呂國強(qiáng)

(山煤集團(tuán)煤業(yè)管理有限公司晉南分公司，山西 臨汾 041000)

0 引言

井下主排水泵為煤礦的大型關(guān)鍵設(shè)備，主要的功能是排除煤礦井下涌水，保證礦井有一個(gè)安全的生產(chǎn)環(huán)境。一些老礦井的排水泵系統(tǒng)未得到合理的改造，對(duì)其進(jìn)行合理管理有很大難度。主要有以下幾個(gè)問題[1]：每個(gè)水平排水泵房都需要設(shè)專人值班，水泵操作幾乎都是泵房司機(jī)操作，人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度大；設(shè)備運(yùn)行故障時(shí)，人僅能憑借自己的經(jīng)驗(yàn)去區(qū)分系統(tǒng)的故障狀態(tài)，不能對(duì)故障進(jìn)行有效地處理，可靠性差；礦井地面指揮中心不能實(shí)時(shí)了解水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，不能有效地進(jìn)行故障控制，容易造成故障的擴(kuò)大化。為此需要進(jìn)行自動(dòng)化改造。

1 排水泵自動(dòng)化改造功能要求

1.1 系統(tǒng)的功能

操作控制：①在緊急情況下或設(shè)備維護(hù)時(shí)，工程師可以通過按鈕及指示燈完成對(duì)球閥、閘閥及供電系統(tǒng)進(jìn)行控制；②可以通過用戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行控制；③可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵機(jī)組的遠(yuǎn)程控制，以及對(duì)水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視井，對(duì)水泵的運(yùn)行參數(shù)具有實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)功能；④在運(yùn)行過程中，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，能根據(jù)水倉水位、用電狀況等信息合理的調(diào)整水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

報(bào)警顯示：系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示水泵控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息，例如水倉水位，電機(jī)電流、電壓、功率因數(shù)，水泵負(fù)壓、壓力、流量以及水泵機(jī)組轉(zhuǎn)軸溫度等信息。此外，系統(tǒng)還應(yīng)具有一定的故障診斷和處理能力，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，用戶端應(yīng)能發(fā)出報(bào)警并顯示故障的類型，并能根據(jù)故障的類型做出相應(yīng)的處理，例如停機(jī)、降低轉(zhuǎn)速等。

語音通信：系統(tǒng)應(yīng)具有語音和視頻通信能力，在發(fā)生緊急故障時(shí)，可以直接與指揮中心進(jìn)行交流，以降低故障帶來的損失。該系統(tǒng)可以具有不同的權(quán)限功能，在運(yùn)行時(shí)可以顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間及下次檢修日期提示等功能。

1.2 系統(tǒng)設(shè)備要求

系統(tǒng)用于煤礦井下的控制設(shè)備、各類傳感器、電源的防護(hù)等級(jí)和外殼結(jié)構(gòu)應(yīng)符合煤礦井下環(huán)境的使用要求，取得煤安標(biāo)志。因此，應(yīng)注意做好設(shè)備的外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，處理好電子元器件的散熱問題。

2 排水泵自動(dòng)化系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)：為了滿足水泵的自動(dòng)控制監(jiān)測的功能，對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全局的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要有4層結(jié)構(gòu)，可以分為現(xiàn)場層、監(jiān)控層、診斷層以及故障的遠(yuǎn)程處理層。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要通過各個(gè)層之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)化運(yùn)行。各層結(jié)構(gòu)之間可以實(shí)現(xiàn)相互通信，傳遞相應(yīng)的控制信號(hào)，以完成對(duì)水泵的運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)控制?？傮w而言，控制實(shí)現(xiàn)的主要部分是系統(tǒng)的硬件電路。隨著集成電路的發(fā)展，相應(yīng)的電路模塊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了集成。

圖1 子系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場層：井下泵房現(xiàn)場層直接面向水泵機(jī)組的控制與信號(hào)采集。采用ET200 Profubus-DP從站，并配置數(shù)字量輸入輸出模塊以及模擬量輸入模塊，利用具有通信功能的測控儀表可以減少主站的資源。由于不對(duì)水泵機(jī)組的溫度進(jìn)行控制，無需對(duì)帶有DP總線接口的德陽捷通DDMF5-8ADP模塊編寫相應(yīng)的通訊程序。為了防止DP網(wǎng)絡(luò)因?yàn)殡娏鬟^載而出現(xiàn)故障，應(yīng)該在DP網(wǎng)絡(luò)的最后一個(gè)模塊上加上保護(hù)電阻。工業(yè)平板電腦通過數(shù)據(jù)采集卡采集水泵機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行預(yù)處理，通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婀收显\斷中心的。

