煤礦用泵站控制系統國產化改造

喬永軍

(神華神東煤炭集團公司 設備維修中心，陜西 神木 719315)

0 引言

泵站是為煤礦井下綜采工作面提供液壓動力和噴霧降塵的設備，其可靠運行既能保證礦井產能，且能為煤礦一線工人提供低塵的工作環境。因此，資金狀況好的企業多選用進口名優泵站，但是進口泵站存在外方服務費用高、備件供貨周期長、技術封鎖等問題，迫使煤礦企業需要對進口泵站進行國產化改造。目前國內進口的泵站大多為卡馬特和雷波兩家，本文介紹一種在卡馬特、雷波泵站控制器現有功能基礎上開發的國產化乳化液泵站控制系統。該套泵站控制系統融合了卡馬特、雷波兩家泵站控制系統的功能，滿足乳化液泵站4泵2箱，噴霧泵站3泵1箱、高壓過濾站的控制需求，可實現泵站自動、手動控制；并且能夠對國產礦用隔爆兼本質安全型變頻器進行控制，由變頻器驅動乳化泵或噴霧泵，實現恒壓供液。

1 控制系統結構

控制系統采用現場總線控制技術，設計了控制主站和控制分站。主站一臺，分站多臺(數量等于被控設備的數量)，主站與分站之間采用CANOpen通信協議。主站另設RS485總線接口和計算機網絡接口，與外部設備交換數據信息，實現信息共享和遠程控制功能。系統結構如圖1所示。

圖1 泵站控制系統

2 硬件設計

2.1 主站設計

顯示器：選用進口12吋液晶顯示屏，硬件功能如下：①高分辨率，高亮度的色彩，附高速圖形控制器，閃存存儲畫面；②前面板防水、防塵處理，防護等級：IP65F；③方便安裝的超薄設計，具有串行、并行通訊口；④耐用的矩陣式觸摸鍵；⑤基于Window的人機界面設計軟件工具，可下載操作系統軟件及字體庫數據，動態的用戶圖形和Tags界面，支持中文、英語、韓文、日語等多語種，多種控制器通訊驅動支持；⑤控制器具有協議分析通訊診斷功能，具有數據、參數批處理的配方功能，具有數據上載功能(屏幕/轉移/處理數據)，便于使用內部緩沖器的存儲器，直接/間接地址設定到PLC或控制器。

軟件編程功能：①支持 Windows95/98/NT/2000/ME/XP；②完整的工程項目管理環境；面向對象的圖形和動態Tags編輯；可通過下載系統軟件和字體數據進行升級；方便使用的圖形和Tag工具手柄；多屏預覽；自動屏幕保護；③圖形微處理畫面放大功能(100%、200%、300%)；按Microsoft Excel工作表格方式打印Tags列表；可以使用方向鍵移動或調整大小；④Windows屏幕組成的信息—圖表、Tags、選擇對象的列表；⑤具有內部通訊存儲區—系統緩沖區；⑥直接/間接設備地址設定；⑦支持系統零件庫；支持文本，支持位圖，支持Windows所有字庫；⑧支持在線仿真。

控制器：選用進口高端PLC CX9000，CX9000是一種可以安裝在DIN導軌上的緊湊型以太網控制器，配備了帶XScale?技術的Intel?IXP420處理器，時鐘頻率為266 MHz。Beckhoff I/O系統可以直接集成到CPU模塊中。CX9000包括CPU、帶兩種配置選項的內部閃存、主內存(RAM)(有兩種尺寸可用)及用作非易失性內存的NOVRAM。基本配置還包含兩個以太網RJ45接口。這兩個接口與一個內部交換機相連，用戶可以在不使用額外以太網交換機的情況下簡便地創建線型拓撲結構。CX9000還以Ⅰ型和Ⅱ型CF卡的形式提供了可選的存儲介質。操作系統為 Microsoft Windows CE。TwinCAT自動化軟件將CX9000系統轉換為一個功能強大的PLC和運動控制系統，無論在帶或不帶可視化功能的情況下都可以進行操作，見圖2。

圖2 主站控制器

圖3 分站控制器

通訊端口分配：將兩路RS485接口和兩路CANopen接口連接到 CPU模塊上。一路RS485與顯示屏通信，另一路RS485與組合開關通信；一路CANopen與乳化泵分站通信，另一路CANopen與噴霧泵分站通信。

2.2 分站設計

分站采用隔爆兼本質安全型結構，由電源箱和操作箱兩部分構成。電源箱提供一路24 V本安電源和一路12 V本安電源；操作箱包含控制器和操作按鈕，見圖3。

控制器選用進口小型PLC-BC5150 | CANopen“緊湊型”總線端子模塊控制器。

總線端子模塊控制器是集成有PLC功能的總線耦合器。BC5150具有外形精巧、性價比高的特點。CANopen控制器具有自動檢測波特率的功能(最大1Mbaud)，有兩個地址選址開關用于地址分配。

