礦井水泵機組的自動化改造設(shè)計

劉 森

（山西潞安集團公司古城煤礦，山西長治 046000）

0 引言

煤礦生產(chǎn)中所運用的關(guān)鍵大型設(shè)備為井下主排水泵，其主要功能就是將井下涌水進行清除，為煤礦打造一個良好的生產(chǎn)環(huán)境。一部分煤礦的排水泵系統(tǒng)未進行有效地改善，較難進行合理地管理。其主要問題有以下幾點：對于水平不等的排水泵房，安排專人來進行值班，水泵的工作人員多是泵房司機，具備較大的人員數(shù)量及勞動強度；設(shè)備出現(xiàn)運作故障時，人員僅僅依靠自身的經(jīng)驗來區(qū)分故障的類型，未有效的處理故障，不具備較大的可靠性[1]；對于水泵機組的運作狀態(tài)，礦井地面的指揮中心無法及時的掌握，不能對故障進行有效控制，因此需要實施相應(yīng)的改進。

1 排水泵自動化改善功能的要求

1.1 系統(tǒng)的功能

1.1.1 操作控制

操作控制包括：處于狀況緊急或者設(shè)備維護的時候，工程師應(yīng)當通過相關(guān)的儀器及指標來控制閘閥、球閥及供電體系；通過用戶端來控制水泵運作的相關(guān)參數(shù)；對水泵機組實施遠程的控制，以及對其運作狀況進行監(jiān)控，對水泵的運作參數(shù)設(shè)定有效的儲存功能；在運作過，程中可以進行自動化的運作，可以根據(jù)相關(guān)信息對水泵的運作狀態(tài)進行適當?shù)恼{(diào)整[2]。

1.1.2 報警展示

在運作過程中，可以將水泵控制系統(tǒng)的相關(guān)信息進行實時顯示，如電壓、水倉水位等。另外，系統(tǒng)還具備了判斷及處理故障的能力，當系統(tǒng)產(chǎn)生問題后，用戶端可以做出報警，同時反映出故障類型，并做出針對性的處理，如停止運作等。

1.1.3 語音通信

系統(tǒng)應(yīng)當具備相應(yīng)的視頻及語言通信能力，當出現(xiàn)緊急故障時，可以和指揮中心進行直接溝通，從而減少因故障所造成的損失。該系統(tǒng)可以具備多種相關(guān)權(quán)限，在運作時可以展示出設(shè)備的相關(guān)功能，如運作狀態(tài)及時間、檢修的日期等[3]。

1.2 系統(tǒng)設(shè)施的要求

系統(tǒng)可以用作井下的控制設(shè)施、電源的防護和外殼的構(gòu)造，應(yīng)當與井下環(huán)境的相關(guān)要求相符合，具備一定的標志。因此，應(yīng)當設(shè)計出有效規(guī)范的外殼構(gòu)造，將電子部件的散熱問題加以解決[4]。

2 排水泵自動化系統(tǒng)的完善設(shè)計

2.1 硬件的設(shè)計

2.1.1 整體框架

為了使水泵自動監(jiān)控的功能得以實現(xiàn)，對系統(tǒng)的構(gòu)造進行設(shè)計。整個系統(tǒng)主要包含4層：現(xiàn)場層、診斷層、監(jiān)控層及遠程處理層。詳細結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要通過各個層次的作用來幫助水泵實現(xiàn)自動化運作。各層構(gòu)造間可以進行互通，傳遞相關(guān)的控制信號，從而使水泵實現(xiàn)自動的運作控制[5]。

圖1 子系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1.2 現(xiàn)場層

該層主要任務(wù)是對水泵機組進行有效的控制及信號的采集。運用相關(guān)型號的從站，同時設(shè)置數(shù)字量的輸入及輸出板塊，配置模擬量的輸入板塊，通過具備通訊能力的監(jiān)控設(shè)備來將主站的資源加以減少。由于未控制水泵機組的溫度，也不需要對有DP總線接口的相關(guān)單元制定相應(yīng)的通信程序。為了有效地防止DP網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生故障，應(yīng)當在該網(wǎng)絡(luò)的最后單元上添加保護電阻。工業(yè)平板電腦可以運用相應(yīng)的設(shè)備來收集該機組的震動信號，同時進行預先處理，通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)來向診斷中心傳遞相關(guān)數(shù)據(jù)[6]。

