煤礦井下水泵自動化控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

陽 天

（西山煤電 東曲礦運(yùn)輸科 運(yùn)輸一隊，山西 古交 030200）

0 引言

煤炭開采的過程中，井下涌水必須及時排出以保證煤礦的安全，要求排水系統(tǒng)可靠、安全、高效地將涌水排出地面［1］。作為井下排水系統(tǒng)的核心設(shè)備，水泵控制系統(tǒng)的自動化水平與礦井排水工作密切相關(guān)。然而傳統(tǒng)井下水泵仍然以人工控制為主，使用的控制手段還是以前的繼電器控制，連線復(fù)雜、功耗大、低效，而且對排水系統(tǒng)的監(jiān)測水平低，不能實時掌握排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，導(dǎo)致啟動和關(guān)閉水泵不能依據(jù)水位或其他參數(shù)實行自動化操作，極大地?fù)p耗人力、物力資源。因此，保證井下水泵系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行至關(guān)重要［2-3］。

為此，本文基于計算機(jī)控制技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、微控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人機(jī)組態(tài)技術(shù)等，設(shè)計了一套新型的礦井水泵自動化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了檢測、通信、顯示、自動控制的四位一體，大大提高了井下排水系統(tǒng)的自動化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化水平，提高了煤礦的工作和效率。

1 水泵自動化控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計

煤礦井下水泵自動化控制系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。整個系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、觸摸屏、PLC控制系統(tǒng)、聲光報警裝置、傳感器檢測單元、執(zhí)行單元、機(jī)械單元等部分組成。其中，傳感器檢測單元由各類礦用傳感器組成，負(fù)責(zé)對水位、水泵抽水能力、進(jìn)出水口壓力、各進(jìn)水口水量、重要零部件的溫度、電機(jī)電壓電流等重要參數(shù)進(jìn)行檢測，并傳輸給PLC控制器；聲光報警裝置負(fù)責(zé)對排水系統(tǒng)及周邊環(huán)境出現(xiàn)的故障情況進(jìn)行預(yù)警；PLC控制器負(fù)責(zé)對傳感器檢測單元傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算和智能處理，通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，將處理后的結(jié)果上傳給上位機(jī)，同時接收上位機(jī)下達(dá)的控制指令，對執(zhí)行單元進(jìn)行自動化控制；上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用組態(tài)王技術(shù)，工作人員可通過圖形化界面對現(xiàn)場工作狀況進(jìn)行監(jiān)視和指令的下達(dá)，同時，還可以實現(xiàn)參數(shù)實時顯示、歷史曲線趨勢和報表輸出、報警等多種功能。

圖1 水泵機(jī)械單元自動化控制系統(tǒng)總體方案

2 硬件方案設(shè)計與選型

2.1 PLC控制器選型

PLC是控制系統(tǒng)中最重要的部分，其可靠性直接影響著整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行［4］，本系統(tǒng)選用西門子公司S7-300系列PLC，中央處理單元為CPU 315-2PN／DP，基于其極強(qiáng)的擴(kuò)展能力以及系統(tǒng)的需求，該系統(tǒng)分別擴(kuò)展了數(shù)字量輸入SM321、數(shù)字量輸出SM322、模擬量輸入SM331和模擬量輸出SM332，這些模塊可將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)通過智能的方式轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的PLC信號。PLC之間以及PLC與上位機(jī)之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

2.2 各類檢測傳感器選型

為實現(xiàn)對排水系統(tǒng)性能參數(shù)及周圍環(huán)境參數(shù)的檢測，本系統(tǒng)選用傳感器來作為檢測信號的主要元件，為此，對各類傳感器進(jìn)行了嚴(yán)格的選型：①溫度傳感器：選用PT100熱電阻溫度傳感器檢測電機(jī)外殼溫度和水泵軸承溫度；②壓力傳感器：選用GYD60-Y2礦用壓力傳感器作為壓力的檢測元件，用于檢測水泵入水管處和出水管處的壓力變化，為電動閘閥的開關(guān)和水泵的啟停提供信號；③流量傳感器：選用TC-ZND電磁流量計來檢測排水管的流量；④液位傳感器：選用CL-EVA-05數(shù)字式傳感器，安裝于水倉中，目的是為了防止水位過高；選用XFH-D9000超聲波液位計，安裝在水倉水位之上，用于保證連續(xù)水位的監(jiān)測；⑤電壓電流傳感器：選用輸出為0A～5A的電流互感器和0V～5V的電壓互感器，將電流與電壓經(jīng)過倍數(shù)降低轉(zhuǎn)換后，變?yōu)?V～5V的電壓信號，送入PLC中；⑥真空度檢測傳感器：采用ZDY-I型真空計對真空度進(jìn)行測量，將其安裝在與水泵內(nèi)部接通的真空管道上［5－6］。

