王藝明

(中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

主排水泵是煤礦井下的重要設(shè)備，其功能是將井下工作面及大巷涌出水排至地面，確保井下正常生產(chǎn)及人員安全[1]。開啟水泵涉及到開啟電動閥門、排真空及啟動高壓隔爆柜等一系列操作流程，在這個過程中還需要專人監(jiān)視壓力、真空度、閘閥狀態(tài)、流量、電流等一系列參數(shù)，所以開啟一臺水泵至少需要2人配合才能完成。水泵自動化系統(tǒng)的出現(xiàn)，使井下崗位人員減少，設(shè)備故障率降低，煤礦效益提高，安全管理水平得到提升[2]。目前水泵自動化系統(tǒng)多數(shù)以可編程邏輯控制器(以下簡稱PLC)為核心，PLC具有高穩(wěn)定性，操作簡單，功能完善等特點[3]。

PLC替代原有的繼電器控制方式，使控制系統(tǒng)具有多元化、智能化等優(yōu)點，PLC采集水泵管路流量，管路壓力，電機軸承溫度，配電裝置的電流、電壓，水倉水位等參數(shù)，通過程序計算，實現(xiàn)水泵的自動運行[4-9]。唐輝輝[10]提出，井下傳感器采集信息傳輸給西門子S7-1200型PLC，PLC監(jiān)控井下各設(shè)備的實時狀態(tài)。水泵自動化系統(tǒng)有手動、半自動、自動、檢修等控制方式。王海興[11]設(shè)計了一種水位檢測系統(tǒng)，為水泵自動化系統(tǒng)的子系統(tǒng)，可輸出4個開關(guān)量信號，分別代表超高水位、高水位、低水位、超低水位，水位信號上傳至PLC后，可根據(jù)不同的水位做出相應(yīng)指令。本設(shè)計對目前以PLC為核心的水泵自動化系統(tǒng)做出改進，使系統(tǒng)組成更靈活、功能更全面。陳廣達等[12]設(shè)計了一種無人值守煤礦井下排水監(jiān)控系統(tǒng)；該系統(tǒng)應(yīng)用S7-300PLC控制技術(shù)、組態(tài)王技術(shù)、通信技術(shù)，通過檢測水位和其他參數(shù)，實現(xiàn)了泵站無人值守。

針對目前井下主水泵自動控制系統(tǒng)邏輯復(fù)雜，動力及控制電纜接線繁雜等因素，文中提出一種新的設(shè)計方法，每臺水泵使用1臺PLC分站，使單臺水泵形成獨立控制系統(tǒng)自動運行，當(dāng)出現(xiàn)故障后，PLC分站將該臺水泵隔離；再使用PLC主站對主管路閥門及每一臺水泵進行控制。

1 水泵自動化系統(tǒng)設(shè)計

整個泵房自動控制系統(tǒng)由地面上位機、井下泵房控制系統(tǒng)、傳感器、閘閥及遠程監(jiān)控系統(tǒng)組成。

1.1 地面上位機

地面上位機由遠程工控一體機和組態(tài)軟件組成，用以實時監(jiān)測和控制井下排水泵。上位機與井下泵房控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊，進行信息交換。水泵房各設(shè)備參數(shù)信號通過網(wǎng)線就近接入交換機，利用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，將信號遠傳到礦調(diào)度中心，礦調(diào)度中心根據(jù)需要，再將控制指令下發(fā)到井下泵房控制系統(tǒng)中，對水泵、閥門等進行實時的遠程監(jiān)控。上位機畫面如圖1所示。

圖1 上位機畫面Fig.1 Upper computer display

工業(yè)組態(tài)軟件采用Wincc 7.3正版授權(quán)軟件，畫面模擬現(xiàn)場實際設(shè)備情況，畫面直觀，操作方便。

上位機界面上可顯示水倉水位、吸水管真空度、水泵軸承溫度及振動幅度、水泵運行電流及電壓、排水管出水壓力及流量等參數(shù)，還可以監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)前的控制方式(遠程/集中/就地、自動/手動)、各臺水泵的工作狀態(tài)(工作、備用或者檢修狀態(tài))、水泵的運行狀態(tài)(運行/停止)、故障信號及電動閘閥的開閉狀態(tài)等參數(shù)。