2.1.3 監(jiān)控層

該層主要任務(wù)是監(jiān)視變電所的水泵及供電的集控柜的運作狀態(tài)，它的組成主要為信息采集體系及DP總線的PLC。作為主控制器，PLC具備處理、控制邏輯及處理簡單數(shù)據(jù)的功能，同時通過相關(guān)設(shè)備實施通訊，觸摸屏具備較好的人機界面，能夠有效的管理及控制水泵機組。系統(tǒng)下位機硬件的構(gòu)成元件主要包含有觸摸屏、模擬量等。系統(tǒng)的關(guān)鍵部位就是PLC，具備較高的可靠性[7]。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵程序構(gòu)造圖如圖2所示，主要包括了集控柜及就地箱的PLC軟件程序、上位機及平板電腦的軟件程序。PLC的關(guān)鍵特征就是對于強、弱電具備較強的適應(yīng)能力，具備較強的抗干擾能力，但不具備較高的運算能力。因此，必須具備上位機，其主要任務(wù)是將所收集的信號進行有效正確的整理及分析，同時發(fā)出相應(yīng)的訊號，從而使PLC得到更好的運用。平板電腦所具備的優(yōu)勢就是具備較高的集成度、較強的人機對話能力，使人機交互的目的得以迅速實現(xiàn)，最關(guān)鍵的特征就是進行手動控制。

圖2 系統(tǒng)軟件框架圖

編寫程序的措施。水泵機組自動監(jiān)控體系所運用的為ET200的DP從站，其與PLC具有一致性，其控制工作均是由主站來實現(xiàn)。由于PLC所運用的為西門子300系列，因此在對其進行程序編寫時可以采取STEP7。

主程序的流程。為了使系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到控制，在編寫程序時應(yīng)當確保程序模塊的獨立性。其運作的整體流程為，PLC初變量經(jīng)過運用相關(guān)設(shè)備，當進入到主循環(huán)時來對條件進行判斷，根據(jù)輸入的參數(shù)來明確PLC的運作板塊；當一個循環(huán)結(jié)束之后，PLC可以對其進行掃描，同時加以更新，進入下一個的循環(huán)。

上位機的通信單元。主要作用是促使PLC和上位機間實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，同時將收集到的數(shù)據(jù)及相關(guān)指令傳輸至電腦端。

就地控制的部分。主要作用是將水泵的開啟及停止進行有效的控制。

半自動控制的部分。主要內(nèi)容是促使水泵完成半自動化控制，通過相應(yīng)的器件來發(fā)出相應(yīng)指令，同時控制水泵的啟動及停止。

自動控制的部分。主要任務(wù)是實現(xiàn)水泵機組的自動化控制，在接收到相應(yīng)的指令后，系統(tǒng)會基于水位上升速度及水倉水位，對水泵的運作臺數(shù)加以判斷、對水泵抽真空、啟動及停止進行控制、對水閥門的開啟與關(guān)閉進行控制。

模擬量采集程序單元。主要的功能是將收集所得的壓力、溫度等相關(guān)參數(shù)進行處理，同時將其轉(zhuǎn)變成為相關(guān)的數(shù)字信號。對突發(fā)狀況進行處理的單元所具有的作用為基于相關(guān)參數(shù)來處理水泵機組的運行故障，同時發(fā)出相應(yīng)的控制指令，對其動作進行控制。

綜保通信的部分。主要任務(wù)是將所采集的參數(shù)傳輸給相對應(yīng)的控制單元。觸摸屏通信單元的主要工作就是與PLC實現(xiàn)彼此的數(shù)據(jù)交換，主要是經(jīng)過PLC和MPI來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換[8]。

故障報警的部分。當水泵機組產(chǎn)生相應(yīng)的問題時，系統(tǒng)會根據(jù)所檢測到的信號為相應(yīng)機構(gòu)做出相應(yīng)的操作指令。在產(chǎn)生故障時，故障警報板塊可以自動化停止水泵的運作狀態(tài)，同時發(fā)出警報。另外，還可以使用半自動化程序，在上位機上顯示產(chǎn)生故障的原因及相關(guān)信息。

3 結(jié)束語

本文為了使水泵機組的管理水平得以提升，對水泵機組實施自動化改造，設(shè)計出系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖、軟硬件的設(shè)計思路?？蔀槠浼夹g(shù)的改善提供有效的指導。