王藝明

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

主排水泵是煤礦井下的重要設(shè)備，其功能是將井下工作面及大巷涌出水排至地面，確保井下正常生產(chǎn)及人員安全[1]。開(kāi)啟水泵涉及到開(kāi)啟電動(dòng)閥門(mén)、排真空及啟動(dòng)高壓隔爆柜等一系列操作流程，在這個(gè)過(guò)程中還需要專人監(jiān)視壓力、真空度、閘閥狀態(tài)、流量、電流等一系列參數(shù)，所以開(kāi)啟一臺(tái)水泵至少需要2人配合才能完成。水泵自動(dòng)化系統(tǒng)的出現(xiàn)，使井下崗位人員減少，設(shè)備故障率降低，煤礦效益提高，安全管理水平得到提升[2]。目前水泵自動(dòng)化系統(tǒng)多數(shù)以可編程邏輯控制器(以下簡(jiǎn)稱PLC)為核心，PLC具有高穩(wěn)定性，操作簡(jiǎn)單，功能完善等特點(diǎn)[3]。

PLC替代原有的繼電器控制方式，使控制系統(tǒng)具有多元化、智能化等優(yōu)點(diǎn)，PLC采集水泵管路流量，管路壓力，電機(jī)軸承溫度，配電裝置的電流、電壓，水倉(cāng)水位等參數(shù)，通過(guò)程序計(jì)算，實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)運(yùn)行[4-9]。唐輝輝[10]提出，井下傳感器采集信息傳輸給西門(mén)子S7-1200型PLC，PLC監(jiān)控井下各設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)。水泵自動(dòng)化系統(tǒng)有手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)、檢修等控制方式。王海興[11]設(shè)計(jì)了一種水位檢測(cè)系統(tǒng)，為水泵自動(dòng)化系統(tǒng)的子系統(tǒng)，可輸出4個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，分別代表超高水位、高水位、低水位、超低水位，水位信號(hào)上傳至PLC后，可根據(jù)不同的水位做出相應(yīng)指令。本設(shè)計(jì)對(duì)目前以PLC為核心的水泵自動(dòng)化系統(tǒng)做出改進(jìn)，使系統(tǒng)組成更靈活、功能更全面。陳廣達(dá)等[12]設(shè)計(jì)了一種無(wú)人值守煤礦井下排水監(jiān)控系統(tǒng)；該系統(tǒng)應(yīng)用S7-300PLC控制技術(shù)、組態(tài)王技術(shù)、通信技術(shù)，通過(guò)檢測(cè)水位和其他參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了泵站無(wú)人值守。

針對(duì)目前井下主水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)邏輯復(fù)雜，動(dòng)力及控制電纜接線繁雜等因素，文中提出一種新的設(shè)計(jì)方法，每臺(tái)水泵使用1臺(tái)PLC分站，使單臺(tái)水泵形成獨(dú)立控制系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)出現(xiàn)故障后，PLC分站將該臺(tái)水泵隔離；再使用PLC主站對(duì)主管路閥門(mén)及每一臺(tái)水泵進(jìn)行控制。

1 水泵自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)由地面上位機(jī)、井下泵房控制系統(tǒng)、傳感器、閘閥及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成。

1.1 地面上位機(jī)

地面上位機(jī)由遠(yuǎn)程工控一體機(jī)和組態(tài)軟件組成，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制井下排水泵。上位機(jī)與井下泵房控制系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通訊，進(jìn)行信息交換。水泵房各設(shè)備參數(shù)信號(hào)通過(guò)網(wǎng)線就近接入交換機(jī)，利用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，將信號(hào)遠(yuǎn)傳到礦調(diào)度中心，礦調(diào)度中心根據(jù)需要，再將控制指令下發(fā)到井下泵房控制系統(tǒng)中，對(duì)水泵、閥門(mén)等進(jìn)行實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。上位機(jī)畫(huà)面如圖1所示。

圖1 上位機(jī)畫(huà)面Fig.1 Upper computer display

工業(yè)組態(tài)軟件采用Wincc 7.3正版授權(quán)軟件，畫(huà)面模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)備情況，畫(huà)面直觀，操作方便。

上位機(jī)界面上可顯示水倉(cāng)水位、吸水管真空度、水泵軸承溫度及振動(dòng)幅度、水泵運(yùn)行電流及電壓、排水管出水壓力及流量等參數(shù)，還可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前的控制方式(遠(yuǎn)程/集中/就地、自動(dòng)/手動(dòng))、各臺(tái)水泵的工作狀態(tài)(工作、備用或者檢修狀態(tài))、水泵的運(yùn)行狀態(tài)(運(yùn)行/停止)、故障信號(hào)及電動(dòng)閘閥的開(kāi)閉狀態(tài)等參數(shù)。

