基于WinCC的无人值守瓦斯抽采智能控制系统研究

李健威，万 勇

（1.国家能源集团神东煤炭集团 保德煤矿，忻州036600；2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆400039）

在煤炭生产过程中经常发生煤矿安全事故，其中一个重要因素就与瓦斯抽采相关，瓦斯灾害的治理是煤矿安全生产的首要任务[1]。依据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》[2]的相关要求，煤与瓦斯突出矿井和高瓦斯矿井必须建立地面固定瓦斯抽采系统，并配备相应的瓦斯抽采监控系统。抽采是瓦斯灾害治理的根本性措施。

目前，多数煤矿企业一般采用大功率水环式真空泵，普遍采用高压柜手动按钮直接启动电机的方式来带动真空泵运行，现场需要24 h 不间断有人值守，人工手动旋转阀门手轮（柄）开启、关闭阀门，并人工观察开度指示大小以调节、平衡井下抽采负压达到最佳效果，不仅容易出现控制不灵活、调节开闭精度不够等问题，而且浪费人力资源和增加人的体力劳动强度，造成较大的人力财力浪费。根据国家安全监管总局要求煤炭企业“机械化换人、自动化减人”科技强安的通知要求，全国煤炭相关企业要逐步实现以机械化生产替换人工作业，以自动化控制减少人为操作，大力提高企业安全生产科技保障能力[3]。为此，贵州省明确提出到2020年生产煤矿采煤机械化率达到96%， 煤矿辅助系统智能化、信息化服务管理和监控覆盖率均达到100%[4]。

1 瓦斯抽放监控系统工作原理及结构

为达到煤炭企业切实减少部分工作人员，降低劳动强度的目标，中煤科工集团重庆研究院有限公司自主研发的KJ30 瓦斯抽放监测控制系统体现出了强大的功能性作用。

近几年，全国各煤矿企业实施辅助系统智能化升级改造，通过PLC 与视窗控制中心SIMATIC WinCC（windows control center）的有效结合，由调度室WinCC 控制中心对PLC 下发指令实现瓦斯泵、水泵、电动阀门的远程控制，结合现场安装的数字信号摄像头传回图像给以确认，对煤矿实现瓦斯抽采泵站现场无人值守最为有效，既节约人力资源，又使真空泵工作在最佳性能状态。这一节能降耗的重要举措，将节省的人力成本费用于支付技改投入的设备资金，使企业以较低的成本获得更大的收益，充分调动煤矿企业实现矿井自动化的积极性，是行之有效的有力举措[5]。

KJ30 瓦斯抽放监控系统将传感器数据监测和远程自动控制功能有机结合为一个整体，数据共享方便、快捷、有效，各层次之间的数据传输稳定、可靠。监测功能由现场传感器采集数据， 然后通过KXW24X（B）型瓦斯抽放控制显示柜将传感器数据上传至矿调度室中心站软件，最终通过Web 站点方式实时发布监测数据。控制功能则依靠监测所得的各项传感器数据，实时分析判断达到预先设置的控制条件， 上位机WinCC 运算并下发控制指令，PLC接收到上位机的指令后执行。

该系统采用应用管理、显示控制、检测与执行3层结构。系统结构如图1所示。

图1 KJ30 瓦斯抽放监控系统拓扑图Fig.1 Topology of KJ30 gas drainage monitoring system

1）应用管理层 其上位机负责实时监控整个抽放系统所有设备的运行状态、 采集监测数据，判断控制条件，下发控制指令，共享控制权力（实现网络远程控制）、检测数据的管理、统计存储、动态显示工艺流程、查询打印、网络通讯等任务；

2）显示控制层 负责采集现场各传感器数据、数据计量及操作控制、故障保护、面板操作、现场数据显示、声光报警、控制现场所有受控设备，通过储存的程序指令以条件式地判断分别精确地实现远程控制等；

3）检测与执行层 负责采集瓦斯抽放系统中的各种参数，执行抽放泵（电机）开停、电动阀启闭、冷却塔开停等状态。

2 PLC 及WinCC 简介

采用国际主流的可编程控制及嵌入式芯片控制结合的西门子S7-300 混合可编程技术作为抽放监控系统各种设备的自动监测、 集中保护控制装置，对瓦斯抽采泵站的水环式真空泵、水泵、冷却塔、通风机等设备的启动、停止，电动阀门的打开、关闭、停止、开到位、关到位、开度等工作状态进行经济、可靠、高效地控制，配置西门子原装I/O 模块。通过串口通讯模块CP340 监听控制柜与中心站软件数据交换源码[6]，根据通讯协议解析出采集泵站现场的环境参数（甲烷、温度、CO 气等）、管道参数（流量、压力、温度、甲烷浓度等）、设备工况参数（电流、电压、功率、温度等）及其他泵站现场监测参数的功能。

监测采用插入式威力巴流量计量、激光甲烷监测、巡检式温度监测、高防护等级（IP65 等级）等技术的产品来实现，确保技术在安全性、准确性、可靠性、实用性等方面都能很好地实现。

控制主要采用混合可编程技术（国际主流的可编程控制及嵌入式芯片控制结合）实现控制，配套的人机交互控制设备采用远程调度室上位计算机视窗控制中心WinCC 组态软件及泵站就地触摸屏控制柜，来实现多功能显示和触控。

