煤礦井下水泵機組的自動化改造設(shè)計

呂國強

(山煤集團煤業(yè)管理有限公司晉南分公司，山西 臨汾 041000)

0 引言

井下主排水泵為煤礦的大型關(guān)鍵設(shè)備，主要的功能是排除煤礦井下涌水，保證礦井有一個安全的生產(chǎn)環(huán)境。一些老礦井的排水泵系統(tǒng)未得到合理的改造，對其進行合理管理有很大難度。主要有以下幾個問題[1]：每個水平排水泵房都需要設(shè)專人值班，水泵操作幾乎都是泵房司機操作，人員多、勞動強度大；設(shè)備運行故障時，人僅能憑借自己的經(jīng)驗去區(qū)分系統(tǒng)的故障狀態(tài)，不能對故障進行有效地處理，可靠性差；礦井地面指揮中心不能實時了解水泵機組的運行狀態(tài)，不能有效地進行故障控制，容易造成故障的擴大化。為此需要進行自動化改造。

1 排水泵自動化改造功能要求

1.1 系統(tǒng)的功能

操作控制：①在緊急情況下或設(shè)備維護時，工程師可以通過按鈕及指示燈完成對球閥、閘閥及供電系統(tǒng)進行控制；②可以通過用戶端實現(xiàn)對水泵運行狀態(tài)參數(shù)進行控制；③可以實現(xiàn)對水泵機組的遠程控制，以及對水泵機組的運行狀態(tài)進行監(jiān)視井，對水泵的運行參數(shù)具有實時的存儲功能；④在運行過程中，能實現(xiàn)自動化運行，能根據(jù)水倉水位、用電狀況等信息合理的調(diào)整水泵機組的運行狀態(tài)。

報警顯示：系統(tǒng)在運行時可以實時顯示水泵控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息，例如水倉水位，電機電流、電壓、功率因數(shù)，水泵負壓、壓力、流量以及水泵機組轉(zhuǎn)軸溫度等信息。此外，系統(tǒng)還應(yīng)具有一定的故障診斷和處理能力，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，用戶端應(yīng)能發(fā)出報警并顯示故障的類型，并能根據(jù)故障的類型做出相應(yīng)的處理，例如停機、降低轉(zhuǎn)速等。

語音通信：系統(tǒng)應(yīng)具有語音和視頻通信能力，在發(fā)生緊急故障時，可以直接與指揮中心進行交流，以降低故障帶來的損失。該系統(tǒng)可以具有不同的權(quán)限功能，在運行時可以顯示設(shè)備的運行狀態(tài)、運行時間及下次檢修日期提示等功能。

1.2 系統(tǒng)設(shè)備要求

系統(tǒng)用于煤礦井下的控制設(shè)備、各類傳感器、電源的防護等級和外殼結(jié)構(gòu)應(yīng)符合煤礦井下環(huán)境的使用要求，取得煤安標(biāo)志。因此，應(yīng)注意做好設(shè)備的外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計，處理好電子元器件的散熱問題。

2 排水泵自動化系統(tǒng)改造設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

總體結(jié)構(gòu)：為了滿足水泵的自動控制監(jiān)測的功能，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行了全局的設(shè)計。該系統(tǒng)主要有4層結(jié)構(gòu)，可以分為現(xiàn)場層、監(jiān)控層、診斷層以及故障的遠程處理層。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要通過各個層之間的相互作用來實現(xiàn)水泵的自動化運行。各層結(jié)構(gòu)之間可以實現(xiàn)相互通信，傳遞相應(yīng)的控制信號，以完成對水泵的運行進行自動控制?？傮w而言，控制實現(xiàn)的主要部分是系統(tǒng)的硬件電路。隨著集成電路的發(fā)展，相應(yīng)的電路模塊已經(jīng)實現(xiàn)了集成。

圖1 子系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場層：井下泵房現(xiàn)場層直接面向水泵機組的控制與信號采集。采用ET200 Profubus-DP從站，并配置數(shù)字量輸入輸出模塊以及模擬量輸入模塊，利用具有通信功能的測控儀表可以減少主站的資源。由于不對水泵機組的溫度進行控制，無需對帶有DP總線接口的德陽捷通DDMF5-8ADP模塊編寫相應(yīng)的通訊程序。為了防止DP網(wǎng)絡(luò)因為電流過載而出現(xiàn)故障，應(yīng)該在DP網(wǎng)絡(luò)的最后一個模塊上加上保護電阻。工業(yè)平板電腦通過數(shù)據(jù)采集卡采集水泵機組的振動信號，并進行預(yù)處理，通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婀收显\斷中心的。

