周繼昌

（晉能控股煤業(yè)集團朔州煤電王坪煤業(yè)公司）

煤礦生產(chǎn)集約化水平的提高要求生產(chǎn)設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性與之相適應(yīng)，同時要求監(jiān)視器能及時、準(zhǔn)確地監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)［1-3］。煤礦井下泵控系統(tǒng)傳統(tǒng)上由人來控制，存在人工成本高、系統(tǒng)效率低等問題［4-7］。為解決這些問題，開發(fā)了適合某煤礦井下排水的自動化控制系統(tǒng)，并取得了很好的應(yīng)用效果。

1 排水自動化控制系統(tǒng)原理與組成

1.1 系統(tǒng)原理

井下排水自動控制系統(tǒng)必須同時具備自動化控制和遠程監(jiān)視功能，操作系統(tǒng)的接口組件主要為可編程邏輯接口控制器（PLC）。通過統(tǒng)計分析傳感器需要收集的泵水位、壓力、真空度、溫度、調(diào)節(jié)器電壓與電流等數(shù)據(jù)，從而保持對整個泵站的實時工作狀態(tài)遠程監(jiān)控。其中PLC還可根據(jù)系統(tǒng)顯示屏信息向控制臺實時發(fā)出的自動開關(guān)信號，從而精確控制泵和其他相關(guān)傳動設(shè)備的正常啟動和停止。

1.2 系統(tǒng)組成

井下水泵是進行煤礦井下漿體和水輸送的主要機械設(shè)備。目前，由于離心泵具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、日常使用維護容易等特點而被廣泛采用。井下泵自動化控制系統(tǒng)根據(jù)供水方式分2個控制系統(tǒng)，即離心泵控制系統(tǒng)和潛水泵控制系統(tǒng)。正常情況下，井下排水采用離心泵控制系統(tǒng)，潛水泵控制系統(tǒng)一般用于低埋深煤層。在不同的礦山使用時，具體方法的選擇需要詳細分析礦井實際要求，同時還應(yīng)考慮噴射泵、真空泵等不同運作機器的運行原理，最終形成井下泵自動化控制系統(tǒng)，見圖1。

2 自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)介紹

自動化控制系統(tǒng)是一種基于西門子Step7可編程程序語言開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)軟件，其2個核心功能是自動執(zhí)行編程和獨立管理一個微控制器。Step7編程語言應(yīng)用程序中同時包含許多常用網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)工具，它不僅有助于輕松地操作電腦硬件和改變無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的配置，還有助于實現(xiàn)Step7編程和版本的主要特色功能；此外，還能夠在沒有無線網(wǎng)絡(luò)的工作環(huán)境中自動進行軟件編程，掌握設(shè)計自動化微處理器的策略。在硬件程序配置保存完成后，配置中所包含的各種硬件可編程程序示例文件可直接生成一個程序和一個空白網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接器列表。其中網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接器列表設(shè)計的目的主要是確定各種可編程設(shè)計模板的相互通信功能。成功進行硬件系統(tǒng)配置后，會自動為用戶示例數(shù)據(jù)生成一個軟件，此編程后示例的數(shù)據(jù)將存儲在名為“STEP7”的對象模塊文件夾中。

2.2 數(shù)據(jù)自動采集與檢測原理

西門子自動可編程數(shù)字控制器系統(tǒng)可以在裝有可編程數(shù)字控制器的控制箱中自動采集數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)數(shù)字主要功能包括啟動閘閥液壓開關(guān)，本地控制按鈕數(shù)字顯示等。模擬量類型主要包括模擬液位、溫度、流量、壓力、電流和電壓，在儀器使用PLC內(nèi)部電路A/D之后，將可以測量所有監(jiān)視和進行計算的粒子信號。

2.3 系統(tǒng)控制流程

水泵自動開啟的詳細解析操作過程見圖2。

當(dāng)真空值達到標(biāo)準(zhǔn)時，系統(tǒng)在啟動電動機之前關(guān)閉噴射泵球閥。如果當(dāng)前壓力值達到定義的標(biāo)準(zhǔn)，則打開電動閘閥，同時記錄打開噴射泵球閥的時間。如果時間過長，則會發(fā)出聲音警報，關(guān)閉泵并停止工作。在泵運行期間，要對電流、壓力、溫度和流量等相關(guān)參數(shù)進行監(jiān)測，如果參數(shù)不正常，關(guān)閉泵并觸發(fā)警報；如果泵在運行期間發(fā)生故障，則按照圖3過程進行故障保護。

當(dāng)泵在壓力或電流和溫度超過指定值狀態(tài)下運行時，將發(fā)出警報信號，操作人員需立即停止故障泵并離開當(dāng)前工作組。如果泵的工作狀態(tài)被中斷，則發(fā)出警報信號并顯示當(dāng)前問題。最后，關(guān)閉泵，停止其他操作，并離開當(dāng)前工作組。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 設(shè)計要求

