礦井主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

左彩彪

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

引言

目前，礦井主排水泵的自動(dòng)化程度不高，導(dǎo)致其安全可靠性較低，許多研究人員針對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)方面的探索。李霞等[1]研究了一種新型水泵聯(lián)動(dòng)閥門(mén)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、設(shè)計(jì)巧妙，通過(guò)程序可調(diào)節(jié)控制克服了礦井主排水泵自動(dòng)化程度低的不足，對(duì)煤礦井下排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和安全運(yùn)行作出進(jìn)一步努力。劉國(guó)香[2]提出一種基于PLC、在合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行程序編寫(xiě)進(jìn)行井下排水系統(tǒng)的控制；在此過(guò)程中，水泵如何進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)水泵的計(jì)算方法也已給出。本文中基于PLC 系統(tǒng)來(lái)對(duì)以往自動(dòng)化程度較低的礦井主排水泵進(jìn)行優(yōu)化，使改進(jìn)后的排水系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)有效地控制水倉(cāng)水位、涌水速率、供電區(qū)間。

1 控制系統(tǒng)具備功能

1）控制功能。礦井主排水泵采取3 種控制模式，即手動(dòng)、半自動(dòng)及自動(dòng)。手動(dòng)控制即通過(guò)人工實(shí)時(shí)操控滿(mǎn)足設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，半自動(dòng)控制需人工提前設(shè)定各種運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)控制則通過(guò)自主檢測(cè)完全按照程序執(zhí)行。本文設(shè)計(jì)目標(biāo)為自動(dòng)排水。

2）遠(yuǎn)程通信及監(jiān)控功能。井下系統(tǒng)與地上控制中心的上位機(jī)通過(guò)信號(hào)傳輸?shù)妊b置連接傳輸井下監(jiān)測(cè)的信號(hào)，地上人員可發(fā)送指令遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)。

3）故障診斷功能。各種傳感器對(duì)系統(tǒng)中的電流、電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)收集并通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行判斷是否存在故障行為，一旦系統(tǒng)中有異常參數(shù)存在，立即進(jìn)行報(bào)警程序并做出相應(yīng)的指令，避免出現(xiàn)危害人身安全的危險(xiǎn)事故。

4）參數(shù)監(jiān)控功能。將傳感器所采集的參數(shù)通過(guò)一系列運(yùn)算處理反饋到圖形用戶(hù)界面，對(duì)軸承溫度、排水流量、管道壓力等相關(guān)信息進(jìn)行顯示。

2 控制系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)

2.1 基于PLC 的主排水系統(tǒng)

礦井主排水泵控制系統(tǒng)在PLC 控制器基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)，主要有五種功能，分別為監(jiān)控、邏輯處理、數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、CPU 處理。系統(tǒng)采用分布式集中控制，自上而下分為三層：地面監(jiān)視設(shè)備層、通信和邏輯層、地下設(shè)備層。

地面監(jiān)控層由三部分構(gòu)成，分別為工控機(jī)、監(jiān)控組態(tài)軟件和電視系統(tǒng)。工控機(jī)通過(guò)信號(hào)傳輸裝備與監(jiān)視電視系統(tǒng)進(jìn)行連接，信號(hào)傳輸后，監(jiān)控組態(tài)軟件對(duì)井下主排水泵的信號(hào)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)，井上人員通過(guò)監(jiān)視電視系統(tǒng)進(jìn)行觀(guān)測(cè)和判斷。通信和邏輯層對(duì)收集傳輸和監(jiān)控組態(tài)軟件存儲(chǔ)的信號(hào)進(jìn)行處理判斷，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得知水位的情況，從而對(duì)設(shè)備的下一步做出指示。通信和邏輯層是主排水系統(tǒng)的核心。地下設(shè)備層包括電機(jī)、管道、閥門(mén)等。為了實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)控制，需對(duì)其加裝傳感器來(lái)控制閥門(mén)，同時(shí)真空泵的使用也增加了主排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性，更好地滿(mǎn)足水泵的自動(dòng)啟停。

2.2 檢測(cè)單元

礦井主排水泵系統(tǒng)的檢測(cè)元件的選取按照其實(shí)際要求來(lái)進(jìn)行考慮。在主排水泵工作中，水位監(jiān)測(cè)、泵的溫度監(jiān)測(cè)、水泵壓力監(jiān)測(cè)和排水管路流量監(jiān)測(cè)是必不可少的。選用超聲波傳感器來(lái)進(jìn)行水位的監(jiān)測(cè)，超聲波從傳感器探頭中發(fā)射出來(lái)，不同的超聲波數(shù)據(jù)在空氣中具有不同的傳播差，當(dāng)探頭接收到反射回波后可根據(jù)接收信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算出水倉(cāng)的水位。將兩個(gè)超聲波傳感器分別安裝在兩個(gè)水箱中，時(shí)刻監(jiān)測(cè)水箱中的水位，一旦水位超出預(yù)定值，傳感器就會(huì)把信息及時(shí)傳遞給處理器，發(fā)出警告并執(zhí)行相應(yīng)的操作。壓力傳感器用來(lái)測(cè)量水管中的壓力，通過(guò)換算可以得出流速，流量等信息，水壓通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)再通過(guò)信號(hào)傳輸設(shè)備發(fā)送到PLC 控制器，控制器對(duì)其分析判斷電動(dòng)閥門(mén)的啟停。

2.3 控制系統(tǒng)

