煤礦排水系統監控平臺優化設計及其試驗

閻劍俊

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030200）

引言

隨著智能控制技術、計算機網絡技術以及通信技術的不斷發展，礦區排水系統的自動化、智能化、信息化的需求越來越高，實現礦區排水系統的少人化、無人化成為必然發展趨勢。現有排水系統監控平臺存在的問題主要有實時性差、參數顯示不全、控制方式不靈活[1-2]。針對上述問題，提出排水系統監控平臺優化方案并完成試驗驗證。

1 監控平臺總體方案

煤礦排水系統監控平臺優化總體設計如圖1 所示，PLC 主控制器與監控平臺之間以CAN 通信方式完成數據的交互。監控平臺由監測類數據和控制類數據兩個模塊組成。監測類數據模塊主要完成排水系統的數據實時顯示，主要顯示的數據類別有傳感器類數據，如監測水倉水位的超聲波液位傳感器、電機溫度傳感器、出水口壓力傳感器，水泵電機真空度傳感器以及監測電機電流電壓的傳感器等。顯示的指示燈類數據有水泵電機運行/停止指示燈、故障指示燈、報警指示燈等；顯示的故障類數據主要有傳感器故障、水泵故障、閘閥故障等；顯示的報警類數據主要有傳感器限位報警、電機電流異常警、電機電壓異常報警以及電機溫度異常報警等；顯示參數類數據主要有系統電壓、系統電流、水泵運行狀態、出水口狀態、故障狀態、水泵溫度等；顯示的輸入/輸出數據主要是PLC 控制器數字量輸入/輸出點，如水泵啟動/停止、真空度閘閥開啟/關閉、射流閥開啟/關閉、出水口閘閥開啟/關閉等；顯示的模擬量數據主要有溫度傳感器采集到的模擬量、壓力傳感器采集到的模擬量、真空度傳感器采集到的模擬量以及超聲波液位傳感器采集到的模擬量等。另外，在監控平臺還將顯示排水系統中的排水管路狀態、水泵工作狀態以及射流泵工作狀態等。控制類數據主要包括控制模式選擇、一鍵啟動、一鍵停止、急停、排水管路控制、水泵啟停控制、射流泵啟停控制、電動閘閥控制等。

圖1 監控平臺總體設計框圖

2 監控平臺方案實現

2.1 CAN 總線通信設計

PLC 控制器與排水系統監控平臺之間以CAN 通信方式實現數據和控制指令的傳送。在該CAN 通信協議總，采用CAN2.0 A 協議，設置通信波特率為250 kbit/s，幀格式為標準幀格式[3-4]，監控平臺的節點號為16 號78。PLC 控制器與監控平臺的CAN 通信協議格式定義見表1。

表1 PLC 控制器與監控平臺CAN 通信協議格式定義

表1、表2 詳細給出了優化后排水系統中PLC 控制器與監控平臺CAN 通信協議的具體格式定義，Cob_id 為0x278、0x378、0x478、0x578、0x678、0x679 為PLC 發送給監控平臺的數據信息，用于在監控平臺上顯示。Cob_id 為0x1F8、0x2F8 為監控平臺發送給PLC控制器的控制信息，用于遠程控制排水系統的運行。

通過監控平臺，可以對排水系統實現遠程控制，可以實現一鍵啟動、一鍵停止以及急停功能，還可以單獨實現1 號、2 號以及3 號水泵的啟動、停止，以及對應的射流泵的啟動、停止控制，對應電動閘閥的開啟、關閉控制，如表2 所示。

表2 控制/工作模式

2.2 監控平臺設計

優化后的煤礦排水系統監控平臺一共分為6 個畫面，即主畫面、傳感器數據畫面、系統設置畫面、控制畫面、故障報警畫面以及歷史查詢畫面。上頁圖1所示為排水系統監控平臺的主畫面，在該畫面中顯示1 號、2 號以及3 號水泵的運行狀態、故障狀態、水泵溫度、出水口壓力、閘閥狀態以及閘閥開度信息，另外還顯示水倉實時水位[5-7]。在主畫面可以任意切換至其他5 個畫面，方法為點擊主畫面下方的“傳感器數據”“系統設置”“控制畫面”“故障報警”“歷史查詢”可切換至對應畫面。