1.2 井下泵房控制系統(tǒng)

井下泵房控制系統(tǒng)由PLC主站和分站組成。

PLC主站配置西門子S7-1500系列PLC及10寸觸摸屏，可通過箱體觸摸板控制系統(tǒng)內(nèi)各界面轉(zhuǎn)換，同時PLC主站可提供AC660V和AC127V電源，為主排水管閘閥和主引水管球閥供電。PLC主站采集水倉水位、主管路壓力等信號；通過網(wǎng)線和硬接線與PLC分站通訊；通過硬接線控制高壓隔爆柜，實現(xiàn)對水泵的啟停。

PLC分站配置S7-1200系列PLC及10寸觸摸屏，同時PLC分站可提供AC660V和AC127V電源，為本水泵排水管閘閥、射流泵及引水管球閥供電。PLC主站采集水倉水位、吸水管真空度、排水管出水壓力及流量、水泵軸承溫度、振動、水泵運行電流及電壓等參數(shù)；通過硬接線控制本水泵排水管閘閥和引水管球閥的開關(guān)；通過硬接線控制射流泵及引水管球閥的開關(guān)；通過硬接線控制高壓隔爆柜，實現(xiàn)對水泵的啟停。

PLC主站和PLC分站內(nèi)均含有控制系統(tǒng)及配電系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)集成，每臺水泵均可獨立運行，最大程度保證水泵自動化系統(tǒng)安全運行。

1.3 傳感器

檢測傳感器：檢測傳感器包括壓力傳感器、負壓傳感器、雙聲道超聲波流量計、投入式液位計、溫度振動一體傳感器等，需要檢測的參數(shù)有泵體負壓，水泵出水口壓力，電機電流、電壓，排水的瞬時流量及水倉水位等信號。

投入式液位傳感器：配置2臺投入式液位計，實時監(jiān)測井下水倉水位變化。

壓力傳感器：每臺水泵配置1臺正壓傳感器，用來監(jiān)測水泵出水口壓力，當(dāng)排水壓力出現(xiàn)故障時可及時停泵，以免水泵腔體產(chǎn)生“汽蝕現(xiàn)象”；每臺水泵配置1臺負壓傳感器，用來監(jiān)測水泵真空度，作為水泵啟動前腔體是否灌滿水的重要參數(shù)。

流量傳感器：在每趟主管路上，分別配置1臺雙聲道超聲波流量傳感器，檢測每趟出水管路的瞬時流量。

溫度振動一體傳感器：利用水泵軸承體預(yù)留的傳感器接口，對水泵軸承運行溫度、振動進行實時檢測，檢測到的溫度、振動信號經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出成標準模擬量信號交由PLC分站作為水泵是否正常工作的依據(jù)。同時，系統(tǒng)應(yīng)可接入電機繞組溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度過高時則報警，嚴重時停泵。

電流采集：通過高壓隔爆柜綜保通訊，采集相關(guān)電量信息，每臺水泵單獨采集電流，用于實現(xiàn)對電機電流信號的有效采集及檢測。

1.4 閘閥部分

為更好地實現(xiàn)井下泵房自動排水控制，減輕井下水泵操作人員勞動強度，保護井下水泵引水及出水管路，采用電動球閥和電動閘閥。PLC主站為主排水管閘閥和主引水管球閥供電和控制；PLC分站為本水泵排水管閘閥、射流泵及引水管球閥供電和控制。

1.5 設(shè)備遠程維護系統(tǒng)

在井下設(shè)置設(shè)備遠程維護模塊，井下泵房控制系統(tǒng)與公共Internet網(wǎng)絡(luò)之間建立一條安全可靠的VPN通道，甲方授權(quán)后，可通過以太網(wǎng)隨時訪問現(xiàn)場設(shè)備，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，分析系統(tǒng)異常原因，可進行遠程技術(shù)指導(dǎo)。