BC5150可使用符合IEC 61131-3標準的TwinCAT編程系統進行編程，以使用5種不同的編程語言(IL、FBD、LD、SFC、ST)編寫。BC5150的組態/編程接口用于裝載 PLC程序。如果使用軟件PLC TwinCAT，則PLC程序也可通過現場總線裝載。所連接的總線端子模塊的輸入和輸出被分配在PLC的默認設置中。可對每個總線端子模塊進行配置，使其直接通過現場總線實現與上層自動化設備的數據交換。同樣，預處理的數據也可通過現場總線實現總線端子模塊控制器和上層控制器之間的數據交換。PLC程序還可以對周期時間進行調節和測量。

3 現場總線

3.1 主、分站之間采用CANOpen通信

CANOpen是在CAN基礎上開發的應用層協議，該協議使各個站有了站號(Node-ID)的概念，有一個網絡管理主機(NMT-Master)對各個站進行初始化，掉線的響應等。它在繼承了CAN總線抗干擾能力強，安全可靠的基礎上，又大大提高了各個站的控制能力。

CAN屬于現場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。較之許多RS-485基于R線構建的分布式控制系統而言，基于CAN總線的分布式控制系統具有明顯的優越性：①CAN控制器工作于多種方式，網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權(取決于報文標識符)采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據，且CAN協議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數據進行編碼，這可使不同的節點同時接收到相同的數據，這些特點使得CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和系統的靈活性；②與其它現場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現場總線。這些也是CAN總線應用于眾多領域，具有強勁的市場競爭力的重要原因；③CAN實現總線分配的方法，可保證當不同的站申請總線存取時，明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發送數據時產生的碰撞問題。甚至當總線在重負載情況下，以消息內容為優先的總線存取也被證明是一種有效的系統。雖然總線的傳輸能力不足，所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網絡中，如Ethernet系統往往由于過載而崩潰，而這種情況在CAN中不會發生。

3.2 主站與組合開關之間采用RS485通信，Modbus_RTU協議

RS485屬于有線傳輸，硬件傳輸媒介只需兩根線，RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。每臺泵的啟動或停止指令由主站通過RS485總線發給組合開關，組合開關將每臺泵開關回路的閉合或分閘狀態通過RS485總線發給主站，不再使用先導和反饋電纜，省工省時省費用。

Modbus協議詳細定義了校驗碼、數據序列等，這些都是特定數據交換的必要內容。Modbus協議在一根通訊線上使用主從應答式連接(半雙工)，在一根單獨的通訊線上信號沿著相反的兩個方向傳輸。首先，主計算機的信號尋址到一臺唯一的終端設備(從機)，然后，終端設備發出的應答信號以相反的方向傳輸給主機。Modbus協議只允許在主機和終端設備之間通訊，而不允許獨立的終端設備之間的數據交換，各終端設備僅限于響應到達本機的查詢信號。

查詢：查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執行何種功能。數據段包含了從設備要執行功能的任何附加信息。數據段必須包含要告之從設備的信息：從寄存器開始讀及要讀的寄存器數量。錯誤檢測域為從設備提供了一種驗證消息內容是否正確的方法。

回應：如果從設備產生一正常的回應，在回應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應。數據段包括了從設備收集的數據—如寄存器值或狀態。如果有錯誤發生，功能代碼將被修改以用于指出回應消息是錯誤的，同時數據段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設備確認消息內容是否可用。

4 軟件設計

4.1 控制功能

控制系統可實現泵站自動、手動與就地控制；控制系統具有對泵站油、水和液箱完整的傳感器保護功能，具有潤滑油壓力低保護，潤滑油過溫保護、吸液口壓力過低保護、液箱超溫保護、乳化油液位低保護、水箱水位低等保護。控制系統具有泵站系統進出液壓力、油溫、油位、油壓、水壓和乳化液箱液位、液溫、乳化油油位、油溫、乳化液濃度、水箱水位、水溫、回液壓力、回液中轉箱液位等設備的在線監測等，實現主要設備的狀態檢測、預警與保護。

控制系統自動檢測并顯示乳化液泵的出口壓力，并且通過卸載閥對系統壓力進行控制。系統壓力是由主泵的加載壓力決定的，一般情況下主泵的加載壓力下限設定為300 bar，上限為330 bar。加載閥不斷地動作使壓力在該范圍波動，而平均值基本維持在315 bar。從泵的加載壓力上限值和下限值依次遞減。

4.2 變頻調速控制

配套礦用隔爆兼本質安全型變頻器以后，控制系統具有變頻調速控制功能，能夠控制1臺乳化液泵和1臺噴霧泵的變頻調速，調速范圍在15～50 Hz之間；通過調節變頻電機轉速控制變頻泵站的流量，減少卸載閥的動作次數，降低系統壓力波動，降低能耗。調速控制采用PID算法，如圖4所示。

PID控制器結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便，已成為工業控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，控制理論所需的其它技術參數難以采用時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。PID控制器根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制。