1.2 井下泵房控制系統(tǒng)

井下泵房控制系統(tǒng)由PLC主站和分站組成。

PLC主站配置西門(mén)子S7-1500系列PLC及10寸觸摸屏，可通過(guò)箱體觸摸板控制系統(tǒng)內(nèi)各界面轉(zhuǎn)換，同時(shí)PLC主站可提供AC660V和AC127V電源，為主排水管閘閥和主引水管球閥供電。PLC主站采集水倉(cāng)水位、主管路壓力等信號(hào)；通過(guò)網(wǎng)線和硬接線與PLC分站通訊；通過(guò)硬接線控制高壓隔爆柜，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的啟停。

PLC分站配置S7-1200系列PLC及10寸觸摸屏，同時(shí)PLC分站可提供AC660V和AC127V電源，為本水泵排水管閘閥、射流泵及引水管球閥供電。PLC主站采集水倉(cāng)水位、吸水管真空度、排水管出水壓力及流量、水泵軸承溫度、振動(dòng)、水泵運(yùn)行電流及電壓等參數(shù)；通過(guò)硬接線控制本水泵排水管閘閥和引水管球閥的開(kāi)關(guān)；通過(guò)硬接線控制射流泵及引水管球閥的開(kāi)關(guān)；通過(guò)硬接線控制高壓隔爆柜，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的啟停。

PLC主站和PLC分站內(nèi)均含有控制系統(tǒng)及配電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，每臺(tái)水泵均可獨(dú)立運(yùn)行，最大程度保證水泵自動(dòng)化系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1.3 傳感器

檢測(cè)傳感器：檢測(cè)傳感器包括壓力傳感器、負(fù)壓傳感器、雙聲道超聲波流量計(jì)、投入式液位計(jì)、溫度振動(dòng)一體傳感器等，需要檢測(cè)的參數(shù)有泵體負(fù)壓，水泵出水口壓力，電機(jī)電流、電壓，排水的瞬時(shí)流量及水倉(cāng)水位等信號(hào)。

投入式液位傳感器：配置2臺(tái)投入式液位計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下水倉(cāng)水位變化。

壓力傳感器：每臺(tái)水泵配置1臺(tái)正壓傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)水泵出水口壓力，當(dāng)排水壓力出現(xiàn)故障時(shí)可及時(shí)停泵，以免水泵腔體產(chǎn)生“汽蝕現(xiàn)象”；每臺(tái)水泵配置1臺(tái)負(fù)壓傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)水泵真空度，作為水泵啟動(dòng)前腔體是否灌滿水的重要參數(shù)。

流量傳感器：在每趟主管路上，分別配置1臺(tái)雙聲道超聲波流量傳感器，檢測(cè)每趟出水管路的瞬時(shí)流量。

溫度振動(dòng)一體傳感器：利用水泵軸承體預(yù)留的傳感器接口，對(duì)水泵軸承運(yùn)行溫度、振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)到的溫度、振動(dòng)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出成標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)交由PLC分站作為水泵是否正常工作的依據(jù)。同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)可接入電機(jī)繞組溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)則報(bào)警，嚴(yán)重時(shí)停泵。

電流采集：通過(guò)高壓隔爆柜綜保通訊，采集相關(guān)電量信息，每臺(tái)水泵單獨(dú)采集電流，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電流信號(hào)的有效采集及檢測(cè)。

1.4 閘閥部分

為更好地實(shí)現(xiàn)井下泵房自動(dòng)排水控制，減輕井下水泵操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，保護(hù)井下水泵引水及出水管路，采用電動(dòng)球閥和電動(dòng)閘閥。PLC主站為主排水管閘閥和主引水管球閥供電和控制；PLC分站為本水泵排水管閘閥、射流泵及引水管球閥供電和控制。

1.5 設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)

在井下設(shè)置設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)模塊，井下泵房控制系統(tǒng)與公共Internet網(wǎng)絡(luò)之間建立一條安全可靠的VPN通道，甲方授權(quán)后，可通過(guò)以太網(wǎng)隨時(shí)訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，分析系統(tǒng)異常原因，可進(jìn)行遠(yuǎn)程技術(shù)指導(dǎo)。

設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)收集水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水泵進(jìn)行全生命周期管理。

增加設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊后，可以快速地進(jìn)行故障診斷，減少維護(hù)成本及增加水泵服務(wù)時(shí)間。