監(jiān)控層：監(jiān)控層主要是對變電所的水泵的集控柜和供電集控柜的運行狀態(tài)進行監(jiān)視，其主要由DP總線主站PLC和信息采集系統(tǒng)組成。PLC作為主控制器完成邏輯處理、控制及簡單數(shù)據(jù)處理等功能，并通過Profibus-DP現(xiàn)場總線和泵房現(xiàn)場層設(shè)備進行通訊，觸摸屏有良好的人機界面實現(xiàn)水泵機組的集中管理控制[2-3]。系統(tǒng)下位機硬件配置由主PLC、觸摸屏、模擬量和開關(guān)量采集、執(zhí)行部分等組成。PLC模塊PLC為系統(tǒng)核心部分，這里選用高可靠性的S7-300系列PLC。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)軟件主要程序結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要有就地箱和集控柜的PLC軟件程序、平板電腦軟件程序和上位機軟件程序。PLC其主要特點是對強電和弱電都有很強的適應(yīng)性，抗干擾能力很強，但是其算術(shù)運算能力差。為此需要上位機，上位機的主要功能是對采集的信號進行處理，并發(fā)出相應(yīng)的邏輯控制信號，供PLC控制使用。平板電腦最大的優(yōu)點是集成度高，人機對話能力強，可以快速實現(xiàn)人機交互，最主要的特點是用于手動控制。

圖2 系統(tǒng)軟件框架圖

程序編寫工具：水泵機組自動監(jiān)測控制系統(tǒng)在地面采用的是ET200的DP從站，從站和PLC程序都是受主站控制的。由于PLC使用的西門子的300系列，所以利用STEP7工具來編寫PLC程序。

主程序流程：為了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在編程時應(yīng)保證程序模塊的獨立化[3]。其運行的整個流程是，PLC初始化變量通過調(diào)用OB100，在進入主循環(huán)后進行條件判定，根據(jù)輸入的參數(shù)來確定PLC系統(tǒng)的運行模塊；完成一個循環(huán)后，PLC進行掃描，更新相應(yīng)的參數(shù)，進入另一個循環(huán)[4]。

上位機通信程序模塊：主要的功能是完成上位機和主控PLC的數(shù)據(jù)交換，并將接收到的數(shù)據(jù)和控制命令，傳遞給平板電腦端。

就地控制程序模塊：主要功能是通過按鈕來完成對水泵啟停的控制。

半自動控制程序模塊：主要的功能是完成水泵的半自動化控制，通過上位機和觸摸屏發(fā)出的指令，利用按鍵來實現(xiàn)水泵的啟停。

自動控制模塊：主要功能是完成水泵自動化控制，系統(tǒng)接受自動控制指令后，根據(jù)水倉水位、水位上升速率，自動判定工作水泵運行臺數(shù)、控制水泵抽真空和啟停、控制出水閥門的啟閉。

模擬量采集程序模塊：主要的功能是對采集來的壓力、負壓、液位、溫度進行處理并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字信號。突發(fā)事故處理程序模塊，其主要功能是根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)實現(xiàn)對水泵機組運行時的故障進行處理，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，控制相應(yīng)的裝置動作。

綜保通信程序模塊：主要功能是將獲得的參數(shù)，例如電壓、電流、功率等，傳遞給相應(yīng)的控制模塊。觸摸屏通信程序模塊的主要功能是實現(xiàn)與PLC進行數(shù)據(jù)交換，主要是通過自帶的MPI通信與PLC完成數(shù)據(jù)的交換。

故障報警程序模塊：當(dāng)水泵機組的運行狀態(tài)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)會根據(jù)測量到的信號發(fā)出相應(yīng)的動作指令給相應(yīng)的機構(gòu)。在故障時，故障報警程序模塊可以自動地完成水泵的停止并發(fā)出相應(yīng)的警報信號。此外，還會調(diào)用半自動化程序，將故障的原因和信息在上位機上顯示。

3 結(jié)語

為了提高對煤礦水泵機組的管理水平和維護水平，對水泵機組進行自動化改造，給出了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)硬件以及軟件設(shè)計思路?？梢詾橄嚓P(guān)技術(shù)改造項目提供指導(dǎo)。