2.3 電動閘閥、電磁閘閥設(shè)計

為實現(xiàn)排水過程的自動控制，本系統(tǒng)將手動閘閥改為電動閘閥，通過閘閥上的接線端口與PLC相連，PLC可直接控制它的開關(guān)狀態(tài)，同時在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)界面，工作人員可直觀地看到每個電動閘閥的開關(guān)狀態(tài)。

本系統(tǒng)中，排水管路的出水閥選用蘭陵MZ941H-25-DN300型電動閘閥；止回閥選用 H44H-40-DN300型礦用電動閘閥；控制抽真空的閘閥選用蘭陵MGQ-40-DN25型真空閥與射流泵配套使用。

3 軟件方案設(shè)計

3.1 PLC下位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計

本系統(tǒng)采用STEP7軟件編制水泵自動化控制系統(tǒng)控制程序。STEP7編程軟件布局清晰、操作方便，用戶可將復(fù)雜的程序構(gòu)造化、模塊化，即把程序劃分成多個獨立的子程序，簡單、快速、順利地設(shè)計出自動化控制流程［7］。

整個系統(tǒng)的監(jiān)控流程如下：PLC軟件啟動后，首先對整個系統(tǒng)初始化，工作人員將控制指令輸入到PLC進(jìn)行控制方式選擇，自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)了手動、半自動、自動三種控制方式；控制方式選擇完成后，對煤礦井下的各類環(huán)境參數(shù)及設(shè)備性能參數(shù)進(jìn)行檢測，并選擇水泵的啟動臺數(shù)；系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，通過水位傳感器將水位變化信號發(fā)送至PLC，由PLC對水位變化數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和判斷，從而對水泵進(jìn)行啟停控制。PLC自動控制模式選擇流程圖如圖2所示。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)對水泵自動化控制系統(tǒng)的全面監(jiān)控，使現(xiàn)場工作人員對井下排水系統(tǒng)以及周邊環(huán)境有整體的了解，采用MCGS組態(tài)軟件開發(fā)了一款具有友好人機(jī)交互界面的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，將它作為用戶與水泵自動化控制系統(tǒng)交流的工具。

根據(jù)功能的需要，上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)包括用戶登錄界面、參數(shù)設(shè)置界面、配置生成界面、歷史數(shù)據(jù)存儲界面、實時數(shù)據(jù)報表曲線顯示界面、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示輸出界面、遠(yuǎn)程控制界面等。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可選擇自動化控制系統(tǒng)的工作模式，在自動化控制模式下，工作人員可對液位高低、水泵的投退進(jìn)行自動選擇，它的數(shù)據(jù)存儲功能為工作人員提供了極大的方便，可對任何歷史操作記錄進(jìn)行查詢，為設(shè)備的維護(hù)、控制帶來了極大的方便。本軟件采用數(shù)據(jù)庫儲存的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存［8］。圖3為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 水泵自動化控制系統(tǒng)控制模式選擇流程

圖3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4 結(jié)論

本文在分析煤礦井下傳統(tǒng)水泵控制系統(tǒng)存在諸多不足的基礎(chǔ)上，基于計算機(jī)技術(shù)、微控制器技術(shù)、傳感器檢測技術(shù)、組態(tài)王技術(shù)等提出一種新型的基于PLC的水泵自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對井下排水系統(tǒng)的有效檢測和自動化控制。該系統(tǒng)設(shè)計方案目前已在煤礦投入使用，運(yùn)行結(jié)果表明，其改善了原有系統(tǒng)的不足，從技術(shù)和管理上保障了排水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，降低了主排水泵的故障率，提高了水泵的使用效率，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。