2 控制方式

2.1 分布式PLC控制方式

由于水泵自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)安全性與可靠性有較高的要求，水泵自動(dòng)化系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)應(yīng)采用多CPU控制模式，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊。此模式為每臺(tái)泵組設(shè)計(jì)一臺(tái)PLC分站進(jìn)行控制，再設(shè)置一臺(tái)PLC主站對(duì)各PLC分站進(jìn)行總控制。

各PLC分站內(nèi)置CPU控制模塊與數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)了各泵組的運(yùn)行參數(shù)獨(dú)立采集與啟、?？刂频墓收媳Ｗo(hù)，同時(shí)可就地控制或遠(yuǎn)程控制模式“一鍵啟?！北媒M。當(dāng)任意一臺(tái)PLC分站出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響其他泵組的正常運(yùn)行，同時(shí)PLC分站內(nèi)的元器件型號(hào)一致，均可互換，維護(hù)方便、快捷，將不利因素降到最低點(diǎn)。

各PLC分站之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，將泵組的運(yùn)行狀態(tài)與故障狀態(tài)傳輸至PLC主站，系統(tǒng)依據(jù)當(dāng)前的水倉(cāng)液位狀態(tài)、避峰填谷功能、均勻磨損功能、效率優(yōu)先等功能進(jìn)行全自動(dòng)的調(diào)度控制，此模式下可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守功能。多CPU控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多CPU控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Multi CPU control system structure

2.2 自動(dòng)控制方式

地面監(jiān)控組態(tài)畫(huà)面及井下PLC主站均顯示自動(dòng)模式，此時(shí)PLC自動(dòng)控制所有設(shè)備，按照排水工藝流程進(jìn)行排水，地面監(jiān)控畫(huà)圖及PLC主站10寸屏動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)內(nèi)各水泵及閥門(mén)工作狀況和系統(tǒng)各種故障顯示。PLC主站和PLC分站實(shí)時(shí)監(jiān)控水倉(cāng)液位，根據(jù)吸水井的水位及其他因素，合理調(diào)度自動(dòng)開(kāi)停水泵和電動(dòng)閥門(mén)，在正常水位時(shí)，各臺(tái)水泵能自動(dòng)輪換工作，最大涌水及突出涌水時(shí)，自動(dòng)投入必要數(shù)量的水泵運(yùn)行，同時(shí)可限定各泵站同時(shí)開(kāi)泵的最高臺(tái)數(shù)，確定水泵啟動(dòng)水位，當(dāng)水位增長(zhǎng)過(guò)快時(shí)能及時(shí)加泵。當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中，水泵出現(xiàn)故障時(shí)，能迅速發(fā)出報(bào)警，并自動(dòng)開(kāi)啟備用水泵。當(dāng)水位降低過(guò)快或水位至低水位時(shí)，能及時(shí)報(bào)警或適當(dāng)停泵減少水泵運(yùn)行數(shù)量。

2.3 遠(yuǎn)程操控方式

操作人員可在地面調(diào)度中心工控機(jī)組態(tài)畫(huà)面中遠(yuǎn)程控制水泵機(jī)組的啟停，井下PLC接收指令后，按照程序首先打開(kāi)引水管球閥，進(jìn)行水泵灌水；再打開(kāi)排水管閘閥，并啟動(dòng)水泵后，關(guān)閉引水管球閥，完成水泵機(jī)組啟動(dòng)。

2.4 一鍵啟動(dòng)控制方式

首先對(duì)PLC分站面板上“一鍵啟動(dòng)”按鈕進(jìn)行編程，工作人員點(diǎn)擊PLC分站面板上“一鍵啟動(dòng)”按鈕后，單臺(tái)水泵按PLC程序啟動(dòng)閥門(mén)及水泵。這種控制方式很大程度上簡(jiǎn)化了整個(gè)控制系統(tǒng)，工作效率明顯提高。

3 結(jié)語(yǔ)

分布式PLC技術(shù)在水泵自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用，使每個(gè)泵組擁有獨(dú)立核心、自成系統(tǒng)，某泵組出現(xiàn)故障時(shí)可隔離，防止系統(tǒng)癱瘓。分布式PLC具有控制系統(tǒng)邏輯清晰、接線簡(jiǎn)單、便于管理等優(yōu)點(diǎn)，目前陜西省彬長(zhǎng)礦區(qū)孟村煤礦井下401盤(pán)區(qū)水泵自動(dòng)化系統(tǒng)已按此方式設(shè)計(jì)，運(yùn)行良好，值得推廣。