兩渡礦選煤廠煤泥水泵智能化監測系統應用研究

許克武

（山西焦煤汾西礦業洗煤廠， 山西 介休 032000）

引言

隨著國家對煤礦資源的大量開采，政府及企業不斷加大了對煤礦資源的開采力度。在煤礦開采過程中涉及多種設備，如采煤機、掘進機、通風機、液壓支架等，而煤泥水泵作為洗煤廠中的一種關鍵設備，由于該設備的作業環境相對復雜，在實際使用中經常出現設備溫度過高、電機燒壞、水泵壓力過高、流量過大等問題，一旦設備某一參數超過相應閥值，極可能使得整個洗煤廠出現安全事故。采用當前更加先進的智能化控制技術實現對煤泥水泵作業狀態的遠程監測及實時控制，提高設備的智能化程度也成為當前一個重要的發展方向[1]。為此，選取兩渡礦選煤廠煤泥水泵作為研究對象，從總體方案及關鍵部件等方面設計一套智能化監測系統，通過將該監測系統進行實際應用測試得出，該系統運行更好、更穩定可靠，能更加準確全面地對該設備的工作溫度、水泵壓力及流量等參數進行數據采集判斷及狀態實時顯示報警，大大提高了整個煤泥水泵的作業安全性及智能化程度，這對提高整個選煤廠的作業安全性具有重要保障作用。

1 監測系統設計背景分析

為驗證煤泥水泵中監測系統的綜合性能，選取了兩渡礦選煤廠煤泥水泵作為研究對象進行監測系統的應用研究。根據相關要求，為隨時監測所用泵的運行工況，保證在故障情況可及時報警并停機，要求各選煤廠對煤泥水系統的泵設備加裝流量、壓力、溫度等監測裝置，確保系統安全運行[2]。為此，通過對兩渡礦選煤廠進行了實地調研，對煤泥水系統的工藝流程、介質特性、渣漿泵及配套電機的技術性能要求及現場運行條件等作了詳細了解，以及和選煤廠技術人員在就相關技術問題進行了深入探討等基礎上，選取了兩渡礦選煤廠多臺煤泥水泵作為具體研究對象，開展在煤泥水泵中智能化監測系統的應用研究[3]。

2 監測系統總體方案設計

根據兩渡礦選煤廠煤泥水泵及工況特點，開展了智能化煤泥水泵監測系統研究。該監測系統主要由現場測量傳感器、不銹鋼智能儀表箱、PLC 系統、系統主機等部分組成，其系統原理框架圖如下頁圖1所示，系統的主要配置如下頁表1 所示。在設計過程中，現場每臺泵上分別安裝一臺專用無線溫度傳感器，用于在線監測泵體溫度，并將溫度信號轉換為監測儀表可以接受的電阻或電流信號，預留壓力信號及流量信號接入接口。每臺煤泥水泵實時運行參數數據將在線進行集中監測、后臺集中管理，為兩渡礦選煤廠煤泥水泵的安全運行提供數據指導。該系統作為兩渡礦選煤廠智能化建設的分支部分，所有數據將打包融入廠級辦公云平臺[4]。同時，為每臺煤泥水泵配置一臺不銹鋼儀表控制箱，箱內安裝三臺智能監測儀表（一臺監測溫度、一臺監測壓力、一臺監測流量）、一臺聲光報警器和一臺通信轉換分站，其中智能監測儀表用于接收溫度、壓力、流量傳感器的輸出信號；聲光報警器則用于溫度、壓力、流量超過設定值后的聲光報警；通信轉換模塊則主要用于和PLC 系統的通信連接。另外，在該系統中配備了PLC控制系統，主要用于接收所有煤泥水泵的智能儀表箱輸出的溫度、壓力、流量數據，并將信號通過以太網傳至上位機。根據兩渡礦選煤廠的生產工藝和提供的指導性意見，實現溫度、壓力、流量超出安全設定值后的報警等。系統的溫度信號、壓力信號及流量信號的測量原理如圖2、圖3 和圖4 所示。

圖1 監測系統總體框架圖

表1 煤泥水泵監測系統主要配置

圖2 溫度信號測量原理圖

圖3 壓力信號測量原理圖

圖4 流量信號測量原理圖

3 監測系統中硬件、軟件分系統設計

3.1 溫度測量傳感器選型設計

在此監測系統中，選用的溫度傳感器依靠內置的高強度磁鐵能夠緊緊吸附在金屬物體表面（如煤泥水泵、變壓器、電動機、發電機等），即可精確測量設備的溫度。

除了安裝的便捷度提升外，產品性能更極大加強：鋁合金材質外殼，保障了強弱電隔離；內置板載天線（可擴展外部天線），保障了傳輸的有效距離[5]。同時，多種測溫芯片搭配選擇，保障測溫精度的同時可適應任何工況環境下的測溫要求；高性能鋰電池供電，免維護設計，保障提供高效測溫電源。溫度傳感器示意圖如圖5 所示。

