徐超

[摘 要]本文分析煤礦井下泵房控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理，以及實(shí)現(xiàn)的功能及其特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]煤礦井下；泵房排水；PLC與MCGS；監(jiān)控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TD636 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）15-0001-01

1 引言

計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，以微處理器為核心的可編程序控制器（PLC）在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中逐步取代了繼電接觸器控制系統(tǒng)，因而被廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)的自動(dòng)化控制。煤礦也是如此，以PLC控制為核心程序控制系統(tǒng)正取代井下主排水系統(tǒng)的繼電-接觸器控制，即將全面改變水泵的開停和選擇切換均由人工控制的局面，徹底實(shí)現(xiàn)根據(jù)水位或其他參數(shù)自動(dòng)開停水泵。如此改造，不但安全性好，而且可以節(jié)省看管人員，提高煤礦的自動(dòng)化管理水平和經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)合井下泵房監(jiān)控系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和后臺的監(jiān)控。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)基于PLC和MCGS的煤礦井下泵房監(jiān)控系統(tǒng)，安全控制性能好，自動(dòng)化控制程度高，比較適合運(yùn)用于井下采區(qū)泵房監(jiān)控。該系統(tǒng)利用PLC抗干擾能力強(qiáng)以及MCGS人機(jī)交互性好等特點(diǎn)，通過傳感器和檢測元件，實(shí)現(xiàn)了對水泵的全面監(jiān)控。

1）PLC程序控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用S7-200型PLC為控制主機(jī)。由于該機(jī)為模塊化結(jié)構(gòu)，其可擴(kuò)展性好，網(wǎng)絡(luò)功能性也強(qiáng)。系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信。在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與程序流程設(shè)計(jì)上，主要由PLC機(jī)架、CPU、數(shù)字量I/O、模擬量輸入、電源、通信等模塊構(gòu)成，其以PLC控制的程序流程，見如圖1（a）所示。為了能夠保證井下安全生產(chǎn)及系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，其水位信號則是水泵自動(dòng)化控制中的一個(gè)重要的參數(shù)。為此，本系統(tǒng)采用了國外著名廠家的防爆超聲波液位計(jì)作為水位信號的采集及傳輸，并設(shè)置了2套水位傳感器，即模擬量和開關(guān)量傳感器。傳感器均設(shè)置于井下的排水配水井內(nèi)，這樣PLC將接收到的模擬量水位信號可以分成若干個(gè)水位段，并計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，以判斷礦井水的涌水量，實(shí)現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場具體情況來啟動(dòng)或停止水泵機(jī)組。

2）后臺監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置。①監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：監(jiān)控主機(jī)采用研華工控機(jī)，使用總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主站系統(tǒng)和外部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)均采用多種靈活方式的連接。各個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件配置主要包括顯卡、聲卡、顯示器、網(wǎng)卡、打印機(jī)等。而后臺監(jiān)控系統(tǒng)，則采用最新組態(tài)軟件MCGS 6.5，以強(qiáng)大的Windows XP為平臺，基于SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫處理系統(tǒng)，通過圖形動(dòng)態(tài)顯示水泵運(yùn)行、水井水位狀態(tài)，利用圖形顏色的改變和閃爍功能進(jìn)行事故報(bào)警等。②顯示系統(tǒng)：該監(jiān)控系統(tǒng)使用圖形填充以及趨勢圖、棒狀圖和數(shù)字形式準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地顯示水井水位，并在啟停水泵的水位段發(fā)出預(yù)告信號，在低段、超低段、高段、超高段水位分段報(bào)警，用不同聲音提醒工作人員注意當(dāng)前狀態(tài)。③監(jiān)控系統(tǒng)綜合功能：監(jiān)控主機(jī)可動(dòng)態(tài)顯示主排水系統(tǒng)運(yùn)行的模擬圖、運(yùn)行參數(shù)圖表，記錄系統(tǒng)運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)，并顯示故障點(diǎn)，以提醒操作人員注意，而后臺監(jiān)控系統(tǒng)還具備打印功能。打印分為正常打印和異常打印兩種模式，有定時(shí)啟動(dòng)、人工啟動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)三種啟動(dòng)方式，即：定時(shí)啟動(dòng)，可以定時(shí)打印所需的各種報(bào)表，打印周期可自由的進(jìn)行設(shè)定；人工啟動(dòng)，由操作人員通過人機(jī)界面啟動(dòng)進(jìn)行打?。皇录?qū)動(dòng)，由系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)事件處理結(jié)果輸出。其內(nèi)容包括以下多方面內(nèi)容：遠(yuǎn)動(dòng)狀態(tài)、設(shè)備投退、遙測越限、遙控操作記錄、遙信變位、事件記錄、系統(tǒng)設(shè)備故障、交接班記錄等。

