基于環形工業以太網基礎礦井泵房自動化控制系統設計與研究

楊珍珍，侯波，王戈

(1. 濰坊職業學院，山東 濰坊 262737； 2. 福爾波西格林輸送科技(中國)有限公司，山東 淄博 255025；3. 淄博金喬建設工程公司，山東 淄博 255025)

0 引言

礦井井下泵房作為礦產企業的重要構成部分，會直接影響該企業的安全生產和企業效益。目前我國煤礦開采深度逐年增加，漏水、涌水事故數量也在明顯增加，給礦區的安全生產帶來了極大的風險。而現有的煤礦大多采用就地水泵來人為控制排水，效率低下且安全性不足。目前礦井井下泵房的自動化升級改造成為礦山企業技改的重要方向之一，同時我國安全生產監督管理總局在《煤礦防治水規定》中也提出：受水位威脅嚴重的礦井，應當實現井下泵房無人值守和地面遠程監控。

本文基于上述現狀，介紹了一種基于環形工業以太網的礦井泵房自動化控制系統。由PLC控制整個井下水系統，同時通過工業以太網與整個礦井的控制系統進行組網，實現礦井的信息化管理和自動化控制，以減少故障，提高效率。

1 系統介紹

系統的設計目的是實現排水系統自動控制與水位高低實時監測，以減少水害，同時根據水量實時掌握礦井水文地質的變化，為后續開采打好基礎。本系統采用三級排水自動化控制系統及泵房水文動態控制、報警系統[1]。

1.1 環形網絡介紹

環形網絡是工業行業中應用最廣泛的一種網絡結構，其特點是將中心節點和各下層節點串接成環形，因而在節約投資的基礎上，使網絡系統具有了最基本的鏈路冗余功能[2]。本系統網絡拓撲如圖1所示。

圖1 系統環形網絡拓撲圖

1.2 系統水路介紹

系統基于礦山正在使用的四臺手動控制的主排水泵及附屬的抽真空系統(射流管路和真空泵管路)、兩條排水管路來進行升級改造，泵房布置如圖2所示。

圖2 礦井排水泵房布置例圖

2 系統硬件及功能

2.1 系統硬件組成

控制系統主要由上位控制計算機、主控制柜與分布式防爆控制臺組成。主控制柜選用某公司的Logix5000系列PLC作為總控制CPU[3]，同時安裝了EtherNetIP工業以太網通信模塊和DeviceNet設備層掃描模塊。EtherNetIP通信模塊實現與礦山總控制系統的通信，DeviceNet掃描模塊用于監控每臺水泵的子系統。每臺水泵使用單獨的防爆控制柜子系統，控制柜內裝有Rockwell的FlexIO來實現信號的采集與控制，控制柜柜面安裝旋鈕、按鈕、指示燈等，用于就地控制以及運行狀態的顯示。同時主控制柜內安裝有工業交換機及光電轉換器等[4]，通過上述硬件實現環形網絡拓撲。

系統配備各種傳感器與智能數字儀表，例如使用超聲波液位計來監測儲水倉的水位，使用真空計來監測射流泵排真空的真空值，使用壓力傳感器來監測水泵出口的流體壓力等，上述傳感器均采用4～20mA直流模擬量信號，接入防爆控制臺的模擬量輸入模塊。同時為了防止傳感器故障等，儲水倉另增加了液位開關，用于緊急情況下的控制，其信號接入控制臺的數字量輸入模塊。

另外系統還配備溫度傳感器、流量傳感器、電壓電流及功率監測等。

2.2 系統功能

系統使用時主要有手動及自動兩種模式[5]。手動模式與原有的控制差別不大，自動模式的主要控制功能如下所述。

1) 水泵啟停控制。系統根據液位的高低、運行溫度等來合理控制所有的水泵，并根據生產需要合理調配，實現控制的自動化。

2) 水位控制。儲水倉水位分為低水位、正常水位和高水位3個控制值，超過高水位時需要發出報警信號。另外液位開關設為高水位，此時可能需要人為干預。

3) 運行監控。系統實時監控水泵的運行狀態，比如運行時的正負壓、電機及軸承的溫度、系統電流電壓等。上述數據可以設定閾值，超過閾值時系統會發出報警。系統也實時模擬顯示流體的運動及流量，閥門的動作等。

4) 報警及數據記錄。系統能夠實時顯示當前發生的故障，同時與所有歷史運行數據一起進行存儲，方便查詢。

3 系統控制邏輯

3.1 總控制邏輯

系統總控制邏輯如圖3所示。在發出開始指令后，設備首先判斷水位高低，如果目前在低點則無需啟動水泵，如果超過低點即需排水，并按照先使用真空泵和射流閥給水泵充水，之后再啟動水泵。啟動完成后，關閉真空泵和射流閥并打開出水閥；運行中等待停泵信號。如需停泵時，關閉出水閥之后再關閉水泵正常停機。

圖3 總控制邏輯圖

3.2 水位控制邏輯

水位的控制邏輯如圖4所示，1#泵正常啟動后會根據水位情況來判斷是否投入2#泵，同時2#泵啟動后系統也會根據水位情況判斷是否需要停止2#泵或者是否需要投入3#泵。以此類推，4#泵的處理與3#泵相同。

圖4 水位控制邏輯圖

3.3 系統操作界面介紹

應用FactoryTalk SE軟件繪制控制系統界面，可以實現實時在線對系統進行監測與控制。如前文所述，系統有手動和自動兩種操作模式，在自動模式時，所有的設備啟停都需要受到連鎖條件的限制，設備的啟停及運行控制基本實現無人值守。系統控制界面如圖5所示。

圖5 礦泵控制系統

4 系統應用效果

對原有礦山泵房采用環行以太網自動化控制系統升級改造后，基本實現了礦井泵房排水系統自動控制，水位高、低實時監測、泵房無人值守等。同時由于工作工時的減少，原泵房三班值班制改為了定期巡檢制，節省下的員工可投入到了生產一線。系統改造投資費用約600萬元，改造前后費用對比如表1所示。

表1 升級改造費用對比 單位：萬元/年

從表1可以看出，系統升級改造后，折舊及維保費用會增加，但工時費、電費等得到了降低。按此計算兩年左右即可收回投資。同時采用本系統后具備報表功能，并能夠掌握礦井的水文規律，有效地支撐了井下排水系統的安全運作，減少故障的發生概率，更有利于管理者實現人員統一的調度、優化和協調[6]。

5 結語

本文結合礦井泵房的現狀給出了礦井中央泵房自動化排水系統總體設計方案。該系統針對各種防治水故障、水泵的自動化控制因素在礦井環形工業以太網實現遠程自動控制，最大程度地保障了礦井的安全生產，從而實現了人員無失誤、設備無故障、系統無缺陷、管理無漏洞的現代化煤礦企業管理模式。