耿寬寬

(山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012)

中央泵房在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)

耿寬寬

(山西省自動(dòng)化研究所，山西 太原 030012)

針對(duì)東明煤礦井下主排水系統(tǒng)狀況，提出了水泵在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用西門(mén)子PLC控制器和上位機(jī)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)模塊，應(yīng)用于煤礦中央排水系統(tǒng)，使中央泵房實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、無(wú)人值守，提高了礦井排水系統(tǒng)的工作效率和安全性。

中央泵房；自動(dòng)控制；PLC；上位機(jī)

東明礦實(shí)施排水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制改造的必要性：

近年以來(lái)，隨著東明礦井的開(kāi)拓以及新采區(qū)的擴(kuò)展，排水的管理問(wèn)題愈發(fā)的突出：

1) 水泵和排水倉(cāng)均采用專(zhuān)人負(fù)責(zé)，勞動(dòng)力占有量較大；

2) 水泵的啟動(dòng)和停止采用人工控制，設(shè)備的狀態(tài)是否完好、工作時(shí)間統(tǒng)計(jì)是否準(zhǔn)確、水位變化數(shù)據(jù)是否能及時(shí)反饋，成為解決問(wèn)題的難點(diǎn)；

3) 設(shè)備檢修、故障判斷等需要人工巡檢和依靠經(jīng)驗(yàn)判斷，對(duì)維修人員的技術(shù)水平要求較高；

4) 礦井中設(shè)計(jì)排水量和存水量的一些歷史數(shù)據(jù)需要人工統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可靠性差；

5) 實(shí)現(xiàn)水倉(cāng)無(wú)人職守不僅是建設(shè)數(shù)字化礦井的需要也是提高礦井安全性的重要措施之一。

1 系統(tǒng)的組成及總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分四大部分[1]：

1) 自動(dòng)控制部分：是整個(gè)無(wú)人值守在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，所謂自動(dòng)控制就是要在無(wú)人值守的情況下對(duì)整個(gè)泵房排水系統(tǒng)中傳感器設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，并對(duì)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)反饋給PLC的CPU，經(jīng)過(guò)CPU自動(dòng)分析以后，排水設(shè)備實(shí)行自動(dòng)的控制，保證在無(wú)人值守的情況下安全可靠的正常運(yùn)行。自動(dòng)控制部分由傳感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC控制柜和電動(dòng)閥門(mén)構(gòu)成。

2) 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部分：無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)主要是為采集到的數(shù)據(jù)與自動(dòng)控制中心建立可靠的傳輸數(shù)據(jù)的通道，不僅要求整個(gè)鏈路能夠接通，而且要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t和阻塞都會(huì)影響整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行，因此好的數(shù)據(jù)回路也是整個(gè)控制系統(tǒng)必不可少的部分。

3) 遠(yuǎn)程監(jiān)控站部分：主要由上位機(jī)控制界面以及上位機(jī)控制軟件組成，可以通過(guò)觀(guān)察上位機(jī)界面來(lái)實(shí)時(shí)了解水位和設(shè)備運(yùn)行情況，并能通過(guò)軟件控制設(shè)備的運(yùn)行。遠(yuǎn)程監(jiān)控部分還能夠自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)設(shè)備的過(guò)載保護(hù)，以及對(duì)整個(gè)排水工藝中的參數(shù)和設(shè)備故障情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4) 視頻監(jiān)控部分：這部分主要由監(jiān)控?cái)z像頭和傳輸線(xiàn)路組成，主要完成現(xiàn)場(chǎng)情況的實(shí)時(shí)采集，將設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)情況通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路部分傳回監(jiān)控中心，使得工作人員即使不在現(xiàn)場(chǎng)也能觀(guān)察設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)狀況，減少現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守時(shí)的安全隱患。

