礦井排水系統(tǒng)水泵自動控制系統(tǒng)的設計分析

尤 靜

（晉能控股煤業(yè)集團馬脊梁礦，山西 大同 037027）

引言

煤礦排水系統(tǒng)自動化是全球企業(yè)與煤礦科學研究機構實踐和研究的主要方向，通常是在排水系統(tǒng)自動控制過程中引入繼電控制技術，PLC控制技術和智能控制技術。由于智能化控制與自動化運行的煤礦排水系統(tǒng)全面步入到實踐階段，當前國內部分大型的煤礦公司已完成機械自動化控制排水系統(tǒng)。但是自動化控制排水系統(tǒng)應用時還存在很多問題，如：設備維護困難、單一控制策略和后向保護措施。因此以PLC控制技術為基礎，并對排水系統(tǒng)泵里面的軟件設計與硬件結構展開分析。

1 排水系統(tǒng)的模型

排水系統(tǒng)模型如圖1所示[1]。圖中：H1、H2分別是儲水箱的高水位和低水位。u（k）是泵的決策向量；q（k）是取水量與儲水箱的水位函數(shù)。

2 硬件設計

2.1 硬件的結構

圖1 排水系統(tǒng)模型

圖2 排水自動控制系統(tǒng)結構圖

圖2顯示了排水系統(tǒng)水泵的自動控制系統(tǒng)硬件結構。該系統(tǒng)由以下4塊模塊構成：模擬處理模塊、PLC控制模塊、開關處理模塊、通訊模塊。其中PLC控制模塊是擴展模塊（DI/DU/AI/AU和通訊擴展模塊）與PLC控制器組成。在獲得用于控制泵的參數(shù)之后，應根據(jù)泵啟動和停止的自動控制操作程序打開煤礦排水泵的邏輯控制。在同一時間內，對作業(yè)期間的泵的參數(shù)、系統(tǒng)信息進行總結，同時利用EtherNet端口將其上載至礦井網絡或者高清多媒體端口。電磁閥與電動球閥的控制點、泵電機的啟?？刂泣c，還有警報控制以及控制模式的選擇與泵狀態(tài)都是通過開關處理模塊進行的。

模擬量處理模塊通過取水口的真空度、出水水壓、水箱實時水位還有模擬量獲取信息，例如電機電流、電壓和溫度。在水泵電機運作之后，必須對出水口處的水壓以及進水口真空度展開確認和檢查。水泵作業(yè)期間，通過判斷蓄水箱中的水位對水泵的作業(yè)模式與狀態(tài)進行轉變。排水系統(tǒng)的水泵自移參數(shù)，故障，警報、狀態(tài)和其他內容利用通訊模塊完成數(shù)據(jù)傳送。通過監(jiān)控平臺或者是高清多媒體人機界面上完成顯示與控制，同時把所有的信息傳輸至在排水系統(tǒng)后期用于礦山集中控制的礦山工業(yè)環(huán)網。傳輸信息時，正確性和安全性是首要因素。CRC循環(huán)冗余校驗，奇偶校驗，BCC排他或校驗方法以及漢明碼校驗可用于確保數(shù)據(jù)或DES，AES，RSA，DSA，ECC等非對稱加密算法的正確性。

2.2 保護設計

為進一步提升排水系統(tǒng)水泵的自動控制運作的穩(wěn)定、安全性，同時保障排水系統(tǒng)的持續(xù)有序運轉，設置開關隔離與模擬保護電路，同時在電路設計里面增加EtherNet隔離保護電路設計與抗干擾保護。

圖3展現(xiàn)出光耦隔離屏障實踐在交換隔離中的原理。隔離本安電源充分采用了光電隔離技術以及本安電源技術，輸入信號、輸出信號、開關電源，用來保障信號的穩(wěn)定、安全性[2-3]。

