礦井排水系統水泵自動控制系統的設計分析

尤 靜

（晉能控股煤業集團馬脊梁礦，山西 大同 037027）

引言

煤礦排水系統自動化是全球企業與煤礦科學研究機構實踐和研究的主要方向，通常是在排水系統自動控制過程中引入繼電控制技術，PLC控制技術和智能控制技術。由于智能化控制與自動化運行的煤礦排水系統全面步入到實踐階段，當前國內部分大型的煤礦公司已完成機械自動化控制排水系統。但是自動化控制排水系統應用時還存在很多問題，如：設備維護困難、單一控制策略和后向保護措施。因此以PLC控制技術為基礎，并對排水系統泵里面的軟件設計與硬件結構展開分析。

1 排水系統的模型

排水系統模型如圖1所示[1]。圖中：H1、H2分別是儲水箱的高水位和低水位。u（k）是泵的決策向量；q（k）是取水量與儲水箱的水位函數。

2 硬件設計

2.1 硬件的結構

圖1 排水系統模型

圖2 排水自動控制系統結構圖

圖2顯示了排水系統水泵的自動控制系統硬件結構。該系統由以下4塊模塊構成：模擬處理模塊、PLC控制模塊、開關處理模塊、通訊模塊。其中PLC控制模塊是擴展模塊（DI/DU/AI/AU和通訊擴展模塊）與PLC控制器組成。在獲得用于控制泵的參數之后，應根據泵啟動和停止的自動控制操作程序打開煤礦排水泵的邏輯控制。在同一時間內，對作業期間的泵的參數、系統信息進行總結，同時利用EtherNet端口將其上載至礦井網絡或者高清多媒體端口。電磁閥與電動球閥的控制點、泵電機的啟停控制點，還有警報控制以及控制模式的選擇與泵狀態都是通過開關處理模塊進行的。

模擬量處理模塊通過取水口的真空度、出水水壓、水箱實時水位還有模擬量獲取信息，例如電機電流、電壓和溫度。在水泵電機運作之后，必須對出水口處的水壓以及進水口真空度展開確認和檢查。水泵作業期間，通過判斷蓄水箱中的水位對水泵的作業模式與狀態進行轉變。排水系統的水泵自移參數，故障，警報、狀態和其他內容利用通訊模塊完成數據傳送。通過監控平臺或者是高清多媒體人機界面上完成顯示與控制，同時把所有的信息傳輸至在排水系統后期用于礦山集中控制的礦山工業環網。傳輸信息時，正確性和安全性是首要因素。CRC循環冗余校驗，奇偶校驗，BCC排他或校驗方法以及漢明碼校驗可用于確保數據或DES，AES，RSA，DSA，ECC等非對稱加密算法的正確性。

2.2 保護設計

為進一步提升排水系統水泵的自動控制運作的穩定、安全性，同時保障排水系統的持續有序運轉，設置開關隔離與模擬保護電路，同時在電路設計里面增加EtherNet隔離保護電路設計與抗干擾保護。

圖3展現出光耦隔離屏障實踐在交換隔離中的原理。隔離本安電源充分采用了光電隔離技術以及本安電源技術，輸入信號、輸出信號、開關電源，用來保障信號的穩定、安全性[2-3]。

圖4所示為隔離安全柵，工作原理采用在模擬隔離保護中，融合電氣、磁隔離技術以及光學，達成非本安電路與本安電路兩者中實現電源信號的進出阻隔。出現危險電流或是電壓輸入，迅速轉換功能完成，導致所有信號漂浮出來，信號的抗干擾能力被得到極大程度的提升。采用耦合濾波原理的同時，在EtherNet信號隔離里面運網絡隔離變壓器，從而可以可靠地傳輸數據信號。另外采用雙絞屏蔽線能夠很好地降低排水系統中通訊線路的信號干擾。屏蔽層用于分隔變壓器的初級與次級，其中隔離板需要與地面接觸，而次級線圈不需要與地面接觸，借此來降低或者解除寄生電容，提升共模的干擾能力。

3 軟件設計

圖3 光耦隔離屏障實踐在交換隔離中的原理

圖4 安全柵的隔離式工作原理

圖5 礦井水泵自動運行控制系統流程圖

用于工作、檢修、備用而設計的排水系統一共有三個泵。儲水箱水位自動控制三個水泵的啟停運作是軟件設計的目的。單個泵電機的自動操作控制過程如圖5所示[4-5]。當儲水箱的水位達到泵上狀態時，排水系統將滿足泵上條件而不會發生故障。在啟動泵之前，發出警告30 s，并發出“泵電機即將啟動，請注意安全”的安全語音提示。語音提示結束后，打開泵的真空閥和噴射閥。依次將相應的水泵排空，排出水泵當中的氣體，并對水泵腔實施注水操作。通過真空傳感器得到的相關信息，從而準確掌握真空度能否滿足需要。假如，真空度未達到需要，同時延遲時間T1以后未超過預定時間，排氣注入作業將被重啟；假如延遲的時間T1到指定期限，就會關閉噴射閥。假如真空度達到需求，排水系統會進行電機開啟操作，隨后按順序關閉噴射閥、真空閥。與此同時，必須檢測正在運行的水泵電機出水的水壓。假如水泵電機出水水壓達到出水需要，可以打開出口閘閥排放水量。假如水泵電機的出水水壓無法滿足需求，那么延遲的時間是T2。在T2的時間以內，水泵電機是正在運行當中的，排水系統會在T2時間內發出聲光警報。

4 方案的特點

1）以PLC的控制技術為基礎，能夠為排水系統的水泵給予自動控制設計。共有遠程和現場控制、手動、半自動以及自動模式等5種控制模式，能夠達到不同場合下排水系統的要求。

2）利用無線通信技術與傳輸控制/互聯網讓排水系統參數信息以及作業情況上載至煤礦工業環網上，借此給予后續煤礦的人性化與智能化數據支撐。

3）排水系統硬件結構得到有效的維護可以降低電氣部件出現故障的概率，提升排水系統的工作效能。

5 試驗效果

根據以上設計，馬脊煤礦排水系統進行了自動升級，取得了良好的效果，達到了預期的設計目標：

1）排水系統中水泵的控制方法很多，包括：“泵定時”控制、“避免峰谷”控制、“泵旋轉”控制、“高低水位”控制。

2）加強排水系統的保護措施，降低部件的損壞率，降低電氣故障并保障排水系統能夠穩定、持續、安全的運作。

3）設施維修簡單，部件故障的處理方法簡便，運作的工作效率得到很大的提升。改進以后的排水系統能夠降低工人作業強度，滿足排水系統自移。在排水系統出現故障期間，能夠利用監測平臺實施檢查，同時依照故障指示完成排查消除故障工作。