賀 強(qiáng) 馬登程 華亭煤業(yè)大柳煤礦有限公司

1 引言

隨著我國(guó)在煤炭開采技術(shù)方面不斷的開展，大柳煤礦跟隨國(guó)情正朝著現(xiàn)代化高產(chǎn)、高效、集約化生產(chǎn)的方向發(fā)展進(jìn)步著，出產(chǎn)設(shè)備和操作配套設(shè)備日益先進(jìn)。在日常煤礦的開采過程中，井下排水系統(tǒng)要求能夠及時(shí)的、高效地將井下涌水排出井外，防止水害事故的發(fā)作，確保礦井出產(chǎn)的安全。在地下的排水系統(tǒng)中，水泵設(shè)備起著最至關(guān)重要的作用。日常工作中如果排水系統(tǒng)中的水泵出現(xiàn)故障，不僅會(huì)對(duì)煤礦的正常開采運(yùn)行造成影響，還會(huì)發(fā)生水淹井的安全事故。是對(duì)地下作業(yè)者安全的嚴(yán)重威脅。因而，井下排水系統(tǒng)對(duì)確保礦井出產(chǎn)的安全安穩(wěn)非常重要。開展自動(dòng)泵系統(tǒng)，對(duì)井下排水作業(yè)進(jìn)行自動(dòng)控制，對(duì)確保礦井出產(chǎn)安全具有重要意義。

2 水泵自動(dòng)化裝置的組成與系統(tǒng)工作原理

2.1 系統(tǒng)的工作原理

僅具有手動(dòng)操控功用的地下水泵操控體系是不夠用的。它需要一個(gè)有效的功用來完成徹底自動(dòng)操控、自動(dòng)監(jiān)控等功能。體系中最重的關(guān)鍵部件是可編程操控器（PLC），這個(gè)部件將收集傳感器模塊所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如水位高低、壓力大小、真空程度、溫度高低、電壓電流等。通過感知，依據(jù)剖析結(jié)果給出泵的自動(dòng)運(yùn)行和密封次序，并對(duì)泵的實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行24h監(jiān)控地下水位的施行?？删幊滩倏仄鬟€將從自動(dòng)操控體系的顯示操控臺(tái)接收與開關(guān)值相關(guān)的命令，并操作繼電器的發(fā)動(dòng)和中止泵及相關(guān)設(shè)備的發(fā)動(dòng)和中止。并將操作的詳細(xì)狀況用以太網(wǎng)信息傳輸?shù)姆绞絺鬟f到監(jiān)控中心，使監(jiān)控中心的處理器能夠第一時(shí)間監(jiān)控到地下設(shè)備。

2.2 水泵自動(dòng)化控制的系統(tǒng)組成

水泵作為排水系統(tǒng)的主要設(shè)備，根據(jù)其作業(yè)原理和作業(yè)方式，能夠分為很多種并得到廣泛應(yīng)用。最常見的類型是離心泵。由于離心泵主要有五個(gè)特色，第一是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)略，第二是與其他泵比較體積小、重量輕，第三是日常養(yǎng)護(hù)工作操作簡(jiǎn)單，第五是使用起來簡(jiǎn)單易懂，沒有什么深?yuàn)W難懂的操作。除了上面敘述的五個(gè)特點(diǎn)以外，離心泵還有著較高的舉升高度、在各種情況下操作方便快捷的特點(diǎn)。

離心泵結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，主要工作部件是旋轉(zhuǎn)葉輪和固定的泵殼。離心泵是通過離心力的作用來完成排水作業(yè)的。它的作業(yè)原理如下：首先，離心泵在運(yùn)行前必須將泵腔中的空氣排除干凈。通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)發(fā)生的離心力將待排放的水輸送到葉輪的邊緣，水進(jìn)入泵殼。隨著泵殼中添加的活性通道，離心泵的活性將變緩，動(dòng)能持續(xù)降低。一部分的靜態(tài)能量是由旋轉(zhuǎn)能量將轉(zhuǎn)化而來的，然后經(jīng)過水壓的作用，進(jìn)入排水管道中，最后待排放的水將被輸送到目的地。