圖4所示為隔離安全柵，工作原理采用在模擬隔離保護中，融合電氣、磁隔離技術以及光學，達成非本安電路與本安電路兩者中實現(xiàn)電源信號的進出阻隔。出現(xiàn)危險電流或是電壓輸入，迅速轉換功能完成，導致所有信號漂浮出來，信號的抗干擾能力被得到極大程度的提升。采用耦合濾波原理的同時，在EtherNet信號隔離里面運網絡隔離變壓器，從而可以可靠地傳輸數(shù)據(jù)信號。另外采用雙絞屏蔽線能夠很好地降低排水系統(tǒng)中通訊線路的信號干擾。屏蔽層用于分隔變壓器的初級與次級，其中隔離板需要與地面接觸，而次級線圈不需要與地面接觸，借此來降低或者解除寄生電容，提升共模的干擾能力。

3 軟件設計

圖3 光耦隔離屏障實踐在交換隔離中的原理

圖4 安全柵的隔離式工作原理

圖5 礦井水泵自動運行控制系統(tǒng)流程圖

用于工作、檢修、備用而設計的排水系統(tǒng)一共有三個泵。儲水箱水位自動控制三個水泵的啟停運作是軟件設計的目的。單個泵電機的自動操作控制過程如圖5所示[4-5]。當儲水箱的水位達到泵上狀態(tài)時，排水系統(tǒng)將滿足泵上條件而不會發(fā)生故障。在啟動泵之前，發(fā)出警告30 s，并發(fā)出“泵電機即將啟動，請注意安全”的安全語音提示。語音提示結束后，打開泵的真空閥和噴射閥。依次將相應的水泵排空，排出水泵當中的氣體，并對水泵腔實施注水操作。通過真空傳感器得到的相關信息，從而準確掌握真空度能否滿足需要。假如，真空度未達到需要，同時延遲時間T1以后未超過預定時間，排氣注入作業(yè)將被重啟；假如延遲的時間T1到指定期限，就會關閉噴射閥。假如真空度達到需求，排水系統(tǒng)會進行電機開啟操作，隨后按順序關閉噴射閥、真空閥。與此同時，必須檢測正在運行的水泵電機出水的水壓。假如水泵電機出水水壓達到出水需要，可以打開出口閘閥排放水量。假如水泵電機的出水水壓無法滿足需求，那么延遲的時間是T2。在T2的時間以內，水泵電機是正在運行當中的，排水系統(tǒng)會在T2時間內發(fā)出聲光警報。

4 方案的特點

1）以PLC的控制技術為基礎，能夠為排水系統(tǒng)的水泵給予自動控制設計。共有遠程和現(xiàn)場控制、手動、半自動以及自動模式等5種控制模式，能夠達到不同場合下排水系統(tǒng)的要求。

2）利用無線通信技術與傳輸控制/互聯(lián)網讓排水系統(tǒng)參數(shù)信息以及作業(yè)情況上載至煤礦工業(yè)環(huán)網上，借此給予后續(xù)煤礦的人性化與智能化數(shù)據(jù)支撐。

3）排水系統(tǒng)硬件結構得到有效的維護可以降低電氣部件出現(xiàn)故障的概率，提升排水系統(tǒng)的工作效能。

5 試驗效果

根據(jù)以上設計，馬脊煤礦排水系統(tǒng)進行了自動升級，取得了良好的效果，達到了預期的設計目標：

1）排水系統(tǒng)中水泵的控制方法很多，包括：“泵定時”控制、“避免峰谷”控制、“泵旋轉”控制、“高低水位”控制。

2）加強排水系統(tǒng)的保護措施，降低部件的損壞率，降低電氣故障并保障排水系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、持續(xù)、安全的運作。

3）設施維修簡單，部件故障的處理方法簡便，運作的工作效率得到很大的提升。改進以后的排水系統(tǒng)能夠降低工人作業(yè)強度，滿足排水系統(tǒng)自移。在排水系統(tǒng)出現(xiàn)故障期間，能夠利用監(jiān)測平臺實施檢查，同時依照故障指示完成排查消除故障工作。