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。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opclink建立和opcscout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，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