本文主要針對(duì)排水泵的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)作為排水作業(yè)的核心，主要具有設(shè)備故障報(bào)警、設(shè)備狀態(tài)顯示、智能化控制等功能。傳感器采集的水倉(cāng)水位、流速、流量、關(guān)鍵部件溫度等參數(shù)傳輸給PLC 控制器，該控制器會(huì)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷并做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)3 臺(tái)排水泵的自動(dòng)控制。控制中心的上位機(jī)可對(duì)水倉(cāng)水位、電機(jī)溫度、排水管壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，動(dòng)態(tài)顯示部分還可對(duì)此時(shí)的狀況細(xì)節(jié)進(jìn)行保存以便事后分析，并進(jìn)行報(bào)警，引起相關(guān)人員注意。

圖1 是水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的詳細(xì)配置圖。PLC 主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和運(yùn)算，并對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行判斷，再向外發(fā)送指令。礦井下方設(shè)備分布不集中，使用遠(yuǎn)程輸入/ 輸出模式。本設(shè)計(jì)選擇Siemens 的ET200M 當(dāng)做遠(yuǎn)程處理核心，中央處理器選擇CPU315-2DP。使用傳感器完成設(shè)備參數(shù)的采集，包括但不限于合閘狀態(tài)、球閥位置、流速流量等。參控模擬量數(shù)據(jù)通過(guò)模擬量輸入模塊傳輸。數(shù)字量輸出模塊輸出PLC 指令。在具體的使用過(guò)程中，運(yùn)用RS-232 和R-5485 這兩個(gè)模塊完成交互。

圖1 水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)配置圖

3 程序設(shè)計(jì)

3.1 PLC 軟件設(shè)計(jì)

STEP7 是一種常用的PLC 程序編譯工具，其具有功能強(qiáng)大、邏輯清晰、使用廣泛的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)就是使用該工具進(jìn)行編譯的。按照設(shè)計(jì)預(yù)期，本程序需要具有備選功能和自動(dòng)切除功能，系統(tǒng)中的3 臺(tái)水泵需要能夠使用任一備選機(jī)組，與此同時(shí)，在水泵閑置時(shí)，可以選擇下一次進(jìn)行作業(yè)的水泵，當(dāng)正在作業(yè)的水泵遇到緊急故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即啟用備用水泵，同時(shí)把故障水泵斷電；人工模式功能，系統(tǒng)提供人機(jī)交互界面，可以切換到人工模式，對(duì)于較復(fù)雜的工作狀況進(jìn)行手動(dòng)控制；順位工作功能，系統(tǒng)內(nèi)可以預(yù)設(shè)電機(jī)的工作時(shí)間間隔以實(shí)現(xiàn)多個(gè)電機(jī)的順位工作，達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的；實(shí)時(shí)水位顯示功能，通過(guò)傳感器采集水位參數(shù)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在顯示屏上，當(dāng)水位高于設(shè)定水位時(shí)，可觸發(fā)報(bào)警功能；智能控制功能，系統(tǒng)可以切換到智能控制模式，這時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)工作，動(dòng)態(tài)維持工作水位，確保水位始終處于預(yù)設(shè)的區(qū)間內(nèi)。圖2 是控制系統(tǒng)的具體的流程圖。

圖2 系統(tǒng)自動(dòng)控制程序流程圖

首先需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行一系列的檢測(cè)，若是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)切換到人工模式，進(jìn)行人工操作；當(dāng)問(wèn)題被解決后，檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)任何異常后方可切換到智能控制模式。電源開(kāi)啟后，首先會(huì)接通電源柜，工控機(jī)開(kāi)機(jī)，運(yùn)行控制程序，完成自我檢測(cè)，等待下一步指令。操作人員通過(guò)人機(jī)交互界面清楚地看到系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及工作模式，當(dāng)系統(tǒng)處于智能控制模式時(shí)，根據(jù)預(yù)設(shè)程序自動(dòng)完成一系列工作，一旦發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)切斷故障部位的供電；在人工模式時(shí)，程序不參與工作，主要通過(guò)機(jī)械過(guò)程完成運(yùn)作。

3.2 系統(tǒng)傳感器

在本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中，為了能夠?qū)崟r(shí)地把握各個(gè)設(shè)備的具體工作狀況，用到了較多的傳感器。其中本系統(tǒng)中的全局傳感器為超聲波液位儀，為了保證精度和可靠性，使用了兩個(gè)超聲波液位儀對(duì)全局的信號(hào)進(jìn)行采集。本系統(tǒng)中的局部傳感器有多個(gè)，他們是通過(guò)不斷地自我診斷、自我檢測(cè)，通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間尺度范圍內(nèi)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，繪制時(shí)間曲線(xiàn)來(lái)判斷系統(tǒng)參數(shù)是否正常，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

4 應(yīng)用效果分析

本文提出的基于PLC 編程的礦井排水泵智能控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)井下實(shí)際測(cè)試，能夠勝任井下排水作業(yè)，保障煤炭開(kāi)采，而且本系統(tǒng)智能控制模式功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單，及時(shí)地反饋可以保證其能夠應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，在工況單一的時(shí)候可以使用智能控制模式，它能夠穩(wěn)定的維持運(yùn)行，只需派人定期檢查維護(hù)即可，大大降低了人工成本；人工模式可以應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜多變的工況，大大增加了本系統(tǒng)的適用范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

PLC 控制器的礦井主排水泵智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可以通過(guò)人機(jī)交互界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，根據(jù)具體的工況以及其他外界影響因素來(lái)更大自由度地實(shí)現(xiàn)礦井水泵的工作時(shí)間的調(diào)整，以達(dá)到人性化、智能化、高效化的目的。同時(shí)系統(tǒng)可以連接局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸或者進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，盡最大限度地保證人員安全，工作高效開(kāi)展。