煤礦排水系統(tǒng)監(jiān)控平臺優(yōu)化設(shè)計及其試驗(yàn)

閻劍俊

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

引言

隨著智能控制技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及通信技術(shù)的不斷發(fā)展，礦區(qū)排水系統(tǒng)的自動化、智能化、信息化的需求越來越高，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)排水系統(tǒng)的少人化、無人化成為必然發(fā)展趨勢?，F(xiàn)有排水系統(tǒng)監(jiān)控平臺存在的問題主要有實(shí)時性差、參數(shù)顯示不全、控制方式不靈活[1-2]。針對上述問題，提出排水系統(tǒng)監(jiān)控平臺優(yōu)化方案并完成試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 監(jiān)控平臺總體方案

煤礦排水系統(tǒng)監(jiān)控平臺優(yōu)化總體設(shè)計如圖1 所示，PLC 主控制器與監(jiān)控平臺之間以CAN 通信方式完成數(shù)據(jù)的交互。監(jiān)控平臺由監(jiān)測類數(shù)據(jù)和控制類數(shù)據(jù)兩個模塊組成。監(jiān)測類數(shù)據(jù)模塊主要完成排水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時顯示，主要顯示的數(shù)據(jù)類別有傳感器類數(shù)據(jù)，如監(jiān)測水倉水位的超聲波液位傳感器、電機(jī)溫度傳感器、出水口壓力傳感器，水泵電機(jī)真空度傳感器以及監(jiān)測電機(jī)電流電壓的傳感器等。顯示的指示燈類數(shù)據(jù)有水泵電機(jī)運(yùn)行/停止指示燈、故障指示燈、報警指示燈等；顯示的故障類數(shù)據(jù)主要有傳感器故障、水泵故障、閘閥故障等；顯示的報警類數(shù)據(jù)主要有傳感器限位報警、電機(jī)電流異常警、電機(jī)電壓異常報警以及電機(jī)溫度異常報警等；顯示參數(shù)類數(shù)據(jù)主要有系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流、水泵運(yùn)行狀態(tài)、出水口狀態(tài)、故障狀態(tài)、水泵溫度等；顯示的輸入/輸出數(shù)據(jù)主要是PLC 控制器數(shù)字量輸入/輸出點(diǎn)，如水泵啟動/停止、真空度閘閥開啟/關(guān)閉、射流閥開啟/關(guān)閉、出水口閘閥開啟/關(guān)閉等；顯示的模擬量數(shù)據(jù)主要有溫度傳感器采集到的模擬量、壓力傳感器采集到的模擬量、真空度傳感器采集到的模擬量以及超聲波液位傳感器采集到的模擬量等。另外，在監(jiān)控平臺還將顯示排水系統(tǒng)中的排水管路狀態(tài)、水泵工作狀態(tài)以及射流泵工作狀態(tài)等?？刂祁悢?shù)據(jù)主要包括控制模式選擇、一鍵啟動、一鍵停止、急停、排水管路控制、水泵啟?？刂啤⑸淞鞅脝⑼？刂?、電動閘閥控制等。

圖1 監(jiān)控平臺總體設(shè)計框圖

2 監(jiān)控平臺方案實(shí)現(xiàn)

2.1 CAN 總線通信設(shè)計

PLC 控制器與排水系統(tǒng)監(jiān)控平臺之間以CAN 通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和控制指令的傳送。在該CAN 通信協(xié)議總，采用CAN2.0 A 協(xié)議，設(shè)置通信波特率為250 kbit/s，幀格式為標(biāo)準(zhǔn)幀格式[3-4]，監(jiān)控平臺的節(jié)點(diǎn)號為16 號78。PLC 控制器與監(jiān)控平臺的CAN 通信協(xié)議格式定義見表1。

表1 PLC 控制器與監(jiān)控平臺CAN 通信協(xié)議格式定義

表1、表2 詳細(xì)給出了優(yōu)化后排水系統(tǒng)中PLC 控制器與監(jiān)控平臺CAN 通信協(xié)議的具體格式定義，Cob_id 為0x278、0x378、0x478、0x578、0x678、0x679 為PLC 發(fā)送給監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)信息，用于在監(jiān)控平臺上顯示。Cob_id 為0x1F8、0x2F8 為監(jiān)控平臺發(fā)送給PLC控制器的控制信息，用于遠(yuǎn)程控制排水系統(tǒng)的運(yùn)行。

通過監(jiān)控平臺，可以對排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，可以實(shí)現(xiàn)一鍵啟動、一鍵停止以及急停功能，還可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)1 號、2 號以及3 號水泵的啟動、停止，以及對應(yīng)的射流泵的啟動、停止控制，對應(yīng)電動閘閥的開啟、關(guān)閉控制，如表2 所示。

表2 控制/工作模式

2.2 監(jiān)控平臺設(shè)計

優(yōu)化后的煤礦排水系統(tǒng)監(jiān)控平臺一共分為6 個畫面，即主畫面、傳感器數(shù)據(jù)畫面、系統(tǒng)設(shè)置畫面、控制畫面、故障報警畫面以及歷史查詢畫面。上頁圖1所示為排水系統(tǒng)監(jiān)控平臺的主畫面，在該畫面中顯示1 號、2 號以及3 號水泵的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、水泵溫度、出水口壓力、閘閥狀態(tài)以及閘閥開度信息，另外還顯示水倉實(shí)時水位[5-7]。在主畫面可以任意切換至其他5 個畫面，方法為點(diǎn)擊主畫面下方的“傳感器數(shù)據(jù)”“系統(tǒng)設(shè)置”“控制畫面”“故障報警”“歷史查詢”可切換至對應(yīng)畫面。