2.3 控制系統(tǒng)的主要功能

2.3.1 對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)管理

水泵的首要意圖是使井下排水及時(shí)，保證井下安全。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是無人作業(yè)時(shí)能夠遠(yuǎn)程操控。系統(tǒng)上的設(shè)備能夠在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)，相關(guān)數(shù)據(jù)和模型也能夠出現(xiàn)在現(xiàn)場(chǎng)。它不僅能夠遵循以前的操作形式，還能夠改進(jìn)和履行各種指令。

2.3.2 控制方式的多種多樣

在操作水泵的過程中，保證生產(chǎn)的安全是最重要的，確保水位可以控制在我們的操控范圍內(nèi)，操控性是可以分為自動(dòng)參考、遙控操控、近距離操控、手動(dòng)操控和維護(hù)等方面來操控。

2.3.3 數(shù)據(jù)采集與集中顯示

上位機(jī)設(shè)備主要是一個(gè)完結(jié)數(shù)據(jù)的體系，如水位、電流、電壓等方面的數(shù)據(jù)，這些都反映在這個(gè)體系中。

2.3.4 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)記錄了每臺(tái)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間和次數(shù)，使操作人員能直觀查看到水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡，系統(tǒng)還能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的不同情況，自動(dòng)挑選適合的運(yùn)轉(zhuǎn)形式。

另一個(gè)系統(tǒng)是關(guān)于水位的檢測(cè)。它的主要功能是判斷水位。體系對(duì)當(dāng)前情況宣布停止指令，這將使排水更加順利。

2.3.5 保護(hù)環(huán)節(jié)

當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，系統(tǒng)會(huì)當(dāng)即發(fā)出警報(bào)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員聽到警報(bào)時(shí)，他們會(huì)當(dāng)即采納辦法維護(hù)自己的安全，這不只提高了操作的安全性，還減少了損失。

3 自動(dòng)化水泵的控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)功用介紹

3.1.1 監(jiān)控信號(hào)介紹

在體系運(yùn)轉(zhuǎn)期間，每個(gè)開關(guān)值和模擬值信號(hào)的監(jiān)控如下。

（1）各泵電機(jī)的發(fā)動(dòng)中止信號(hào)。

（2）各泵電機(jī)高壓開關(guān)的電參數(shù)信號(hào)。

（3）各電動(dòng)閘閥的開關(guān)信號(hào)。

（4）各電磁閥的開關(guān)信號(hào)。

（5）主（備用）排水管道流量。

（6）配水井水位信號(hào)。

（7）水泵真空度和出口壓力。

（8）閘閥和電機(jī)發(fā)動(dòng)中止到位信號(hào)。

不要計(jì)算中心變量、總點(diǎn)數(shù)、點(diǎn)數(shù)。

3.1.2 操控信號(hào)介紹

通過在操作平臺(tái)上輸入開關(guān)量和采集的模擬量數(shù)據(jù)，通過對(duì)比分析，可以完成以下意圖。

（1）水泵電機(jī)的啟停操控。

（2）各電動(dòng)閘閥的開關(guān)操控。

（3）各電磁閥的開關(guān)操控。

（4）集中操作操控臺(tái)的輸出指示。

總共42個(gè)輸出點(diǎn)。

3.1.3 操控形式介紹

水泵在操控系統(tǒng)中包括主動(dòng)和手動(dòng)兩種操作形式。主動(dòng)操控：系統(tǒng)根據(jù)程序設(shè)置條件(水位、壓力、真空、時(shí)刻等)主動(dòng)完成。水泵相關(guān)設(shè)備的啟停操控。而且每個(gè)設(shè)備之間存在互鎖關(guān)系。手動(dòng)操作：操作人員應(yīng)依據(jù)操作程序和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，依次操作水泵及其相關(guān)設(shè)備的啟停操作。單個(gè)泵的每個(gè)設(shè)備之間存在聯(lián)鎖關(guān)系。

