手动阀门，以实现自动控制，同时不影响现场操作。在真空管路安装负压传感器，检测真空度，由此判断引水是否完成。在水泵出水口安装正压传感器，检测正压值，由此判断是否可以开启阀门，增加闸阀电动装置和控制箱以实现上述功能[4]。
4.软件设计
4.1 PLC软件设计
本系统采用S7-300PLC，附加一个模拟量输入模块，一个数字量输入输出模块，一个CP341通讯模块，硬件组态如表1所示。
系统采用STEP7软件编程，STEP7是用于SIMATIC S7，SIMATIC M7和SIMATIC C7可编程序控制器的标准工具软件，与其它PLC所用的IEC编程语言是相似的。STEP 7可以在Windows下运行，有友好的用户界面，可以容易地利用这些系统的资源。STEP 7以块的形式管理用户编写的程序和数据，在一个块中调用另一个块的可能性，既使是子程序，用户程序结构化仍成为可能。这将显著增加PLC程序组织的清晰性，可理解性和易维护性[5]。
PLC程序采用模块化编程方法，选用梯形图编程。按功能可划分为6子程序，且全部使用功能块来进行编写。6个子程序为：initialize（初
始化程序），read（获取数据程序），write（发送数据程序），ve
-rify（选择比较程序），XMT complete（信息接收控制中断程序），RCV complete（转码中断程序）[6]。由于本系统的PLC程序设计较为复杂，限于篇幅不能逐一介绍。故只对其中最为重要的主程序作较为详细的分析说明。
主程序是整个程序的管理调度者。PLC的CPU循环扫描程序，根据井下水泵的具体运行要求调用其他相关的任务，并与其它任务一起共同完成整个系统的程序控制[7]。系统运行主程序首先要进行一系列的初始化工作，并使扩展模块（通讯模块等）等设备与PLC的数据传输正常。初始化设置的通信口0为自由口通信协议，速率为9600bit/s，通过传送器测得数据保存在PLC的缓存中，然后依次通过发送子程序将数据送至控制中心[8]。控制中心接收信息后将数据送至PLC中，通过PLC程序处理，输出启动/停止信号，达到远程控制水泵的功能[9]。设备控制程序流程如图2所示。
4.2 上位机软件设计
采用美国GE Fanuc公司的Ifix组态软件对监控系统进行设计，方便地构成监控画面，且具有报警、实生成曲线报表等功能[10]。
上位机软件可以实现以下功能：
（1）自动采集、显示水泵的各种运行参数；
（2）根据水仓水位、生产工作制及负荷情况控制水泵自动工作；
（3）根据监测到的信号判断水泵的工作情况，故障时能及时发出报警信号，并根据工作类型停泵；
（4）可自动、手动控制水泵的启停及电动闸阀的开、关及开度，地面监控中心可完成对水泵控制的各种操作；
（5）系统能与矿井综合调度系统无缝连接，实现数据的共享。
上位机软件界面如图3所示。
调度室监控软件有以下功能：依据水仓的液位数据实现对井下水泵的远程自动控制。系统根据教学三矿现场具体情况以及时间、水位、煤矿用电负荷等参数自动开启、停止水泵的运转，并能实现泵阀的联锁起动，对运行中的各种参数进行实时控制，且能实现超限报警，实时显示历史曲线，生成和打印报表等功能。
5.总结
泵房自动化系统涉及到远程监控技术及工业以太网组网技术，本文从教学三矿的实情出发，提出了远程监控系统的总体设计方案。随后又对方案进行细化，分井下设备改造和调度室上位机软件编写两部分对整个系统进行改造。
本系统井下使用S7-300 PLC实现对泵房运行状态信息的监控，将泵房各种状态信息和报警信息通过光纤以太网发送到调度室的上位机，信息通过OPC服务器发布，Ifix组态软件使用OPC客户端驱动对数据进行访问，管理人员在上位机读取状态和报告信息存储到本地数据库中。系统仍有许多需要改进的地方，如增加电动闸阀监控对象，备用泵的投切运行等，井下供水管网的整体监控等。
参考文献
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[9]文嘉革.水泵站自动设计软件研究与开发[D].河海大学,2005.
[10]王云花,李大锋,楚凡.基于PLC的矿井中央泵房自动控制排水系统[J].煤矿机电,2011,1:83-85.
作者简介：都世锋（1978—），男，河南郑州人，毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业，国投煤炭郑州能源开发有限公司教学三矿机电矿长，主要从事煤矿机电运输管理等工作。