監(jiān)控層：監(jiān)控層主要是對(duì)變電所的水泵的集控柜和供電集控柜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，其主要由DP總線主站PLC和信息采集系統(tǒng)組成。PLC作為主控制器完成邏輯處理、控制及簡單數(shù)據(jù)處理等功能，并通過Profibus-DP現(xiàn)場總線和泵房現(xiàn)場層設(shè)備進(jìn)行通訊，觸摸屏有良好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組的集中管理控制[2-3]。系統(tǒng)下位機(jī)硬件配置由主PLC、觸摸屏、模擬量和開關(guān)量采集、執(zhí)行部分等組成。PLC模塊PLC為系統(tǒng)核心部分，這里選用高可靠性的S7-300系列PLC。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)軟件主要程序結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要有就地箱和集控柜的PLC軟件程序、平板電腦軟件程序和上位機(jī)軟件程序。PLC其主要特點(diǎn)是對(duì)強(qiáng)電和弱電都有很強(qiáng)的適應(yīng)性，抗干擾能力很強(qiáng)，但是其算術(shù)運(yùn)算能力差。為此需要上位機(jī)，上位機(jī)的主要功能是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，并發(fā)出相應(yīng)的邏輯控制信號(hào)，供PLC控制使用。平板電腦最大的優(yōu)點(diǎn)是集成度高，人機(jī)對(duì)話能力強(qiáng)，可以快速實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，最主要的特點(diǎn)是用于手動(dòng)控制。

圖2 系統(tǒng)軟件框架圖

程序編寫工具：水泵機(jī)組自動(dòng)監(jiān)測控制系統(tǒng)在地面采用的是ET200的DP從站，從站和PLC程序都是受主站控制的。由于PLC使用的西門子的300系列，所以利用STEP7工具來編寫PLC程序。

主程序流程：為了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在編程時(shí)應(yīng)保證程序模塊的獨(dú)立化[3]。其運(yùn)行的整個(gè)流程是，PLC初始化變量通過調(diào)用OB100，在進(jìn)入主循環(huán)后進(jìn)行條件判定，根據(jù)輸入的參數(shù)來確定PLC系統(tǒng)的運(yùn)行模塊；完成一個(gè)循環(huán)后，PLC進(jìn)行掃描，更新相應(yīng)的參數(shù)，進(jìn)入另一個(gè)循環(huán)[4]。

上位機(jī)通信程序模塊：主要的功能是完成上位機(jī)和主控PLC的數(shù)據(jù)交換，并將接收到的數(shù)據(jù)和控制命令，傳遞給平板電腦端。

就地控制程序模塊：主要功能是通過按鈕來完成對(duì)水泵啟停的控制。

半自動(dòng)控制程序模塊：主要的功能是完成水泵的半自動(dòng)化控制，通過上位機(jī)和觸摸屏發(fā)出的指令，利用按鍵來實(shí)現(xiàn)水泵的啟停。

自動(dòng)控制模塊：主要功能是完成水泵自動(dòng)化控制，系統(tǒng)接受自動(dòng)控制指令后，根據(jù)水倉水位、水位上升速率，自動(dòng)判定工作水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)、控制水泵抽真空和啟停、控制出水閥門的啟閉。

模擬量采集程序模塊：主要的功能是對(duì)采集來的壓力、負(fù)壓、液位、溫度進(jìn)行處理并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。突發(fā)事故處理程序模塊，其主要功能是根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)的故障進(jìn)行處理，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，控制相應(yīng)的裝置動(dòng)作。

綜保通信程序模塊：主要功能是將獲得的參數(shù)，例如電壓、電流、功率等，傳遞給相應(yīng)的控制模塊。觸摸屏通信程序模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主要是通過自帶的MPI通信與PLC完成數(shù)據(jù)的交換。

故障報(bào)警程序模塊：當(dāng)水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)測量到的信號(hào)發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令給相應(yīng)的機(jī)構(gòu)。在故障時(shí)，故障報(bào)警程序模塊可以自動(dòng)地完成水泵的停止并發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)信號(hào)。此外，還會(huì)調(diào)用半自動(dòng)化程序，將故障的原因和信息在上位機(jī)上顯示。

3 結(jié)語

為了提高對(duì)煤礦水泵機(jī)組的管理水平和維護(hù)水平，對(duì)水泵機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)化改造，給出了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖、系統(tǒng)硬件以及軟件設(shè)計(jì)思路。可以為相關(guān)技術(shù)改造項(xiàng)目提供指導(dǎo)。