3.1.4 水泵作業(yè)模式介紹

根據(jù)國(guó)家煤礦安全規(guī)程，礦井水泵必須有三種作業(yè)形式，即作業(yè)形式、備用形式和保護(hù)形式。當(dāng)時(shí)水泵在本次排水操作中處于啟用狀況可以稱之為水泵的作業(yè)形式；而待機(jī)形式指的是水泵在排水運(yùn)轉(zhuǎn)中處于待機(jī)狀況，當(dāng)已經(jīng)開啟的水泵不能滿足當(dāng)時(shí)的排水需求時(shí)，將作為第二工作泵被啟動(dòng)并投入排水作業(yè)；保護(hù)形式是指當(dāng)時(shí)水泵處于保護(hù)狀況，而不是在這種排水運(yùn)轉(zhuǎn)狀況下作業(yè)。作業(yè)形式直接設(shè)置在中央控制臺(tái)上。

3.1.5 控制功能介紹

根據(jù)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)時(shí)間、地下水位、礦井供電負(fù)荷等參數(shù)，水泵將完成自動(dòng)發(fā)動(dòng)或停止運(yùn)轉(zhuǎn)，完成聯(lián)鎖發(fā)動(dòng)泵閥，并完成運(yùn)轉(zhuǎn)中的所有參數(shù)都受到監(jiān)控，數(shù)據(jù)將通過工業(yè)以太網(wǎng)向上傳輸。系統(tǒng)將依據(jù)監(jiān)測(cè)到的水位信號(hào)，設(shè)置最低水位、最高水位和超高水位信號(hào)。當(dāng)水位達(dá)到高水位或不在高水位且處于低功耗時(shí)，作業(yè)泵將主動(dòng)發(fā)動(dòng)，當(dāng)水位達(dá)到低水位或不在高水位且處于功耗峰值時(shí)刻時(shí)，泵將主動(dòng)中止。當(dāng)水位超越上限時(shí)，“作業(yè)泵”和“備用泵”將主動(dòng)發(fā)動(dòng)，直到水位低于上限，“備用泵”將只運(yùn)轉(zhuǎn)“作業(yè)泵”。

3.2 硬件連接

處于地下中央的水泵房中要保證有三臺(tái)離心泵。三臺(tái)離心泵通過就地按鈕箱和集中的操作臺(tái)，來完成對(duì)水泵啟停的控制。通過分線盒和航空電纜來分別實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和可編程控制箱的連接。

離心泵分別設(shè)有兩條管道，排空管道和排水管道。水泵出水管上設(shè)有噴發(fā)閥裝置、真空閥集成閥和負(fù)壓（真空度）傳感器。排水管道的出水裝置設(shè)置有正壓傳感器，正壓傳感器通過正壓傳感器分別與1號(hào)排水管道和2號(hào)備用排水管道連接，也安裝在支路上排水閥。1號(hào)排水管和2號(hào)排水管分別裝有排水管閥和流量傳感器。

水泵上的溫度傳感器無法檢測(cè)電機(jī)的軸承溫度和定子溫度，因此在軟件上設(shè)置了程序維護(hù)。配水井內(nèi)安裝了一套水位檢測(cè)裝置丈量系統(tǒng)中，一組浮球開關(guān)，根據(jù)其導(dǎo)通（上浮或下?。┑脑?，根據(jù)水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)和輸入功能。還有一套超聲波水位檢測(cè)儀它坐落井底，用于檢測(cè)水位的微小變化，判斷水位的上升或下降趨勢(shì)，并在操作通道和上位機(jī)中顯現(xiàn)詳細(xì)值。

4 水泵控制系統(tǒng)

4.1 PLC構(gòu)成

可編程操控器中使用的中央處理器有三種：通用微處理器、單片機(jī)和位芯片微處理器。中央處理器的主要是接收和存儲(chǔ)程序員輸入的指定程序和指定數(shù)據(jù)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀況的接收或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在輸入圖像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中。編程期間檢查電源的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、操控器內(nèi)部電路的編程和語法錯(cuò)誤的修改。當(dāng)可編程操控器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，它將從存儲(chǔ)器中讀取用戶程序編譯、執(zhí)行并完結(jié)用戶程序中指定的算術(shù)公式。依據(jù)操作成果，完結(jié)指令中指定的各種操作，然后輸出組件完成輸出操控、制表、打印或數(shù)據(jù)通信功能。PLC系統(tǒng)配有相關(guān)的系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器器。