設(shè)備遠程維護系統(tǒng)收集水泵運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)水泵進行全生命周期管理。

增加設(shè)備遠程監(jiān)控模塊后，可以快速地進行故障診斷，減少維護成本及增加水泵服務(wù)時間。

2 控制方式

2.1 分布式PLC控制方式

由于水泵自動化系統(tǒng)對安全性與可靠性有較高的要求，水泵自動化系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)應(yīng)采用多CPU控制模式，實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。此模式為每臺泵組設(shè)計一臺PLC分站進行控制，再設(shè)置一臺PLC主站對各PLC分站進行總控制。

各PLC分站內(nèi)置CPU控制模塊與數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)了各泵組的運行參數(shù)獨立采集與啟、?？刂频墓收媳Ｗo，同時可就地控制或遠程控制模式“一鍵啟?！北媒M。當(dāng)任意一臺PLC分站出現(xiàn)故障時，不會影響其他泵組的正常運行，同時PLC分站內(nèi)的元器件型號一致，均可互換，維護方便、快捷，將不利因素降到最低點。

各PLC分站之間通過以太網(wǎng)進行通訊，將泵組的運行狀態(tài)與故障狀態(tài)傳輸至PLC主站，系統(tǒng)依據(jù)當(dāng)前的水倉液位狀態(tài)、避峰填谷功能、均勻磨損功能、效率優(yōu)先等功能進行全自動的調(diào)度控制，此模式下可實現(xiàn)無人值守功能。多CPU控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多CPU控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Multi CPU control system structure

2.2 自動控制方式

地面監(jiān)控組態(tài)畫面及井下PLC主站均顯示自動模式，此時PLC自動控制所有設(shè)備，按照排水工藝流程進行排水，地面監(jiān)控畫圖及PLC主站10寸屏動態(tài)顯示系統(tǒng)內(nèi)各水泵及閥門工作狀況和系統(tǒng)各種故障顯示。PLC主站和PLC分站實時監(jiān)控水倉液位，根據(jù)吸水井的水位及其他因素，合理調(diào)度自動開停水泵和電動閥門，在正常水位時，各臺水泵能自動輪換工作，最大涌水及突出涌水時，自動投入必要數(shù)量的水泵運行，同時可限定各泵站同時開泵的最高臺數(shù)，確定水泵啟動水位，當(dāng)水位增長過快時能及時加泵。當(dāng)運行過程中，水泵出現(xiàn)故障時，能迅速發(fā)出報警，并自動開啟備用水泵。當(dāng)水位降低過快或水位至低水位時，能及時報警或適當(dāng)停泵減少水泵運行數(shù)量。

2.3 遠程操控方式

操作人員可在地面調(diào)度中心工控機組態(tài)畫面中遠程控制水泵機組的啟停，井下PLC接收指令后，按照程序首先打開引水管球閥，進行水泵灌水；再打開排水管閘閥，并啟動水泵后，關(guān)閉引水管球閥，完成水泵機組啟動。

2.4 一鍵啟動控制方式

首先對PLC分站面板上“一鍵啟動”按鈕進行編程，工作人員點擊PLC分站面板上“一鍵啟動”按鈕后，單臺水泵按PLC程序啟動閥門及水泵。這種控制方式很大程度上簡化了整個控制系統(tǒng)，工作效率明顯提高。

3 結(jié)語

分布式PLC技術(shù)在水泵自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用，使每個泵組擁有獨立核心、自成系統(tǒng)，某泵組出現(xiàn)故障時可隔離，防止系統(tǒng)癱瘓。分布式PLC具有控制系統(tǒng)邏輯清晰、接線簡單、便于管理等優(yōu)點，目前陜西省彬長礦區(qū)孟村煤礦井下401盤區(qū)水泵自動化系統(tǒng)已按此方式設(shè)計，運行良好，值得推廣。