视窗控制中心WinCC 是第一个使用最新的32 b 技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。它一方面是高水平的创新，使用户在早期就了解到即将到来的发展趋势并加以实现，另一方面是基于标准的长期产品策略，可确保用户的投资利益。

3 无人值守抽采泵站智能化控制系统

根据煤矿企业瓦斯抽采泵站现场实际情况，将传统的手动阀门全部更换为矿用隔爆型电动阀门执行器，把阀门的打开、关闭、停止、开到位、关到位及开度信息接入PLC 控制及反馈对应接线端子上[7-8]；将控制抽放泵的高压开关柜（软启动开关），控制水泵、冷却塔、排风扇等设备的低压开关上相关的合闸、分闸、故障、报警等信息接入PLC 接线端子，并将对应开关上的控制信号由就地切换到远控状态；把CP340 模块的通讯线接入到采集传感器信息的监控分站RS485 总线上，实时监听分站与上位机中心站软件的数据交换信息，并将监听的数据源码采集到PLC 数据解析程序上进行数据解析，通过WinCC 组态软件关联其变量参数进行在线显示。

通过编写PLC 程序对抽放系统输气管道及供水管路上的各电动阀门、高压控制柜开关、低压开关进行独立控制。同时，根据各煤矿企业瓦斯抽放泵站的日常生产启动或者停止抽放泵的流程顺序，远程实现单台瓦斯抽放泵的一键启动或停止，并根据预先设定的运行时间或者启停次数等条件实现主、备机一键自动切换倒机，而且能根据传感器监测反馈数据，建立起专家库模型判断故障、发出声光报警。根据设备故障情况，能够自动停泵和启动备用抽放泵， 在数据库内记录下故障记录等信息。部分程序代码如图2和图3所示。

图2 抽放泵一键启动程序Fig.2 Drainage pump one key start-up procedure

图3 抽放泵一键停止程序Fig.3 Drainage pump one key stop procedure

WinCC 提供了所有最重要的通讯通道，用于连接到SIMATIC S5/S7/505 控制器 （如通过S7 协议集）的通讯，以及PROFIBUS-DP/FMS，DDE（动态数据交换）和OPC（用于过程控制的OLE）等非专用通道[9]；在WinCC 上位机根据抽放泵站现场管路走向及机电设备的安置情况， 利用三维建模软件作图，效果保持与现状一致，以适应煤矿企业值班操作员对现场的亲切感。

利用与现场PLC 变量的关联，通过功能按钮用鼠标实现对瓦斯泵站的操作。为了确保远程控制下发命令的可靠性，同时将泵站设备运行状态反馈摄像头视屏一并集成到主画面，只需一键点击待查看设备对应的视屏确认即可。对监测监控数据的优化处理、历史数据的查询、设备的运行记录、报警信息等状态可以通过相关功能按钮点击查看、 打印等，做到随时了解并掌握泵站抽采效果。

如果管道发生气体泄漏等引起环境瓦斯超限、水泵未及时开启引起抽放泵缺水或者长时间未关闭引起水池水位过低、抽放泵和点击前后轴承温度超限等，系统会根据预先设置的参数条件自动发出声光报警提示，并自动转入在线“专家诊断”程序提出解决改问题办法。同时，利用手机短信功能，根据问题故障的等级程度向调度值班员、区队、智能部门及相关主管领导发送信息，确保瓦斯抽采泵站无人值守情况下的稳定可靠。系统监控平台WinCC 组态主界面如图4所示。

图4 抽采泵站智能化控制系统WinCC 组态主界面Fig.4 WinCC configuration main interface of intelligent control system for pumping station

4 展望

无人值守抽采泵站智能化控制系统的研究不仅局限于独立子系统的运用，还可以将数据接入矿井安全监测监控系统或者矿井综合自动化平台，将抽采系统的数据共享并长期有效保存；远期还可以将井下钻孔、支管、干管及主管道瓦斯浓度、流量、温度、 压力等全范围管路网络结构拓扑到该系统，实现矿井抽采源头到地面最终排空， 以致瓦斯发电、提存、输送；利用全覆盖监测控制为煤矿安全生产调度、安全避险和应急救援提供有力保障，为煤炭企业打造绿色环保矿山，实现经济的可持续发展与环境保护的平衡，具有广阔的市场前景。

5 结语

借助于国家大力推行煤矿企业辅助系统智能化升级改造的机遇，基于WinCC 的无人值守瓦斯抽采泵站智能化控制系统一直在不断总结、优化和完善，完成了高品质通讯传输、缜密的逻辑程序、运行指令下发上传、异常状况报警及在线专家诊断功能的全面实现；充分发挥了PLC 应用技术的先进性和WinCC 组态软件的实用性。该系统广泛运用于各大煤业集团瓦斯抽采泵站，改善了传统人工操作的弊端及劳动强度，为煤炭企业瓦斯抽采工作提供了强大的数据支撑体系，总体效果较好，得到各级领导和使用人员的一致认可；对于相关煤炭企业落实国家安全监管总局要求的“机械化换人、自动化减人”具有重要意义和积极作用。