煤礦井下排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

周繼昌

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)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(shí)要求監(jiān)視器能及時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)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(dòng)化控制系統(tǒng)，并取得了很好的應(yīng)用效果。

1 排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)原理與組成

1.1 系統(tǒng)原理

井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)必須同時(shí)具備自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)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(jì)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(gè)泵站的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控。其中PLC還可根據(jù)系統(tǒng)顯示屏信息向控制臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)出的自動(dòng)開關(guān)信號，從而精確控制泵和其他相關(guān)傳動(dòng)設(shè)備的正常啟動(dòng)和停止。

1.2 系統(tǒng)組成

井下水泵是進(jìn)行煤礦井下漿體和水輸送的主要機(jī)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(hù)容易等特點(diǎn)而被廣泛采用。井下泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)根據(jù)供水方式分2個(gè)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(shí)，具體方法的選擇需要詳細(xì)分析礦井實(shí)際要求，同時(shí)還應(yīng)考慮噴射泵、真空泵等不同運(yùn)作機(jī)器的運(yùn)行原理，最終形成井下泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)，見圖1。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)介紹

自動(dòng)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(gè)核心功能是自動(dòng)執(zhí)行編程和獨(dú)立管理一個(gè)微控制器。Step7編程語言應(yīng)用程序中同時(shí)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(shí)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(dòng)進(jìn)行軟件編程，掌握設(shè)計(jì)自動(dòng)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(gè)程序和一個(gè)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(jì)的目的主要是確定各種可編程設(shè)計(jì)模板的相互通信功能。成功進(jìn)行硬件系統(tǒng)配置后，會(huì)自動(dòng)為用戶示例數(shù)據(jù)生成一個(gè)軟件，此編程后示例的數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在名為“STEP7”的對象模塊文件夾中。

2.2 數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與檢測原理

西門子自動(dòng)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(dòng)采集數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)數(shù)字主要功能包括啟動(dòng)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(jìn)行計(jì)算的粒子信號。

2.3 系統(tǒng)控制流程

水泵自動(dòng)開啟的詳細(xì)解析操作過程見圖2。

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

當(dāng)泵在壓力或電流和溫度超過指定值狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，將發(fā)出警報(bào)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(bào)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(jì)

3.1 設(shè)計(jì)要求

上位機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)交互界面的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)虛擬主機(jī)時(shí)，應(yīng)充分考慮使用軟件執(zhí)行響應(yīng)操作所需的成本時(shí)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(jì)，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(shí)時(shí)遠(yuǎn)程訪問控制更加容易。

3.2 上位機(jī)與PLC的通信程序

上位機(jī)與PLC通過OPC進(jìn)行通訊。OPC是進(jìn)行主機(jī)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(shí)對多個(gè)服務(wù)器/網(wǎng)絡(luò)客戶端進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，以確保數(shù)據(jù)源/設(shè)備存儲(chǔ)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)娇蛻舳顺绦颉PC用于現(xiàn)場系統(tǒng)應(yīng)用程序界面的開放式過程指示，通常可以視為標(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(dòng)化應(yīng)用程序，現(xiàn)場系統(tǒng)安裝和基于PC的移動(dòng)應(yīng)用程序。

3.3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)的程序

在遠(yuǎn)程查找數(shù)據(jù)時(shí)，如果對操作系統(tǒng)中的軟件或設(shè)備參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)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(shí)更改井下作業(yè)設(shè)備的軟件參數(shù)和遠(yuǎn)程控制。在成功注冊了應(yīng)用軟件之后，用戶會(huì)自動(dòng)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(jìn)了礦山生產(chǎn)自動(dòng)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(qiáng)了煤礦管理，提高了設(shè)備使用壽命，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)顯示的水位低時(shí)，可關(guān)閉所有泵；當(dāng)水位中等時(shí)，打開1#泵；當(dāng)水位高時(shí)，打開1#、2#泵；當(dāng)界面彈出警告提示框時(shí)，系統(tǒng)將同時(shí)發(fā)出語音警告。系統(tǒng)中的泵均獨(dú)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(gè)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(shí)，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(bào)警功能的測試

對于水位、壓力、流量和負(fù)壓等異常，報(bào)警監(jiān)測系統(tǒng)可以立即自動(dòng)報(bào)警，以便及時(shí)處理。因此，有必要設(shè)置系統(tǒng)報(bào)警，界面見圖6。系統(tǒng)還可對報(bào)警信息（報(bào)警信息分非緊急、一般緊急、緊急和特殊緊急4類）進(jìn)行分類，方便查看和記錄。報(bào)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(shí)際情況對水泵房自動(dòng)控制排水系統(tǒng)方案進(jìn)行了綜合設(shè)計(jì)。應(yīng)用自動(dòng)控制排水系統(tǒng)后，煤礦生產(chǎn)效率得到提高，實(shí)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(huì)意義重大。