2 基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控

中央泵房在線(xiàn)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)采用兩對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋。東明礦區(qū)一年的溫度范圍為-35 ℃～+35 ℃，工作環(huán)境比較惡劣，對(duì)設(shè)備的要求也比較高，無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)IP封裝等級(jí)必須達(dá)到IP67以上。

本系統(tǒng)采用奧維通11M/2.4 GHz N點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋設(shè)備組建無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)。在礦井口架設(shè)一臺(tái)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的中心基站AU-DS.11作為中繼點(diǎn)，中心基站通過(guò)功分器外接定向天線(xiàn)的方式與井底PLC數(shù)據(jù)點(diǎn)和辦公大樓建立通信，將接收回的PLC數(shù)據(jù)傳送到辦公大樓數(shù)據(jù)檢測(cè)端，以便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；在井底PLC和辦公大樓分別安裝1臺(tái)11M客戶(hù)端網(wǎng)橋SU-DS.11D，井底SU通過(guò)定向天線(xiàn)與中心基站通信，接收來(lái)自井底的PLC數(shù)據(jù)；辦公大樓SU通過(guò)定向天線(xiàn)中心基站通信，接收傳回的PLC數(shù)據(jù)，這樣就形成了從采集數(shù)據(jù)到傳輸數(shù)據(jù)再到接收數(shù)據(jù)的一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)通信回路[2]。

3 雙冗余PLC配置

由于礦井排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)安全性的要求比較高，本系統(tǒng)采用PLC冗余方案。這就需要兩個(gè)支持冗余系統(tǒng)的CPU模塊。完成PLC硬件配置并將編寫(xiě)好的PLC程序下載到主機(jī)后，系統(tǒng)自動(dòng)備份給從機(jī)，兩臺(tái)CPU互為熱備，兩臺(tái)CPU互相監(jiān)視彼此的運(yùn)行通訊情況，當(dāng)一個(gè)CPU與組態(tài)軟件出現(xiàn)通信故障或者硬件本身出現(xiàn)故障時(shí)，立即做出反應(yīng)，通過(guò)局域網(wǎng)傳送給上位機(jī)，并在監(jiān)控界面顯示報(bào)警，系統(tǒng)切換到熱備的CPU上，切換時(shí)間<50 ms，快速的切換不僅保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性還確保不會(huì)因系統(tǒng)故障而丟失數(shù)據(jù),保證了系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性。實(shí)踐證明，此CPU的冗余控制滿(mǎn)足東明礦排水要求，提高了系統(tǒng)的可靠性[3]。雙冗余系統(tǒng)控制流程框圖如圖1。

圖1 雙冗余系統(tǒng)控制流程框圖

4 PLC程序設(shè)計(jì)

排水倉(cāng)內(nèi)安裝液位傳感器，要求每臺(tái)水泵電機(jī)都能夠單獨(dú)啟停，且能在水位達(dá)到上限位時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟水泵電機(jī)，水位下限位時(shí)水泵電機(jī)自動(dòng)停止。本系統(tǒng)還考慮到供電部門(mén)對(duì)不同時(shí)間段的電價(jià)計(jì)費(fèi)的不同來(lái)控制排水成本。在水位較高時(shí)按照排水的需要開(kāi)停水泵，而在水位不高的情況下，以避開(kāi)電費(fèi)計(jì)價(jià)較高的時(shí)間段開(kāi)啟水泵，本系統(tǒng)既節(jié)約費(fèi)用又提高排水系統(tǒng)的可靠性[4]。PLC程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 PLC程序設(shè)計(jì)流程圖

5 中心監(jiān)控端畫(huà)面顯示

本系統(tǒng)上位機(jī)界面采用組態(tài)王繪制，通過(guò)組態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)檢測(cè)，通過(guò)觀(guān)察監(jiān)控界面就能查看各傳感器的參數(shù)和設(shè)備的運(yùn)行狀況。如水泵的開(kāi)停狀態(tài)，電壓電流參數(shù)，電機(jī)軸承溫度，水的流量大小，水的壓力等。根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)的控制設(shè)備的啟動(dòng)和停止。

