基于本安工業控制機的自動排水控制系統設計

高測科 余 洪

(四川廣旺集團船景煤業有限責任公司，四川 宜賓 645253)

基于本安工業控制機的自動排水控制系統設計

高測科 余 洪

(四川廣旺集團船景煤業有限責任公司，四川 宜賓 645253)

介紹了一種以本安工業控制機為核心基礎，采用CAN總線下設傳感器和驅動器的方式，結合VC++和上位機組態軟件組成的自動排水控制系統，實現了煤礦排水系統的自動控制和無人值守?，F場實踐表明，該控制系統穩定可靠，能滿足煤礦井下安全生產需求。

本安；工業控制機；自動排水控制系統；設計

0 引言

根據礦井涌水量和煤礦專業相關規定，煤礦井下一般建設有2個相互連通的水倉，一用一備，作為礦井打水的主要方式。泵房內通常安裝有3臺及以上離心水泵和大功率電機，分別用作工作泵、備用泵和檢修泵，同時架設有2個以上總出水管路作交替使用。同時，水泵啟動前對水泵上引水通常采用射流泵或真空泵抽真空吸引等方式來完成[1]。

為了讓礦井主排水系統能安全可靠地運行，該系統實現自動化控制是非常有必要的。根據以上情況，特采用本安工業控制機、相關控制器和各類傳感器配套組成一套水泵自動控制系統，該系統通過控制主排水系統的主要設備和沿線的智能節點，實現主排水水泵的半自動控制、自動控制、遠程控制以及無人值守，有效提高了煤礦生產效率。

1 控制機原理

本安工業控制機的主要組成部分有內部主板、LCD液晶屏、按鈕、送話器、各類外部接口等，控制機具備2路485接口，一路CAN接口以及2個以太網接口，控制機系統硬件平臺應用基于ARM內核的英特爾公司設計生產的處理器，操作系統選用廣受業內好評的Windows CE軟件操作平臺。

ARM內核處理器具有體積小、功耗低、性能好等多種特點，在工業控制、電子通信、軍工等領域得到了較為廣泛的應用。ARM內核處理器CPU選用英特爾XScale PXA270微處理器。PXA270芯片是一款集成了32位XScale處理器核、多通信信道、LCD控制器、增強版存儲控制器、PCMCIA/CF控制器和通用總線型I/O口的應用處理器[2]。

本安工業控制機電氣原理圖如圖1所示。

圖1 本安工業控制機電氣框圖

2 系統總體結構

以本安工業控制機為平臺的水泵控制系統由以下主要設備組成：本安型工業控制計算機1臺、多功能驅動控制器多臺、通用智能I/O接口、電壓/電流/流量等各種傳感器多臺、地面監控上位機等，結構如圖2所示。

圖2 自動排水控制系統結構圖

該系統配置1臺本安工業控制機，主要用作采集和處理水泵房各傳感器信息和數據，每臺泵旁邊配置1臺多功能驅動控制器，整個泵房配置若干臺通用智能I/O接口及各種傳感器，通過以上設備就組成了排水監控系統。每臺泵旁邊分別配置1臺多功能驅動控制器，主要用于對每臺泵的電動閘閥、水泵電機、射流泵電動球閥進行控制，同時采集被控設備的運行情況，即采集各種模擬信號(正壓、負壓、水位、流量等)，如需采集電流型模擬量信號需要配置電流轉頻率模塊。每臺泵分別配置1臺負壓傳感器用于監測水泵泵體的真空度、1臺正壓傳感器用于監測出水管的出水壓力，并配置1臺管道液位傳感器用于監測泵體滿水情況和出水流量情況。泵房主副水倉分別配置若干臺水位傳感器(每個水倉配置1個，原則上不少于2臺)，用于實時監測水倉水位變化情況，作為自動啟停水泵的主要依據和關鍵參數。泵房配置若干臺流量傳感器，實時監測每臺泵的出水流量。整個泵房配置若干臺通用I/O接口，接入每臺泵的模擬量參數(電機溫度等)。

3 系統控制方式

基于本安工業控制機的排水自動控制系統有4種控制方式：(1) 就地手動：泵組電動球閥、電動閘閥、水泵電機等設備的啟動，由多功能驅動器面板上的控制按鈕發出啟停命令，在本安工業控制機面板上可以查看當前運行水泵的運行狀態。(2) 就地自動：泵組電動球閥、電動閘閥、水泵電機等設備的啟動，由本安工業控制機面板上的一鍵啟動按鈕發出啟停指令，各個環節設備按照既定流程順序啟動，同時在工業控制機面板上可以觀察到當前設備的啟動狀態和運行狀態。當任意啟泵條件不具備時，本安工業控制機將發出聲光及文字報警，并采取相應的預警措施。(3) 遠程半自動：由地面值班人員根據現場情況，通過地面控制機遠程啟動水泵。(4) 全自動無人值守：系統根據水倉的高低水位實現泵組的啟停。高水位啟運行泵組、超高水位啟備用泵組、低水位自動停泵，若任意啟泵條件不具備，地面上位機發出聲光報警，由值班人員處理完故障后恢復全自動無人值守作業。

4 系統軟件設計

4.1 本安工業控制機程序設計

本安工業控制機程序系統選用微軟Embedded VC++作為開發應用軟件。軟件中的通訊和控制模塊均采用基于COM口的組件服務技術，有效地保證了數據傳輸的高速和可靠性，確保了控制系統的實時性。該COM技術可使用任意開發語言，可在不影響水泵正常工作的前提下進行升級，在網絡上重新分配位置從而更加透明[3]。從用戶界面上看，通過在軟件的圖形模塊上應用圖形交叉隱現技術降低了資源消耗，并很好地保持了圖形的效果，確保了圖形自身的美感和不占用系統更多的資源。

4.2 系統上位機軟件

上位機軟件采用了組態軟件，上位機通過Modbus協議與本安工業控制機進行通訊，主要具備以下幾項功能[3]：(1) 實時顯示和監測各水倉水位情況；(2) 實時監測水泵運行過程中的情況；(3) 監測各個設備狀態信息，如有異常發出聲光和文字報警；(4) 對井下水泵房控制設備進行遠程控制，控制水泵和閘閥的啟停；(5) 可查詢水泵運行和各類傳感器檢測的歷史記錄、各類參數和故障歷史報警等；(6) 打印運行報表。

5 結語

對比目前使用較多的以PLC為核心組件的自動排水控制系統和基于本安工業控制機的自動排水控制系統，后者的各傳感器、執行器、控制器等全部掛接在總線上，既滿足了控制的靈活性和方便性要求，又極大地減少了各類線纜的敷設，將來對系統進行升級和擴展也極為便利。系統自帶多路多種通訊接口，支持多種通訊協議并行通訊，聯網方便快捷，可通過工業以太環網、光纜以及電纜與地面上位機實現通訊，通過地面上位機可與信息自動化平臺共享全礦井數據。

該系統目前已在四川廣旺船景煤業公司等多個煤礦投入使用，取得了良好的效果，對煤礦實現安全生產、節能減排和減員增效具有重要意義。

[1]陳子春，劉向昕.井下中央泵房水泵自動化控制系統的研究與應用[J].工礦自動化，2007(2)

[2]祝國源.基于ARM的礦用本安型工業控制機的設計[J].工礦自動化，2010(8)

[3]Randy Abernethy.COM/DCOM技術內幕[M].清華大學出版社，1999

2014-06-03

高測科(1987—)，男，四川內江人，機電助理工程師，主要從事煤礦自動化系統應用和研究工作。