圖2 為排水系統監控平臺的控制畫面，即通過該監控平臺可以實現對1 號、2 號以及3 號水泵的遠程控制。在進行遠程控制時，需要選擇控制模式（遠程、就地）、工作模式（手動、自動、遠程、集中），如圖選擇控制模式為“遠程”，選擇工作模式為“遠程”，即可實現對排水系統的遠程自動控制[8]。另外，在控制畫面中還可以實現對排水系統的一鍵啟動、一鍵停止以及急停操作。在控制畫面中，還實時顯示1 號、2 號以及3 號水泵的運行狀態和故障狀態，以便操作人員及時了解和掌握水泵的運行情況。

圖2 煤礦排水系統監控畫面-主畫面

3 試驗驗證

3.1 試驗方案

為驗證優化設計后的煤礦排水系統監控平臺的實用性和有效性，按照下述方案進行試驗驗證。

3.1.1 手動工作模式

將水泵工作模式的旋鈕旋至“手動”工作模式，分別對1 號、2 號以及3 號水泵進行如下步驟操作（以1號水泵為例，2 號以及3 號水泵的手動工作模式操作步驟一致）：打開配水閥門，確保與水倉連通；抽真空：打開射流閘閥和射流球閥或開啟真空泵，打開真空閥門和真空球閥；將水泵腔體注滿水；啟動1 號水泵；延時時間后打開出水閥門，并檢測出水口壓力、流量、電機電流、電機電壓以及電機溫度；停止1 號水泵前操作：關閉射流閘閥和射流球閥或關閉真空閥門和真空球閥；關閉1 號水泵的出水閥門；停止水泵。

3.1.2 自動工作模式

將水泵工作模式的旋鈕旋至“自動”工作模式，按照如下步驟對1 號、2 號以及3 號水泵進行控制：正確選擇出水閥門、配水閥門；抽真空；按下“啟動”按鈕，按照自動工作模式流程啟動水泵；延時時間T；按下“停止”按鈕，按照自動工作模式流程停止水泵。

3.1.3 遠程工作模式

將水泵工作模式的旋鈕旋至“遠程”工作模式，即在監控平臺實現對1 號、2 號以及3 號水泵的啟停智能控制。在監控平臺按下“一鍵啟動”后，優化后的排水系統會根據當前水倉水位、涌水量、用電峰段谷段等因素對1 號、2 號以及3 號水泵進行啟停控制，按照“避峰就谷”策略智能控制流程對水倉水位進行排水。在遠程模式中還可以實現“一鍵停止”以及緊急情況下的“急停”操作。

3.1.4 集中工作模式

將水泵工作模式的旋鈕旋至“集中”工作模式，即在煤礦井下的集中控制平臺實現對1 號、2 號以及3號水泵的啟停智能控制。與遠程工作模式相比，集中工作模式僅僅是控制位置發生了變化。集中控制模式的邏輯處理流程、智能控制過程與遠程工作模式一致。

3.2 驗證效果

按照設計的試驗方案分別完成排水系統的手動、自動、遠程以及集中控制模式，上述四種控制模式都能較好地完成煤礦井下排水任務，其中手動控制勞動強度大，長時間實現“避峰就谷”排水存在困難；自動、遠程以及集中控制模式勞動強度低，控制精度高，能夠按照節能降耗思想實現“避峰就谷”排水，實現煤礦井下排水系統安全、穩定、節能運行。

4 結語

1）給出優化后的煤礦排水系統監控平臺總體設計方案，以倍福控制器為核心CPU，通過CAN 總線通信將1 號、2 號、3 號水泵的運行狀態、參數信息、故障信息等上傳至監控平臺，同時可將監控平臺的控制指令下發至水泵。

2）給出優化后的煤礦排水系統監控平臺具體實現，如CAN 總線通信設計、監控平臺畫面設計等。

3）完成優化后的煤礦排水系統監控平臺試驗驗證。