圖5 溫度傳感器示意圖

3.2 智能監測儀表匹配設計

在該監測系統中，所匹配的智能監測儀表可與現場傳感器、變送器配合使用，適用于溫度、壓力、流量等參數的測量顯示，并具有測量信號變送輸出和報警輸出功能。其儀器的具體功能如下：

1）對各種熱電偶、熱電阻分度號的全量程非線性已全部校正，對熱電偶有自動冷端補償。各種線性輸入信號可任意設定顯示量程。

2）可對輸入信號作線性顯示或開方顯示（開方顯示需輸入信號為線性電流、線性電壓）。

3）模擬量測量信號變送輸出的量程可在顯示量程范圍內任意設置。

4）采用高亮度數碼管與單色或雙色帶組合的多種顯示方式。

5）通信接口有RS485（MobBus），可通過通信轉換模塊轉換為ProfiBus 協議。

3.3 PLC 控制子系統設計

PLC 控制子系統屬于整個監測系統的核心部分，實現對設備溫度、壓力、流量等相關參數進行實時數據采集及信號分析處理。因此，PLC 采用了西門子S7-300，CPU 模塊為315-2DP，配置電源模塊和通信模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊等部分。該PLC 控制器具有模塊化結構，易于實現分布式的配置及性價比高、電磁兼容性強、抗振動沖擊性能好等優點，能針對低性能要求的模塊化中小控制系統，網絡連接多點接口（MPI、PROFIBUS 工業以太網等），功能模塊和I/O 模塊可選擇，循環周期短、處理速度高，其綜合性能能更好地應用于此煤泥水泵的監測系統。

3.4 軟件系統主界面設計

3.4.1 系統登錄設計

點擊“主頁畫面”右上角的“登錄”按鈕，則彈出“用戶管理”對話框，接著點擊“用戶管理”對話框中的“登錄”按鈕，則彈出“登錄”條，要求用戶輸入用戶名和密碼。當用戶輸入正確的用戶名和密碼單擊“確定”后，則登錄完成，同時“登錄”條自動退出。此時在“用戶管理”對話窗口可以看見已登錄的狀態。

3.4.2 網絡布局圖顯示設計

網絡布局圖顯示功能主要顯示所監測泵的通信網絡布局，點擊某一泵的圖標可顯示該泵的溫度、壓力和流量。

3.4.3 曲線數據顯示設計

實時曲線數據，以曲線的形式，顯示所有監測量的當前數值；歷史曲線，以曲線的形式，顯示所有監測量的當前數值。歷史數據記錄則是以報表的形式顯示監測量的歷史數據，可以報表形式記錄所有監測量的數值。實時報警、歷史記錄則是當運行中的泵及出現溫度、壓力、流量超出設定值時，主機對故障原因、時間及故障期間的各運行參數以報表的的形式長期進行記錄，以供事故分析處理。

3.4.4 OPC 開放功能設計

OPC 開放功能主要是用戶可根據需要將系統信號接入廠內的辦公網絡，實現廠長、調度等管理人員的遠程監視。

4 煤泥水泵監測系統應用效果分析

為進一步驗證此煤泥水泵監測系統的綜合性能，將其與兩渡礦選煤廠多臺煤泥水泵進行集成應用測試，測試周期將近5 個月。經測試可知：整套監測系統運行良好，能高速、準確地將各煤泥水泵運行時的工作溫度、工作電流、運行功率、水泵流量及壓力等相關參數通過顯示界面進行實時顯示，當某一設備中某一指標超過相應閥值時，該系統將及時發出相應的多級聲光報警提示，通過遠程控制方式實現對現場單一故障設備的應急遠程控制，其他設備則正常作業。該監測系統主界面顯示圖，如圖6 所示。針對設備出現的故障問題，監控系統能將故障類別及故障發生位置通過顯示界面進行顯示，維修人員可在較短時間范圍內對設備故障問題進行快速排除，縮短了故障排除時間，減輕了人員勞動強度。據現場操作人員評估，該監控系統智能化程度更高，響應更快，更適合于煤泥水泵的現場監測需求，監測效果較好。由此，驗證了該監測系統的可行性。

圖6 監測系統主界面顯示圖

5 結論

隨著自動化控制技術水平的不斷發展，將更加先進的控制技術應用至洗煤廠煤泥水泵的運行過程中，提高設備的智能化程度，既符合國家智能化礦山建設的重要發展方向，也是提高洗煤廠現場作業安全性的重要途徑。煤泥水泵運行狀態的更加智能化實時監測，也更好地保障了設備的低故障率、高運行效率性能。為此，以兩渡礦選煤廠煤泥水泵為應用對象，利用PLC 控制技術，開展了煤泥水泵監測系統的總體方案設計及關鍵分模塊研究，通過將監測系統在該洗煤廠進行實際應用測試得出：此系統運行良好，監測實時性及精度較高，更加全面地實現了對多臺煤泥水泵運行狀態的全面監測及實時顯示，整體智能化程度更高，也大大提高了設備故障的監測準確性及維修效率，得到了人員的一致認可。這對提高整個洗煤廠的生產效率及作業安全性具有重要意義。