圖4 泵站控制系統框圖

比例(P)控制：控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統輸出存在穩態誤差。

積分(I)控制：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。為消除穩態誤差，在控制器中須引入“積分項”。比例+積分(PI)控制器，可使系統在進入穩態后幾乎無穩態誤差。

微分(D)控制：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分(即誤差的變化率)成正比關系。自動控制系統在克服誤差的調節過程中可能會出現振蕩甚至失穩。其原因是由于存在較大慣性組件或滯后組件，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是增加“微分項”，它能預測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調。

PID控制器參數整定：它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。參數整定采用工程整定方法，通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。

噴霧泵PID控制源程序：比例參數Water1PID_P和積分參數Water1PID_I可以在主站控制器進行設置，出廠值分別為2.0和50。

(*設定水壓力的百分比值 *)

fbWater1PID.SP_INT：= UINT_TO_REAL(Water1PIDSetValue)*100.0 / 600.0；

(*實際水壓力*)

fbWater1PID.PV_IN：=INT_TO_REAL(WaterTankPress.Value)*100.0/600.0；

(*調用PID*)

fbWater1PID(

COM_RST：= Water1PumpState.State <> Water1PumpState.RUN_STATE，

MAN_ON：= NOT Water1EnablePIDControl，

PVPER_ON：= FALSE，

P_SEL：= TRUE，(* P控制使能禁用 *)

I_SEL：= TRUE，(* I控制使能禁用 *)

INT_HOLD：= FALSE，(*積分保持。保持：TRUE *)

I_ITL_ON：= FALSE，(**)

D_SEL：= FALSE，(* D控制使能禁用 *)

CYCLE：= t#20ms，(* PLC周期，一定要與實際PLC周期一致 *)

SP_INT：=，(*給定值 *)

PV_IN：=，(*實際值 *)

PV_PER：=，(**)

MAN：= 100.0，(*手動時候的輸出值 *)

GAIN：= UINT_TO_REAL(Water1PID_P)/10.0，(* P值 *)

TI：=UINT_TO_TIME(1000*Water1PID_I)，(* I積分時間*)

TD：= T#10s，(* D微分時間，必須大于PLC周期 *)

TM_LAG：= T#2s，(**)

DEADB_W：=0.5，(*死區 *)

LMN_HLM：= 100.0，(*輸出上限 *)

LMN_LLM：= 30.0，(*輸出下限 *)

LMN =>，(*輸出[0.0，100.0] *)

PV =>，(**)

ER =>)；(**)

乳化泵系統恒壓供液：通過軟件設置乳化泵系統壓力，壓力低于設定壓力時，電磁加載閥打開，變頻器加速，直至最大轉速；壓力高于設定值時，變頻器減速，直至最低轉速，此時如果壓力仍然高于設定值，則電磁加載閥關閉。對系統壓力的調節，優先調節變頻器轉速，減少電磁加載閥動作次數。

噴霧泵系統恒壓供液：噴霧泵系統為敞開式供液系統，完全依靠變頻器即可實現恒壓供液，在神東補連塔煤礦12511工作面泵站控制系統實際應用中，噴霧泵供液壓力誤差<1%(實際值與設定值相差>6 bar，壓力傳感器量程600 bar)。

泵站智能輪回控制：控制系統能實現泵站的智能聯動。泵站的“主、次、備”輪回控制，可以根據工作面用液情況實現泵站的智能啟、停控制；其中主泵是變頻泵，次泵和備用泵都是工頻泵。控制系統能進行動態的主從調整，變頻泵運行則變頻泵是主泵，變頻泵未運行時第一臺運行的泵是主泵，第二臺是從1以此類推。若當前的主泵停止運行(故障或人為因素)則從1泵應立刻提升為主泵。算法上是利用了一個隊列，所有運行的泵加入隊尾而停止的泵則出列，列首永遠為變頻泵保留。

列首M4M1M2

上面的情形顯然變頻泵沒有運行，M4是主泵、M1是從1，M2是從2。當M4故障停機時隊列如下。

列首M1M2

這時候M1立刻成為主泵，M2為從1。這個掃描隊列的時間自然是PLC周期。所以這一切在時間上不會差的太多。另一個重要的問題，泵頭剛運行時應避免立刻接通加載閥。這樣會導致重載啟動，這里選擇了5 s作為回避該問題的時間。5 s的時間影響不了采煤工作，但可回避掉重載啟動的問題。

數據記錄：主站控制器具有數據和故障記錄、自診斷功能、保存功能；具有壓力曲線顯示功能可以形象地觀察壓力的穩定情況。可以查詢歷史信息和運行信息，數據可以利用網絡傳輸到地面，在井上可以顯示井下主機上同樣的畫面，在地面實時監控。

5 結語

國產化泵站控制系統自2012年開發成功，已經在神華神東煤炭集團、內蒙古伊泰煤炭集團等大型煤礦企業廣泛應用。運行可靠、經濟，操作簡單，具有較大的推廣價值。