許克武

（山西焦煤汾西礦業(yè)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(yè)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(shè)備，如采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、液壓支架等，而煤泥水泵作為洗煤廠中的一種關(guān)鍵設(shè)備，由于該設(shè)備的作業(yè)環(huán)境相對復(fù)雜，在實際使用中經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備溫度過高、電機(jī)燒壞、水泵壓力過高、流量過大等問題，一旦設(shè)備某一參數(shù)超過相應(yīng)閥值，極可能使得整個洗煤廠出現(xiàn)安全事故。采用當(dāng)前更加先進(jìn)的智能化控制技術(shù)實現(xiàn)對煤泥水泵作業(yè)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測及實時控制，提高設(shè)備的智能化程度也成為當(dāng)前一個重要的發(fā)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(guān)鍵部件等方面設(shè)計一套智能化監(jiān)測系統(tǒng)，通過將該監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實際應(yīng)用測試得出，該系統(tǒng)運(yùn)行更好、更穩(wěn)定可靠，能更加準(zhǔn)確全面地對該設(shè)備的工作溫度、水泵壓力及流量等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集判斷及狀態(tài)實時顯示報警，大大提高了整個煤泥水泵的作業(yè)安全性及智能化程度，這對提高整個選煤廠的作業(yè)安全性具有重要保障作用。

1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計背景分析

為驗證煤泥水泵中監(jiān)測系統(tǒng)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(jìn)行監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究。根據(jù)相關(guān)要求，為隨時監(jiān)測所用泵的運(yùn)行工況，保證在故障情況可及時報警并停機(jī)，要求各選煤廠對煤泥水系統(tǒng)的泵設(shè)備加裝流量、壓力、溫度等監(jiān)測裝置，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行[2]。為此，通過對兩渡礦選煤廠進(jìn)行了實地調(diào)研，對煤泥水系統(tǒng)的工藝流程、介質(zhì)特性、渣漿泵及配套電機(jī)的技術(shù)性能要求及現(xiàn)場運(yùn)行條件等作了詳細(xì)了解，以及和選煤廠技術(shù)人員在就相關(guān)技術(shù)問題進(jìn)行了深入探討等基礎(chǔ)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(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究[3]。

2 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計

根據(jù)兩渡礦選煤廠煤泥水泵及工況特點(diǎn)，開展了智能化煤泥水泵監(jiān)測系統(tǒng)研究。該監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場測量傳感器、不銹鋼智能儀表箱、PLC 系統(tǒng)、系統(tǒng)主機(jī)等部分組成，其系統(tǒng)原理框架圖如下頁圖1所示，系統(tǒng)的主要配置如下頁表1 所示。在設(shè)計過程中，現(xiàn)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(jiān)測泵體溫度，并將溫度信號轉(zhuǎn)換為監(jiān)測儀表可以接受的電阻或電流信號，預(yù)留壓力信號及流量信號接入接口。每臺煤泥水泵實時運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)將在線進(jìn)行集中監(jiān)測、后臺集中管理，為兩渡礦選煤廠煤泥水泵的安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。該系統(tǒng)作為兩渡礦選煤廠智能化建設(shè)的分支部分，所有數(shù)據(jù)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(nèi)安裝三臺智能監(jiān)測儀表（一臺監(jiān)測溫度、一臺監(jiān)測壓力、一臺監(jiān)測流量）、一臺聲光報警器和一臺通信轉(zhuǎn)換分站，其中智能監(jiān)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(shè)定值后的聲光報警；通信轉(zhuǎn)換模塊則主要用于和PLC 系統(tǒng)的通信連接。另外，在該系統(tǒng)中配備了PLC控制系統(tǒng)，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(shù)據(jù)，并將信號通過以太網(wǎng)傳至上位機(jī)。根據(jù)兩渡礦選煤廠的生產(chǎn)工藝和提供的指導(dǎo)性意見，實現(xiàn)溫度、壓力、流量超出安全設(shè)定值后的報警等。系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)總體框架圖

表1 煤泥水泵監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)中硬件、軟件分系統(tǒng)設(shè)計

3.1 溫度測量傳感器選型設(shè)計

在此監(jiān)測系統(tǒng)中，選用的溫度傳感器依靠內(nèi)置的高強(qiáng)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(jī)、發(fā)電機(jī)等），即可精確測量設(shè)備的溫度。