上位機設(shè)計要求滿足：①面向用戶，使用對象為一般的從業(yè)者。②易于使用，人機交互界面的優(yōu)化設(shè)計必須滿足用戶在不受任何專業(yè)條件限制的情況下盡快準(zhǔn)確掌握應(yīng)用軟件，并能滿足用戶設(shè)置一些個性化的用戶信息處理請求。③軟件應(yīng)用管理靈活，PLC的主要應(yīng)用功能之一是提高可編程控制性，因此，在自行設(shè)計虛擬主機時，應(yīng)充分考慮使用軟件執(zhí)行響應(yīng)操作所需的成本時間和使用軟件執(zhí)行操作的成本效率。該軟件主要為企業(yè)用戶和專業(yè)操作員量身設(shè)計，因此，軟件使用操作步驟應(yīng)簡明，易學(xué)習(xí)和靈活使用，并且軟件不受任何從業(yè)人員專業(yè)認(rèn)知的限制；此外，軟件應(yīng)能使用戶實時遠程訪問控制更加容易。

3.2 上位機與PLC的通信程序

上位機與PLC通過OPC進行通訊。OPC是進行主機嵌入式系統(tǒng)過程質(zhì)量控制的一種測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，操作的不斷標(biāo)準(zhǔn)化使OPC成為應(yīng)用接口和操作規(guī)范，它可以同時對多個服務(wù)器/網(wǎng)絡(luò)客戶端進行連接。OPC依靠提取輸出數(shù)據(jù)，然后使用標(biāo)準(zhǔn)化方法將其轉(zhuǎn)發(fā)到客戶端程序上。使用者能夠創(chuàng)建、重置、更新并可以與新服務(wù)器進行數(shù)據(jù)通信，以確保數(shù)據(jù)源/設(shè)備存儲系統(tǒng)的完整性。OPC可以基于初始數(shù)據(jù)請求提供數(shù)據(jù)，然后以標(biāo)準(zhǔn)化方式將其經(jīng)路由傳輸?shù)娇蛻舳顺绦?。OPC用于現(xiàn)場系統(tǒng)應(yīng)用程序界面的開放式過程指示，通?？梢砸暈闃?biāo)準(zhǔn)過程數(shù)據(jù)之一，其應(yīng)用范圍包括PLC轉(zhuǎn)換自動化應(yīng)用程序，現(xiàn)場系統(tǒng)安裝和基于PC的移動應(yīng)用程序。

3.3 自動化控制系統(tǒng)的程序

在遠程查找數(shù)據(jù)時，如果對操作系統(tǒng)中的軟件或設(shè)備參數(shù)進行遠程監(jiān)視需要獲得用戶注冊授權(quán)。用戶成功注冊并登錄后，即可隨時更改井下作業(yè)設(shè)備的軟件參數(shù)和遠程控制。在成功注冊了應(yīng)用軟件之后，用戶會自動將該軟件執(zhí)行的所有過程（SOE記錄）記錄在軟件數(shù)據(jù)庫中，使軟件的操作更加便捷和可靠，而且還能方便查找數(shù)據(jù)，促進了礦山生產(chǎn)自動化的發(fā)展，減輕了員工的工作量，提高了信息分析水平和效率，加強了煤礦管理，提高了設(shè)備使用壽命，使整個系統(tǒng)運行良好。

4 工程應(yīng)用

4.1 井下泵房水位檢測

設(shè)置模擬水位并選擇相應(yīng)模式后，系統(tǒng)可以自動運行。當(dāng)系統(tǒng)顯示的水位低時，可關(guān)閉所有泵；當(dāng)水位中等時，打開1#泵；當(dāng)水位高時，打開1#、2#泵；當(dāng)界面彈出警告提示框時，系統(tǒng)將同時發(fā)出語音警告。系統(tǒng)中的泵均獨立工作，互不影響，具體情況見圖4。

如圖4所示，井下設(shè)備的操作將直接顯示在主頁面上。通過該頁面，可以清楚地顯示閘閥的關(guān)閉狀態(tài)、排水流量、液位等數(shù)據(jù)。圖5為開發(fā)系統(tǒng)下的主要監(jiān)控界面。由于數(shù)據(jù)框中的“{}”是一個文本變量，通常連接到現(xiàn)場輸入/輸出設(shè)備的輸入/輸出變量或字符串變量。當(dāng)指示燈變紅時，表示水泵和閥門停止，指示燈變綠，表示水泵和閥門打開。

4.2 報警功能的測試

對于水位、壓力、流量和負壓等異常，報警監(jiān)測系統(tǒng)可以立即自動報警，以便及時處理。因此，有必要設(shè)置系統(tǒng)報警，界面見圖6。系統(tǒng)還可對報警信息（報警信息分非緊急、一般緊急、緊急和特殊緊急4類）進行分類，方便查看和記錄。報警區(qū)域分水位、水泵1、水泵2、水泵3和真空泵組，區(qū)域劃分簡單明了，可大大提高值班人員的工作效率。

5 結(jié)論

根據(jù)實際情況對水泵房自動控制排水系統(tǒng)方案進行了綜合設(shè)計。應(yīng)用自動控制排水系統(tǒng)后，煤礦生產(chǎn)效率得到提高，實現(xiàn)了井下無人值守，減少了人力成本和透水事故傷亡，社會意義重大。