4.2 下位機(jī)系統(tǒng)

為了提高水泵的整體操控功能，水泵操控系統(tǒng)采用了大量的可編程操控器，如真空環(huán)節(jié)、水位監(jiān)控環(huán)節(jié)和故障報(bào)警環(huán)節(jié)、參數(shù)顯現(xiàn)等。根據(jù)傳感器的輸入數(shù)據(jù)，可編程操控器經(jīng)過可編程操控器算法進(jìn)行分析核算，終究得到水位信息、閥門位置信息和流量信息興趣等?？删幊滩倏仄鹘?jīng)過各種放大器將操控信號(hào)輸入真空泵電磁閥，使泵送系統(tǒng)作業(yè)。水泵運(yùn)行中，各種作業(yè)參數(shù)經(jīng)過指示器向用戶顯現(xiàn)。為了完成遠(yuǎn)程操控，由可編程操控器設(shè)計(jì)的操控系統(tǒng)需要經(jīng)過以太網(wǎng)傳輸?shù)胶蠖颂幚碇行摹?/p>

4.3 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)軟件的主要功能包含界面、單泵監(jiān)控界面、趨勢(shì)界面、前史數(shù)據(jù)表界面、毛病報(bào)警界面等。主界面顯現(xiàn)了實(shí)時(shí)狀況，并顯現(xiàn)泵流量、內(nèi)部壓力等數(shù)據(jù)。單個(gè)泵的監(jiān)控界面顯現(xiàn)泵的狀況、運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)、發(fā)動(dòng)和中止?fàn)顩r。趨勢(shì)界面趨勢(shì)線顯現(xiàn)了其時(shí)采樣數(shù)據(jù)的趨勢(shì)改變。前史數(shù)據(jù)表界面能夠查詢每個(gè)數(shù)據(jù)的前史采樣數(shù)據(jù)記錄。當(dāng)故障報(bào)警界面顯現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)故障信息以界面的形式顯現(xiàn)給用戶。

5 控制系統(tǒng)特點(diǎn)

該體系由計(jì)算機(jī)控制，無需人工操作。跟據(jù)水位的高低來進(jìn)行自動(dòng)啟停水泵的操作，自動(dòng)完成水泵的旋轉(zhuǎn)開啟，并做出復(fù)合現(xiàn)場(chǎng)情況的調(diào)度。具有對(duì)過載、欠壓、超溫、軸溫等現(xiàn)場(chǎng)問題的強(qiáng)大維護(hù)功用。如果出現(xiàn)上述情況或電機(jī)故障，體系將自動(dòng)中止水泵的作業(yè)，備用水泵同時(shí)啟動(dòng)。控制中心在收集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并將給地面指揮中心傳輸調(diào)度策略，完成遠(yuǎn)距離指揮；水泵作業(yè)的畫面會(huì)經(jīng)過攝像頭的傳輸，傳送到現(xiàn)場(chǎng)控制中心和地上指揮中心。

6 結(jié)語

大柳煤礦作為大型煤礦，在日常的開采過程中，每噸煤的開采都會(huì)排出約3t～6t的水，有時(shí)乃至需求排出幾十噸水。水泵的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，除了出色的完了人機(jī)交互界面，還完成了自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有十分重要的意義。由于煤礦井下生產(chǎn)建設(shè)中時(shí)常有各種水源的流入，需要及時(shí)排除井下流入的水，而可編程序控制器水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可以完美的對(duì)空井下水位改變數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，并保存和記錄監(jiān)測(cè)成果和控制信息參數(shù)，然后對(duì)水泵發(fā)動(dòng)機(jī)組的數(shù)量進(jìn)行自動(dòng)控制，以保證煤礦的安全出產(chǎn)。