3）通訊接口設(shè)置。①PLC通信接口設(shè)置。將PLC通過通信接口和通信協(xié)議與后臺監(jiān)控主機(jī)通信，水泵機(jī)組的工作狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)均傳送至監(jiān)控主機(jī)，以便完成各數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。同時(shí)，操作人員也可利用監(jiān)控系統(tǒng)將操作指令傳至PLC，以控制水泵運(yùn)行。PLC同時(shí)又將水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)分站傳至地面生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控中心主機(jī)，并與全礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。這樣管理人員在地面即可掌握井下主排水系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，同時(shí)還可根據(jù)自動(dòng)化控制信息，來實(shí)現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的遙測、遙控，并為礦領(lǐng)導(dǎo)提供生產(chǎn)決策信息。②系統(tǒng)升級接口設(shè)置。該系統(tǒng)預(yù)留足夠的升級接口，以后可以方便地與煤礦內(nèi)其他控制系統(tǒng)（如礦井通風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控、煤礦井下瓦斯報(bào)警系統(tǒng)監(jiān)控、礦井提升系統(tǒng)監(jiān)控，視頻會議系統(tǒng)監(jiān)控等）互聯(lián)互通。

3 控制系統(tǒng)工作原理

本操作控制系統(tǒng)主要包含以下環(huán)節(jié)：自動(dòng)注水（抽真空）環(huán)節(jié)、閘閥操縱環(huán)節(jié)、水位自動(dòng)監(jiān)控環(huán)節(jié)、參數(shù)傳輸環(huán)節(jié)、故障保護(hù)環(huán)節(jié)及電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制環(huán)節(jié)等。為有效防止因備用泵及其電氣設(shè)備或備用管路長期不用而使電機(jī)和電氣設(shè)備的受潮，或者其他故障未經(jīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)的等問題，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時(shí)不能及時(shí)投入影響礦井安全，為此將該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)了幾臺水泵自動(dòng)輪換工作控制的模式。控制程序?qū)⑺玫膯⑼４螖?shù)、運(yùn)行時(shí)間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動(dòng)記錄、累計(jì)，系統(tǒng)根據(jù)此運(yùn)行參數(shù)按一定順序自動(dòng)啟停水泵和相應(yīng)管路，使各水泵及其管路的使用率得到均勻分布。假如某臺泵或所屬閥門故障，或者某趟管路漏水時(shí)，系統(tǒng)則自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并在觸摸屏上動(dòng)態(tài)閃爍顯示、記錄事故，同時(shí)又將故障泵或管路自動(dòng)退出輪換工作，其余各泵和管路繼續(xù)按一定順序自動(dòng)輪換工作，以達(dá)到有故障及早發(fā)現(xiàn)、及早處理、避免影響礦井安全生產(chǎn)的主要目的。該數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與檢測系統(tǒng)原理，見如圖1（b）所示。

4 實(shí)現(xiàn)的功能及其特點(diǎn)

煤礦井下排水控制系統(tǒng)，通過檢測水倉水位和其他參數(shù)，控制水泵輪流工作與適時(shí)的啟動(dòng)備用泵，并合理調(diào)度幾臺水泵的運(yùn)行狀況。該系統(tǒng)還通過監(jiān)控主機(jī)，以圖形、圖像、數(shù)據(jù)、文字等方式，可以直觀、形象、實(shí)時(shí)地反映系統(tǒng)工作狀態(tài)，以及水井水位、電機(jī)工作電流、電機(jī)溫度、軸承溫度、幾趟排水管流量等參數(shù)，并能通過通信模塊與綜合監(jiān)測監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、操作方便、自動(dòng)化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，并能優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行，節(jié)省水泵運(yùn)行費(fèi)用等。系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，并可通過后臺監(jiān)控其當(dāng)前的安全運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)束語

①由于采用高可靠性、高抗干擾的PLC，并結(jié)合軟硬件采取獨(dú)特的抗干擾方法，能較好地克服中央泵房惡劣的環(huán)境干擾，使系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地工作。②對重要的水位傳感器，則采用高質(zhì)量的傳感器承擔(dān)，以此保證數(shù)據(jù)采集通道的安全可靠性。③由于電氣控制和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，使得現(xiàn)場的維護(hù)也更加方便、快捷了。④鑒于S7-200型PLC的強(qiáng)大控制功能與MCGS工控組態(tài)軟件的完美組合，使得自動(dòng)化控制系統(tǒng)的可靠性更強(qiáng)，可連續(xù)長時(shí)間的運(yùn)行，節(jié)省投資，運(yùn)行費(fèi)用得到降低，并取得一定的經(jīng)濟(jì)效果。⑤采用如此設(shè)計(jì)的整個(gè)控制系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省人力資源，降低成本，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且還能使生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度大大提高，從而創(chuàng)造了更好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 王華東，等.基于PLC和WinCC的井下泵房監(jiān)控系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化，2007（6）：51—52.