礦井水泵機組的自動化改造設計

劉 森

（山西潞安集團公司古城煤礦，山西長治 046000）

0 引言

煤礦生產中所運用的關鍵大型設備為井下主排水泵，其主要功能就是將井下涌水進行清除，為煤礦打造一個良好的生產環境。一部分煤礦的排水泵系統未進行有效地改善，較難進行合理地管理。其主要問題有以下幾點：對于水平不等的排水泵房，安排專人來進行值班，水泵的工作人員多是泵房司機，具備較大的人員數量及勞動強度；設備出現運作故障時，人員僅僅依靠自身的經驗來區分故障的類型，未有效的處理故障，不具備較大的可靠性[1]；對于水泵機組的運作狀態，礦井地面的指揮中心無法及時的掌握，不能對故障進行有效控制，因此需要實施相應的改進。

1 排水泵自動化改善功能的要求

1.1 系統的功能

1.1.1 操作控制

操作控制包括：處于狀況緊急或者設備維護的時候，工程師應當通過相關的儀器及指標來控制閘閥、球閥及供電體系；通過用戶端來控制水泵運作的相關參數；對水泵機組實施遠程的控制，以及對其運作狀況進行監控，對水泵的運作參數設定有效的儲存功能；在運作過，程中可以進行自動化的運作，可以根據相關信息對水泵的運作狀態進行適當的調整[2]。

1.1.2 報警展示

在運作過程中，可以將水泵控制系統的相關信息進行實時顯示，如電壓、水倉水位等。另外，系統還具備了判斷及處理故障的能力，當系統產生問題后，用戶端可以做出報警，同時反映出故障類型，并做出針對性的處理，如停止運作等。

1.1.3 語音通信

系統應當具備相應的視頻及語言通信能力，當出現緊急故障時，可以和指揮中心進行直接溝通，從而減少因故障所造成的損失。該系統可以具備多種相關權限，在運作時可以展示出設備的相關功能，如運作狀態及時間、檢修的日期等[3]。

1.2 系統設施的要求

系統可以用作井下的控制設施、電源的防護和外殼的構造，應當與井下環境的相關要求相符合，具備一定的標志。因此，應當設計出有效規范的外殼構造，將電子部件的散熱問題加以解決[4]。

2 排水泵自動化系統的完善設計

2.1 硬件的設計

2.1.1 整體框架

為了使水泵自動監控的功能得以實現，對系統的構造進行設計。整個系統主要包含4層：現場層、診斷層、監控層及遠程處理層。詳細結構如圖1所示，主要通過各個層次的作用來幫助水泵實現自動化運作。各層構造間可以進行互通，傳遞相關的控制信號，從而使水泵實現自動的運作控制[5]。

圖1 子系統總體結構

2.1.2 現場層

該層主要任務是對水泵機組進行有效的控制及信號的采集。運用相關型號的從站，同時設置數字量的輸入及輸出板塊，配置模擬量的輸入板塊，通過具備通訊能力的監控設備來將主站的資源加以減少。由于未控制水泵機組的溫度，也不需要對有DP總線接口的相關單元制定相應的通信程序。為了有效地防止DP網絡產生故障，應當在該網絡的最后單元上添加保護電阻。工業平板電腦可以運用相應的設備來收集該機組的震動信號，同時進行預先處理，通過工業以太環網來向診斷中心傳遞相關數據[6]。

2.1.3 監控層

該層主要任務是監視變電所的水泵及供電的集控柜的運作狀態，它的組成主要為信息采集體系及DP總線的PLC。作為主控制器，PLC具備處理、控制邏輯及處理簡單數據的功能，同時通過相關設備實施通訊，觸摸屏具備較好的人機界面，能夠有效的管理及控制水泵機組。系統下位機硬件的構成元件主要包含有觸摸屏、模擬量等。系統的關鍵部位就是PLC，具備較高的可靠性[7]。

2.2 系統軟件設計

程序結構。系統軟件的關鍵程序構造圖如圖2所示，主要包括了集控柜及就地箱的PLC軟件程序、上位機及平板電腦的軟件程序。PLC的關鍵特征就是對于強、弱電具備較強的適應能力，具備較強的抗干擾能力，但不具備較高的運算能力。因此，必須具備上位機，其主要任務是將所收集的信號進行有效正確的整理及分析，同時發出相應的訊號，從而使PLC得到更好的運用。平板電腦所具備的優勢就是具備較高的集成度、較強的人機對話能力，使人機交互的目的得以迅速實現，最關鍵的特征就是進行手動控制。

圖2 系統軟件框架圖

編寫程序的措施。水泵機組自動監控體系所運用的為ET200的DP從站，其與PLC具有一致性，其控制工作均是由主站來實現。由于PLC所運用的為西門子300系列，因此在對其進行程序編寫時可以采取STEP7。

主程序的流程。為了使系統的穩定性得到控制，在編寫程序時應當確保程序模塊的獨立性。其運作的整體流程為，PLC初變量經過運用相關設備，當進入到主循環時來對條件進行判斷，根據輸入的參數來明確PLC的運作板塊；當一個循環結束之后，PLC可以對其進行掃描，同時加以更新，進入下一個的循環。

上位機的通信單元。主要作用是促使PLC和上位機間實現相應的數據轉換，同時將收集到的數據及相關指令傳輸至電腦端。

就地控制的部分。主要作用是將水泵的開啟及停止進行有效的控制。

半自動控制的部分。主要內容是促使水泵完成半自動化控制，通過相應的器件來發出相應指令，同時控制水泵的啟動及停止。

自動控制的部分。主要任務是實現水泵機組的自動化控制，在接收到相應的指令后，系統會基于水位上升速度及水倉水位，對水泵的運作臺數加以判斷、對水泵抽真空、啟動及停止進行控制、對水閥門的開啟與關閉進行控制。

模擬量采集程序單元。主要的功能是將收集所得的壓力、溫度等相關參數進行處理，同時將其轉變成為相關的數字信號。對突發狀況進行處理的單元所具有的作用為基于相關參數來處理水泵機組的運行故障，同時發出相應的控制指令，對其動作進行控制。

綜保通信的部分。主要任務是將所采集的參數傳輸給相對應的控制單元。觸摸屏通信單元的主要工作就是與PLC實現彼此的數據交換，主要是經過PLC和MPI來實現數據的交換[8]。

故障報警的部分。當水泵機組產生相應的問題時，系統會根據所檢測到的信號為相應機構做出相應的操作指令。在產生故障時，故障警報板塊可以自動化停止水泵的運作狀態，同時發出警報。另外，還可以使用半自動化程序，在上位機上顯示產生故障的原因及相關信息。

3 結束語

本文為了使水泵機組的管理水平得以提升，對水泵機組實施自動化改造，設計出系統的整體結構圖、軟硬件的設計思路。可為其技術的改善提供有效的指導。