煤礦泵房排水系統(tǒng)集控研究與設(shè)計(jì)

唐志章　陳偉　郭建

摘要：為了有效地預(yù)防和及時(shí)處理各種由地下水引起的突發(fā)事故和自然災(zāi)害，本文研究了基于工業(yè)以太網(wǎng)排水集控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)原理。應(yīng)用結(jié)果表明本系統(tǒng)的實(shí)施實(shí)現(xiàn)了礦井水泵的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營管理、決策指揮的自動(dòng)化、信息化、科學(xué)化。

關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng);水泵集控;自動(dòng)化

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)、經(jīng)營信息的信息量與日俱增，建立智能管理信息系統(tǒng)，是企業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化的必由之路。利用先進(jìn)的信息技術(shù)改造傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，可以實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控檢測信息的集成與發(fā)布、生產(chǎn)信息的集成與可視化、各種管理信息系統(tǒng)的規(guī)范與集成、綜合辦公自動(dòng)化體系;有利于提高礦井的安全生產(chǎn)和現(xiàn)代化管理水平，從而提高企業(yè)的效益和競爭能力。

1網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)可以方便地實(shí)現(xiàn)辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，可使電子商務(wù)與工業(yè)生產(chǎn)控制緊密結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)管控一體化。

立足于信息化大前提，在保證系統(tǒng)的先進(jìn)性、安全性、可靠性的同時(shí)，以工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)為通信平臺(tái)，利用可編程控制器控制并輔以工業(yè)電視圖像監(jiān)視，從而實(shí)現(xiàn)了排水系統(tǒng)的井下及地面遠(yuǎn)程集中監(jiān)測監(jiān)控。

工業(yè)以太網(wǎng)整合了以太網(wǎng)技術(shù)（包括環(huán)型冗余技術(shù)、鏈路聚集技術(shù)等）、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等最為先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能最大限度地保證煤礦數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。其中智能接入分站/網(wǎng)關(guān)和工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)是組建工業(yè)以太網(wǎng)的核心設(shè)備。結(jié)合最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

考慮到數(shù)據(jù)的可靠性和無擁塞傳輸，使用的隔爆交換機(jī)核心采用德國赫斯曼工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，井下主干網(wǎng)絡(luò)傳輸速率適應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)各智能監(jiān)測監(jiān)控分站與主干網(wǎng)的連接為10/100Mbps自適應(yīng)。同時(shí)，提供智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，可使井下原有的各種底層設(shè)備、信息化系統(tǒng)、現(xiàn)場總線等系統(tǒng)方便地接入主干網(wǎng)絡(luò)。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該礦工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)包含地面放置的交換機(jī)和井下放置的交換機(jī)，利用光纖通信，形成以太冗余通信。水泵集中控制系統(tǒng)架設(shè)于環(huán)網(wǎng)上，主要有中央水泵房系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

以工業(yè)以太網(wǎng)為通信平臺(tái)，采用PLC控制主站+PLC控制分站+操作臺(tái)+人機(jī)界面的模式，實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)的采集，處理和傳輸。

水泵集中控制系統(tǒng)可以分為三部分：地面水泵集中控制、井下操作臺(tái)集中控制、就地控制箱就地控制。

地面水泵集中控制時(shí)，操作員在集控室通過工控機(jī)上的操作界面，使單臺(tái)水泵按照預(yù)定的流程啟停。

2.2系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由人機(jī)界面操作平臺(tái)、井下本安型操作臺(tái)、井下本安型就地控制箱、井下防爆控制主站組成。

人機(jī)界面操作平臺(tái)設(shè)置在調(diào)度室，包括5臺(tái)計(jì)算機(jī)和兩臺(tái)服務(wù)器。兩臺(tái)服務(wù)器用于數(shù)據(jù)庫;三臺(tái)上位機(jī)用于設(shè)備監(jiān)控;另外兩臺(tái)用于視頻監(jiān)控，分畫面顯示來自工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)視頻信號(hào)。上位機(jī)監(jiān)控軟件采用IFIX5.8組態(tài)軟件，并根據(jù)現(xiàn)場具體情況進(jìn)行二次開發(fā)，具有友好的人機(jī)操作界面。操作平臺(tái)通過工業(yè)以太網(wǎng)與控制主站通信。

感器信號(hào)通過I/O模塊傳輸至CPU，通過CPU進(jìn)行邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，最終輸出安全準(zhǔn)確的控制信號(hào)。通過編寫CPU內(nèi)部程序，實(shí)現(xiàn)水泵的開?？刂啤１ＷC上位機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)及時(shí)準(zhǔn)確的到達(dá)控制設(shè)備。

