尤 靜

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦，山西 大同 037027）

引言

煤礦排水系統(tǒng)自動(dòng)化是全球企業(yè)與煤礦科學(xué)研究機(jī)構(gòu)實(shí)踐和研究的主要方向，通常是在排水系統(tǒng)自動(dòng)控制過程中引入繼電控制技術(shù)，PLC控制技術(shù)和智能控制技術(shù)。由于智能化控制與自動(dòng)化運(yùn)行的煤礦排水系統(tǒng)全面步入到實(shí)踐階段，當(dāng)前國(guó)內(nèi)部分大型的煤礦公司已完成機(jī)械自動(dòng)化控制排水系統(tǒng)。但是自動(dòng)化控制排水系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)還存在很多問題，如：設(shè)備維護(hù)困難、單一控制策略和后向保護(hù)措施。因此以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)，并對(duì)排水系統(tǒng)泵里面的軟件設(shè)計(jì)與硬件結(jié)構(gòu)展開分析。

1 排水系統(tǒng)的模型

排水系統(tǒng)模型如圖1所示[1]。圖中：H1、H2分別是儲(chǔ)水箱的高水位和低水位。u（k）是泵的決策向量；q（k）是取水量與儲(chǔ)水箱的水位函數(shù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件的結(jié)構(gòu)

圖1 排水系統(tǒng)模型

圖2 排水自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2顯示了排水系統(tǒng)水泵的自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由以下4塊模塊構(gòu)成：模擬處理模塊、PLC控制模塊、開關(guān)處理模塊、通訊模塊。其中PLC控制模塊是擴(kuò)展模塊（DI/DU/AI/AU和通訊擴(kuò)展模塊）與PLC控制器組成。在獲得用于控制泵的參數(shù)之后，應(yīng)根據(jù)泵啟動(dòng)和停止的自動(dòng)控制操作程序打開煤礦排水泵的邏輯控制。在同一時(shí)間內(nèi)，對(duì)作業(yè)期間的泵的參數(shù)、系統(tǒng)信息進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)利用EtherNet端口將其上載至礦井網(wǎng)絡(luò)或者高清多媒體端口。電磁閥與電動(dòng)球閥的控制點(diǎn)、泵電機(jī)的啟停控制點(diǎn)，還有警報(bào)控制以及控制模式的選擇與泵狀態(tài)都是通過開關(guān)處理模塊進(jìn)行的。

模擬量處理模塊通過取水口的真空度、出水水壓、水箱實(shí)時(shí)水位還有模擬量獲取信息，例如電機(jī)電流、電壓和溫度。在水泵電機(jī)運(yùn)作之后，必須對(duì)出水口處的水壓以及進(jìn)水口真空度展開確認(rèn)和檢查。水泵作業(yè)期間，通過判斷蓄水箱中的水位對(duì)水泵的作業(yè)模式與狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。排水系統(tǒng)的水泵自移參數(shù)，故障，警報(bào)、狀態(tài)和其他內(nèi)容利用通訊模塊完成數(shù)據(jù)傳送。通過監(jiān)控平臺(tái)或者是高清多媒體人機(jī)界面上完成顯示與控制，同時(shí)把所有的信息傳輸至在排水系統(tǒng)后期用于礦山集中控制的礦山工業(yè)環(huán)網(wǎng)。傳輸信息時(shí)，正確性和安全性是首要因素。CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)，奇偶校驗(yàn)，BCC排他或校驗(yàn)方法以及漢明碼校驗(yàn)可用于確保數(shù)據(jù)或DES，AES，RSA，DSA，ECC等非對(duì)稱加密算法的正確性。

2.2 保護(hù)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步提升排水系統(tǒng)水泵的自動(dòng)控制運(yùn)作的穩(wěn)定、安全性，同時(shí)保障排水系統(tǒng)的持續(xù)有序運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)置開關(guān)隔離與模擬保護(hù)電路，同時(shí)在電路設(shè)計(jì)里面增加EtherNet隔離保護(hù)電路設(shè)計(jì)與抗干擾保護(hù)。

圖3展現(xiàn)出光耦隔離屏障實(shí)踐在交換隔離中的原理。隔離本安電源充分采用了光電隔離技術(shù)以及本安電源技術(shù)，輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、開關(guān)電源，用來(lái)保障信號(hào)的穩(wěn)定、安全性[2-3]。

