煤礦井下水泵機組的自動化改造設計

呂國強

(山煤集團煤業管理有限公司晉南分公司，山西 臨汾 041000)

0 引言

井下主排水泵為煤礦的大型關鍵設備，主要的功能是排除煤礦井下涌水，保證礦井有一個安全的生產環境。一些老礦井的排水泵系統未得到合理的改造，對其進行合理管理有很大難度。主要有以下幾個問題[1]：每個水平排水泵房都需要設專人值班，水泵操作幾乎都是泵房司機操作，人員多、勞動強度大；設備運行故障時，人僅能憑借自己的經驗去區分系統的故障狀態，不能對故障進行有效地處理，可靠性差；礦井地面指揮中心不能實時了解水泵機組的運行狀態，不能有效地進行故障控制，容易造成故障的擴大化。為此需要進行自動化改造。

1 排水泵自動化改造功能要求

1.1 系統的功能

操作控制：①在緊急情況下或設備維護時，工程師可以通過按鈕及指示燈完成對球閥、閘閥及供電系統進行控制；②可以通過用戶端實現對水泵運行狀態參數進行控制；③可以實現對水泵機組的遠程控制，以及對水泵機組的運行狀態進行監視井，對水泵的運行參數具有實時的存儲功能；④在運行過程中，能實現自動化運行，能根據水倉水位、用電狀況等信息合理的調整水泵機組的運行狀態。

報警顯示：系統在運行時可以實時顯示水泵控制系統的狀態信息，例如水倉水位，電機電流、電壓、功率因數，水泵負壓、壓力、流量以及水泵機組轉軸溫度等信息。此外，系統還應具有一定的故障診斷和處理能力，在系統出現故障時，用戶端應能發出報警并顯示故障的類型，并能根據故障的類型做出相應的處理，例如停機、降低轉速等。

語音通信：系統應具有語音和視頻通信能力，在發生緊急故障時，可以直接與指揮中心進行交流，以降低故障帶來的損失。該系統可以具有不同的權限功能，在運行時可以顯示設備的運行狀態、運行時間及下次檢修日期提示等功能。

1.2 系統設備要求

系統用于煤礦井下的控制設備、各類傳感器、電源的防護等級和外殼結構應符合煤礦井下環境的使用要求，取得煤安標志。因此，應注意做好設備的外殼結構設計，處理好電子元器件的散熱問題。

2 排水泵自動化系統改造設計

2.1 系統硬件設計

總體結構：為了滿足水泵的自動控制監測的功能，對系統的結構進行了全局的設計。該系統主要有4層結構，可以分為現場層、監控層、診斷層以及故障的遠程處理層。系統的總體結構如圖1所示，主要通過各個層之間的相互作用來實現水泵的自動化運行。各層結構之間可以實現相互通信，傳遞相應的控制信號，以完成對水泵的運行進行自動控制?？傮w而言，控制實現的主要部分是系統的硬件電路。隨著集成電路的發展，相應的電路模塊已經實現了集成。

圖1 子系統總體結構

現場層：井下泵房現場層直接面向水泵機組的控制與信號采集。采用ET200 Profubus-DP從站，并配置數字量輸入輸出模塊以及模擬量輸入模塊，利用具有通信功能的測控儀表可以減少主站的資源。由于不對水泵機組的溫度進行控制，無需對帶有DP總線接口的德陽捷通DDMF5-8ADP模塊編寫相應的通訊程序。為了防止DP網絡因為電流過載而出現故障，應該在DP網絡的最后一個模塊上加上保護電阻。工業平板電腦通過數據采集卡采集水泵機組的振動信號，并進行預處理，通過工業以太環網將數據傳輸到地面故障診斷中心的。

監控層：監控層主要是對變電所的水泵的集控柜和供電集控柜的運行狀態進行監視，其主要由DP總線主站PLC和信息采集系統組成。PLC作為主控制器完成邏輯處理、控制及簡單數據處理等功能，并通過Profibus-DP現場總線和泵房現場層設備進行通訊，觸摸屏有良好的人機界面實現水泵機組的集中管理控制[2-3]。系統下位機硬件配置由主PLC、觸摸屏、模擬量和開關量采集、執行部分等組成。PLC模塊PLC為系統核心部分，這里選用高可靠性的S7-300系列PLC。

2.2 系統軟件設計

程序結構：系統軟件主要程序結構圖如圖2所示，主要有就地箱和集控柜的PLC軟件程序、平板電腦軟件程序和上位機軟件程序。PLC其主要特點是對強電和弱電都有很強的適應性，抗干擾能力很強，但是其算術運算能力差。為此需要上位機，上位機的主要功能是對采集的信號進行處理，并發出相應的邏輯控制信號，供PLC控制使用。平板電腦最大的優點是集成度高，人機對話能力強，可以快速實現人機交互，最主要的特點是用于手動控制。

圖2 系統軟件框架圖

程序編寫工具：水泵機組自動監測控制系統在地面采用的是ET200的DP從站，從站和PLC程序都是受主站控制的。由于PLC使用的西門子的300系列，所以利用STEP7工具來編寫PLC程序。

主程序流程：為了控制系統的穩定性，在編程時應保證程序模塊的獨立化[3]。其運行的整個流程是，PLC初始化變量通過調用OB100，在進入主循環后進行條件判定，根據輸入的參數來確定PLC系統的運行模塊；完成一個循環后，PLC進行掃描，更新相應的參數，進入另一個循環[4]。

上位機通信程序模塊：主要的功能是完成上位機和主控PLC的數據交換，并將接收到的數據和控制命令，傳遞給平板電腦端。

就地控制程序模塊：主要功能是通過按鈕來完成對水泵啟停的控制。

半自動控制程序模塊：主要的功能是完成水泵的半自動化控制，通過上位機和觸摸屏發出的指令，利用按鍵來實現水泵的啟停。

自動控制模塊：主要功能是完成水泵自動化控制，系統接受自動控制指令后，根據水倉水位、水位上升速率，自動判定工作水泵運行臺數、控制水泵抽真空和啟停、控制出水閥門的啟閉。

模擬量采集程序模塊：主要的功能是對采集來的壓力、負壓、液位、溫度進行處理并將其轉化成相應的數字信號。突發事故處理程序模塊，其主要功能是根據相應的參數實現對水泵機組運行時的故障進行處理，并發出相應的控制指令，控制相應的裝置動作。

綜保通信程序模塊：主要功能是將獲得的參數，例如電壓、電流、功率等，傳遞給相應的控制模塊。觸摸屏通信程序模塊的主要功能是實現與PLC進行數據交換，主要是通過自帶的MPI通信與PLC完成數據的交換。

故障報警程序模塊：當水泵機組的運行狀態出現異常時，系統會根據測量到的信號發出相應的動作指令給相應的機構。在故障時，故障報警程序模塊可以自動地完成水泵的停止并發出相應的警報信號。此外，還會調用半自動化程序，將故障的原因和信息在上位機上顯示。

3 結語

為了提高對煤礦水泵機組的管理水平和維護水平，對水泵機組進行自動化改造，給出了系統總體結構圖、系統硬件以及軟件設計思路?？梢詾橄嚓P技術改造項目提供指導。