3系統(tǒng)控制原理及功能

3.1控制原理

控制主站通過對過程量及現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量采集，經(jīng)過PLC綜合處理后，一方面將控制數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場所控設(shè)備，完成設(shè)備的自動(dòng)啟停;另一方面，通過以太網(wǎng)接口，送到地面集控室。采用操作臺(tái)就地控制方式時(shí)，通過操作臺(tái)自動(dòng)、手動(dòng)、檢修，啟動(dòng)或停止設(shè)備。用操作臺(tái)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制方式時(shí)，控制主站通過工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)接收人機(jī)界面的控制指令，自動(dòng)啟動(dòng)或停止各臺(tái)設(shè)備。采用就地控制箱就地控制方式時(shí)，

3.2系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)具備三種控制方式：第一種地面遠(yuǎn)程方式：集中檢修控制、集中手動(dòng)控制、集中自動(dòng)控制。第二種操作臺(tái)就地方式：檢修控制、手動(dòng)控制、自動(dòng)控制。第三種就地控制箱就地方式：檢修控制。

地面遠(yuǎn)程方式下的集中檢修控制模式，是通過上位機(jī)對水泵的單臺(tái)設(shè)備的控制，該設(shè)備之間沒有閉鎖關(guān)系。集中手動(dòng)控制模式，是通過上位機(jī)對設(shè)備按照流程開啟，設(shè)備之間有閉鎖關(guān)系。集中自動(dòng)模式。是按照水位高低、時(shí)間段來開啟水泵，設(shè)備之間存在閉鎖關(guān)系。

（1）信息采集與處理功能

包括可采集或接入各種開關(guān)量信號(hào)及標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào);系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性，選擇的模塊留有備用容量，可方便的進(jìn)行擴(kuò)展。

1）開關(guān)量輸入

西門子300PLC標(biāo)準(zhǔn)16路開關(guān)量輸入，采集水泵電機(jī)的各種開關(guān)量。

2）開關(guān)量輸出

西門子300PLC標(biāo)準(zhǔn)16路開關(guān)量輸出，經(jīng)西門子CPU邏輯運(yùn)算后，輸出標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)。

（2）保護(hù)功能

包括具有過流、欠壓、失水、超溫、水位高低、流量等多種保護(hù)。保護(hù)功能是通過安裝各類傳感器實(shí)現(xiàn)的。

1）電流傳感器

電流傳感器安裝在水泵電機(jī)的啟動(dòng)開關(guān)內(nèi)，主要用于檢測電機(jī)電流大小，如果發(fā)現(xiàn)電流異常，按照相關(guān)設(shè)置，自動(dòng)停泵。

2）負(fù)壓傳感器

負(fù)壓傳感器安裝在真空管上，當(dāng)負(fù)壓小于設(shè)置的限值時(shí)，此時(shí)電機(jī)可能存在失水現(xiàn)象，按照相關(guān)流程停泵。

（3）通信功能

包括井下水泵控制主控站通過以太網(wǎng)模塊接入井下工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī);通過工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)與地面控制室人機(jī)操作平臺(tái)連接，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息經(jīng)過人機(jī)操作平臺(tái)處理后接入工業(yè)以太網(wǎng)，集成到全礦綜合信息系統(tǒng)。

4應(yīng)用情況

按照前述研究和設(shè)計(jì)分析，通過嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致地編寫PLC控制程序、制作組態(tài)畫面，并將系統(tǒng)軟、硬件建設(shè)付諸工程實(shí)施后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能。該水泵集控系統(tǒng)是石泉煤業(yè)利用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)作為信息傳輸平臺(tái)的第一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)，對“智慧礦山”礦井建設(shè)起到了積極的向?qū)ё饔谩?/p>

5結(jié)束語

本系統(tǒng)進(jìn)行了具體的實(shí)施，提高了煤礦生產(chǎn)安全可靠性，該系統(tǒng)能夠有效地預(yù)防和及時(shí)處理自然災(zāi)害;實(shí)現(xiàn)礦井水泵的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)調(diào)度、經(jīng)營管理、決策指揮的自動(dòng)化、信息化、科學(xué)化。

參考文獻(xiàn)：

[1] ?李世銀，錢建生，孫彥景，李鵬.煤礦工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型研究及應(yīng)用[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版2007，1：45-47.

[2] ?侯昉，沈琪，夏永明.工業(yè)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性分析及其改進(jìn)對策[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī).2007，1：45-47.

（作者單位：山西錦興能源有限責(zé)任公司）