圖4所示為隔離安全柵，工作原理采用在模擬隔離保護(hù)中，融合電氣、磁隔離技術(shù)以及光學(xué)，達(dá)成非本安電路與本安電路兩者中實(shí)現(xiàn)電源信號(hào)的進(jìn)出阻隔。出現(xiàn)危險(xiǎn)電流或是電壓輸入，迅速轉(zhuǎn)換功能完成，導(dǎo)致所有信號(hào)漂浮出來(lái)，信號(hào)的抗干擾能力被得到極大程度的提升。采用耦合濾波原理的同時(shí)，在EtherNet信號(hào)隔離里面運(yùn)網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，從而可以可靠地傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。另外采用雙絞屏蔽線能夠很好地降低排水系統(tǒng)中通訊線路的信號(hào)干擾。屏蔽層用于分隔變壓器的初級(jí)與次級(jí)，其中隔離板需要與地面接觸，而次級(jí)線圈不需要與地面接觸，借此來(lái)降低或者解除寄生電容，提升共模的干擾能力。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖3 光耦隔離屏障實(shí)踐在交換隔離中的原理

圖4 安全柵的隔離式工作原理

圖5 礦井水泵自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)流程圖

用于工作、檢修、備用而設(shè)計(jì)的排水系統(tǒng)一共有三個(gè)泵。儲(chǔ)水箱水位自動(dòng)控制三個(gè)水泵的啟停運(yùn)作是軟件設(shè)計(jì)的目的。單個(gè)泵電機(jī)的自動(dòng)操作控制過程如圖5所示[4-5]。當(dāng)儲(chǔ)水箱的水位達(dá)到泵上狀態(tài)時(shí)，排水系統(tǒng)將滿足泵上條件而不會(huì)發(fā)生故障。在啟動(dòng)泵之前，發(fā)出警告30 s，并發(fā)出“泵電機(jī)即將啟動(dòng)，請(qǐng)注意安全”的安全語(yǔ)音提示。語(yǔ)音提示結(jié)束后，打開泵的真空閥和噴射閥。依次將相應(yīng)的水泵排空，排出水泵當(dāng)中的氣體，并對(duì)水泵腔實(shí)施注水操作。通過真空傳感器得到的相關(guān)信息，從而準(zhǔn)確掌握真空度能否滿足需要。假如，真空度未達(dá)到需要，同時(shí)延遲時(shí)間T1以后未超過預(yù)定時(shí)間，排氣注入作業(yè)將被重啟；假如延遲的時(shí)間T1到指定期限，就會(huì)關(guān)閉噴射閥。假如真空度達(dá)到需求，排水系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行電機(jī)開啟操作，隨后按順序關(guān)閉噴射閥、真空閥。與此同時(shí)，必須檢測(cè)正在運(yùn)行的水泵電機(jī)出水的水壓。假如水泵電機(jī)出水水壓達(dá)到出水需要，可以打開出口閘閥排放水量。假如水泵電機(jī)的出水水壓無(wú)法滿足需求，那么延遲的時(shí)間是T2。在T2的時(shí)間以內(nèi)，水泵電機(jī)是正在運(yùn)行當(dāng)中的，排水系統(tǒng)會(huì)在T2時(shí)間內(nèi)發(fā)出聲光警報(bào)。

4 方案的特點(diǎn)

1）以PLC的控制技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠?yàn)榕潘到y(tǒng)的水泵給予自動(dòng)控制設(shè)計(jì)。共有遠(yuǎn)程和現(xiàn)場(chǎng)控制、手動(dòng)、半自動(dòng)以及自動(dòng)模式等5種控制模式，能夠達(dá)到不同場(chǎng)合下排水系統(tǒng)的要求。

2）利用無(wú)線通信技術(shù)與傳輸控制/互聯(lián)網(wǎng)讓排水系統(tǒng)參數(shù)信息以及作業(yè)情況上載至煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)上，借此給予后續(xù)煤礦的人性化與智能化數(shù)據(jù)支撐。

3）排水系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)得到有效的維護(hù)可以降低電氣部件出現(xiàn)故障的概率，提升排水系統(tǒng)的工作效能。

5 試驗(yàn)效果

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，馬脊煤礦排水系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)升級(jí)，取得了良好的效果，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)：

1）排水系統(tǒng)中水泵的控制方法很多，包括：“泵定時(shí)”控制、“避免峰谷”控制、“泵旋轉(zhuǎn)”控制、“高低水位”控制。

2）加強(qiáng)排水系統(tǒng)的保護(hù)措施，降低部件的損壞率，降低電氣故障并保障排水系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、持續(xù)、安全的運(yùn)作。

3）設(shè)施維修簡(jiǎn)單，部件故障的處理方法簡(jiǎn)便，運(yùn)作的工作效率得到很大的提升。改進(jìn)以后的排水系統(tǒng)能夠降低工人作業(yè)強(qiáng)度，滿足排水系統(tǒng)自移。在排水系統(tǒng)出現(xiàn)故障期間，能夠利用監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)施檢查，同時(shí)依照故障指示完成排查消除故障工作。