圖2 為排水系統(tǒng)監(jiān)控平臺的控制畫面，即通過該監(jiān)控平臺可以實(shí)現(xiàn)對1 號、2 號以及3 號水泵的遠(yuǎn)程控制。在進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時，需要選擇控制模式（遠(yuǎn)程、就地）、工作模式（手動、自動、遠(yuǎn)程、集中），如圖選擇控制模式為“遠(yuǎn)程”，選擇工作模式為“遠(yuǎn)程”，即可實(shí)現(xiàn)對排水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動控制[8]。另外，在控制畫面中還可以實(shí)現(xiàn)對排水系統(tǒng)的一鍵啟動、一鍵停止以及急停操作。在控制畫面中，還實(shí)時顯示1 號、2 號以及3 號水泵的運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)，以便操作人員及時了解和掌握水泵的運(yùn)行情況。

圖2 煤礦排水系統(tǒng)監(jiān)控畫面-主畫面

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計后的煤礦排水系統(tǒng)監(jiān)控平臺的實(shí)用性和有效性，按照下述方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1.1 手動工作模式

將水泵工作模式的旋鈕旋至“手動”工作模式，分別對1 號、2 號以及3 號水泵進(jìn)行如下步驟操作（以1號水泵為例，2 號以及3 號水泵的手動工作模式操作步驟一致）：打開配水閥門，確保與水倉連通；抽真空：打開射流閘閥和射流球閥或開啟真空泵，打開真空閥門和真空球閥；將水泵腔體注滿水；啟動1 號水泵；延時時間后打開出水閥門，并檢測出水口壓力、流量、電機(jī)電流、電機(jī)電壓以及電機(jī)溫度；停止1 號水泵前操作：關(guān)閉射流閘閥和射流球閥或關(guān)閉真空閥門和真空球閥；關(guān)閉1 號水泵的出水閥門；停止水泵。

3.1.2 自動工作模式

將水泵工作模式的旋鈕旋至“自動”工作模式，按照如下步驟對1 號、2 號以及3 號水泵進(jìn)行控制：正確選擇出水閥門、配水閥門；抽真空；按下“啟動”按鈕，按照自動工作模式流程啟動水泵；延時時間T；按下“停止”按鈕，按照自動工作模式流程停止水泵。

3.1.3 遠(yuǎn)程工作模式

將水泵工作模式的旋鈕旋至“遠(yuǎn)程”工作模式，即在監(jiān)控平臺實(shí)現(xiàn)對1 號、2 號以及3 號水泵的啟停智能控制。在監(jiān)控平臺按下“一鍵啟動”后，優(yōu)化后的排水系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前水倉水位、涌水量、用電峰段谷段等因素對1 號、2 號以及3 號水泵進(jìn)行啟停控制，按照“避峰就谷”策略智能控制流程對水倉水位進(jìn)行排水。在遠(yuǎn)程模式中還可以實(shí)現(xiàn)“一鍵停止”以及緊急情況下的“急?！辈僮?。

3.1.4 集中工作模式

將水泵工作模式的旋鈕旋至“集中”工作模式，即在煤礦井下的集中控制平臺實(shí)現(xiàn)對1 號、2 號以及3號水泵的啟停智能控制。與遠(yuǎn)程工作模式相比，集中工作模式僅僅是控制位置發(fā)生了變化。集中控制模式的邏輯處理流程、智能控制過程與遠(yuǎn)程工作模式一致。

3.2 驗(yàn)證效果

按照設(shè)計的試驗(yàn)方案分別完成排水系統(tǒng)的手動、自動、遠(yuǎn)程以及集中控制模式，上述四種控制模式都能較好地完成煤礦井下排水任務(wù)，其中手動控制勞動強(qiáng)度大，長時間實(shí)現(xiàn)“避峰就谷”排水存在困難；自動、遠(yuǎn)程以及集中控制模式勞動強(qiáng)度低，控制精度高，能夠按照節(jié)能降耗思想實(shí)現(xiàn)“避峰就谷”排水，實(shí)現(xiàn)煤礦井下排水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、節(jié)能運(yùn)行。

4 結(jié)語

1）給出優(yōu)化后的煤礦排水系統(tǒng)監(jiān)控平臺總體設(shè)計方案，以倍?？刂破鳛楹诵腃PU，通過CAN 總線通信將1 號、2 號、3 號水泵的運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)信息、故障信息等上傳至監(jiān)控平臺，同時可將監(jiān)控平臺的控制指令下發(fā)至水泵。

2）給出優(yōu)化后的煤礦排水系統(tǒng)監(jiān)控平臺具體實(shí)現(xiàn)，如CAN 總線通信設(shè)計、監(jiān)控平臺畫面設(shè)計等。

3）完成優(yōu)化后的煤礦排水系統(tǒng)監(jiān)控平臺試驗(yàn)驗(yàn)證。