除了安裝的便捷度提升外，產(chǎn)品性能更極大加強(qiáng)：鋁合金材質(zhì)外殼，保障了強(qiáng)弱電隔離；內(nèi)置板載天線（可擴(kuò)展外部天線），保障了傳輸?shù)挠行Ь嚯x[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(yīng)任何工況環(huán)境下的測溫要求；高性能鋰電池供電，免維護(hù)設(shè)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(jiān)測儀表匹配設(shè)計

在該監(jiān)測系統(tǒng)中，所匹配的智能監(jiān)測儀表可與現(xiàn)場傳感器、變送器配合使用，適用于溫度、壓力、流量等參數(shù)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(bǔ)償。各種線性輸入信號可任意設(shè)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(nèi)任意設(shè)置。

4）采用高亮度數(shù)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(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為ProfiBus 協(xié)議。

3.3 PLC 控制子系統(tǒng)設(shè)計

PLC 控制子系統(tǒng)屬于整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，實現(xiàn)對設(shè)備溫度、壓力、流量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)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(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊等部分。該P(yáng)LC 控制器具有模塊化結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)分布式的配置及性價比高、電磁兼容性強(qiáng)、抗振動沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，能針對低性能要求的模塊化中小控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)連接多點(diǎn)接口（MPI、PROFIBUS 工業(yè)以太網(wǎng)等），功能模塊和I/O 模塊可選擇，循環(huán)周期短、處理速度高，其綜合性能能更好地應(yīng)用于此煤泥水泵的監(jiān)測系統(tǒng)。

3.4 軟件系統(tǒng)主界面設(shè)計

3.4.1 系統(tǒng)登錄設(shè)計

點(diǎn)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(diǎn)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(dāng)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(tài)。

3.4.2 網(wǎng)絡(luò)布局圖顯示設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)布局圖顯示功能主要顯示所監(jiān)測泵的通信網(wǎng)絡(luò)布局，點(diǎn)擊某一泵的圖標(biāo)可顯示該泵的溫度、壓力和流量。

3.4.3 曲線數(shù)據(jù)顯示設(shè)計

實時曲線數(shù)據(jù)，以曲線的形式，顯示所有監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值；歷史曲線，以曲線的形式，顯示所有監(jiān)測量的當(dāng)前數(shù)值。歷史數(shù)據(jù)記錄則是以報表的形式顯示監(jiān)測量的歷史數(shù)據(jù)，可以報表形式記錄所有監(jiān)測量的數(shù)值。實時報警、歷史記錄則是當(dāng)運(yùn)行中的泵及出現(xiàn)溫度、壓力、流量超出設(shè)定值時，主機(jī)對故障原因、時間及故障期間的各運(yùn)行參數(shù)以報表的的形式長期進(jìn)行記錄，以供事故分析處理。

3.4.4 OPC 開放功能設(shè)計

OPC 開放功能主要是用戶可根據(jù)需要將系統(tǒng)信號接入廠內(nèi)的辦公網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)廠長、調(diào)度等管理人員的遠(yuǎn)程監(jiān)視。

4 煤泥水泵監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

為進(jìn)一步驗證此煤泥水泵監(jiān)測系統(tǒng)的綜合性能，將其與兩渡礦選煤廠多臺煤泥水泵進(jìn)行集成應(yīng)用測試，測試周期將近5 個月。經(jīng)測試可知：整套監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行良好，能高速、準(zhǔn)確地將各煤泥水泵運(yùn)行時的工作溫度、工作電流、運(yùn)行功率、水泵流量及壓力等相關(guān)參數(shù)通過顯示界面進(jìn)行實時顯示，當(dāng)某一設(shè)備中某一指標(biāo)超過相應(yīng)閥值時，該系統(tǒng)將及時發(fā)出相應(yīng)的多級聲光報警提示，通過遠(yuǎn)程控制方式實現(xiàn)對現(xiàn)場單一故障設(shè)備的應(yīng)急遠(yuǎn)程控制，其他設(shè)備則正常作業(yè)。該監(jiān)測系統(tǒng)主界面顯示圖，如圖6 所示。針對設(shè)備出現(xiàn)的故障問題，監(jiān)控系統(tǒng)能將故障類別及故障發(fā)生位置通過顯示界面進(jìn)行顯示，維修人員可在較短時間范圍內(nèi)對設(shè)備故障問題進(jìn)行快速排除，縮短了故障排除時間，減輕了人員勞動強(qiáng)度。據(jù)現(xiàn)場操作人員評估，該監(jiān)控系統(tǒng)智能化程度更高，響應(yīng)更快，更適合于煤泥水泵的現(xiàn)場監(jiān)測需求，監(jiān)測效果較好。由此，驗證了該監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)主界面顯示圖

5 結(jié)論

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