計(jì)算機(jī)采用組態(tài)軟件畫(huà)面控制設(shè)備的運(yùn)行，減少了每次需要到現(xiàn)場(chǎng)查看的弊端，不僅保證了人身的安全也便于控制人員的操作，而且能夠動(dòng)態(tài)的顯示設(shè)備的運(yùn)行情況。中心監(jiān)控端畫(huà)面顯示如圖3所示。

圖3 中心監(jiān)控端畫(huà)面顯示

本自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)與人工控制相比較，能夠?qū)崟r(shí)的對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并記錄歷史數(shù)據(jù)和操作記錄形成報(bào)表，自動(dòng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行分析，采用圖形、報(bào)表的形式顯示系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工況。當(dāng)設(shè)備故障或通訊發(fā)生故障時(shí)，監(jiān)控界面就會(huì)顯示故障設(shè)備名稱(chēng)和故障原因，上位機(jī)將該故障信息存入故障信息數(shù)據(jù)庫(kù)，供以后統(tǒng)計(jì)分析。

6 本設(shè)計(jì)的可行性及創(chuàng)新點(diǎn)

對(duì)中央泵房各臺(tái)排水泵實(shí)施PLC自動(dòng)控制及運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路將數(shù)據(jù)信息傳送到辦公大樓監(jiān)控中心，并能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控及報(bào)警顯示；系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)水倉(cāng)水位、電機(jī)電流、電機(jī)電壓、流量、溫度、排水時(shí)間等參數(shù)，自動(dòng)控制水泵的工作狀態(tài)；辦公大樓通過(guò)調(diào)度軟件和上位機(jī)直觀(guān)、形象、實(shí)時(shí)地觀(guān)察系統(tǒng)工作狀態(tài)和設(shè)備參數(shù)；通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控的基礎(chǔ)上加入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，為視頻監(jiān)控部分和自動(dòng)控制部分提供可靠數(shù)據(jù)傳輸回路。該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、操作方便 、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

7 結(jié)論

礦井中央泵房排水系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，關(guān)系到煤礦能否實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。因此一套先進(jìn)的控制、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在礦井中央泵房實(shí)施是非常必要的。煤礦中央泵房在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)改造后將會(huì)彌補(bǔ)這方面的不足，它符合現(xiàn)代礦井高產(chǎn)高效、減員增效、節(jié)能降耗的要求；水泵的開(kāi)停及選擇切換無(wú)需人工完成，可根據(jù)水位或其它參數(shù)自動(dòng)開(kāi)停水泵，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性；同時(shí)，提升了礦井整體自動(dòng)化、信息化水平，對(duì)礦井今后安全管理起到很好的推動(dòng)作用。

[1] 李志紅，壬峰.基于PLC的礦井中央泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2010(3)：150-152.

[2] 耿寬寬，李鐵鷹.基于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)拿旱V主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2014(3):217-219.

[3] 張江維，王翠茹，衡軍山，等.基于雙CPU的冗余控制研究與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電工程技術(shù),2005,34(4)：64-65.

[4] 卜祥泉，周樹(shù)志，龐科旺.煤礦井下排水泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2007(3):5-7.

On-line Monitoring and Automatic Control System for Central Pumping Station

Geng Kuankuan

(ShanxiAutomationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030012,China)

According to the condition of main drainage system in Dongming Coal Mine, The on-line monitoring and automatic control system of water pump is put forward which adopts the structured design module of Siemens PLC controller and PC to be used in coal central drainage system. The remote monitoring and control with unattended is realized on central pumping station to improve the work efficiency and safety of the mine drainage system.

central pumping station; automatic control; PLC; host computer

2016-11-01

耿寬寬(1988- )，男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：自動(dòng)化控制。

1674- 4578(2017)01- 0012- 03

TP274

A