矿井水泵机组的自动化改造设计

刘 森

（山西潞安集团公司古城煤矿，山西长治 046000）

0 引言

煤矿生产中所运用的关键大型设备为井下主排水泵，其主要功能就是将井下涌水进行清除，为煤矿打造一个良好的生产环境。一部分煤矿的排水泵系统未进行有效地改善，较难进行合理地管理。其主要问题有以下几点：对于水平不等的排水泵房，安排专人来进行值班，水泵的工作人员多是泵房司机，具备较大的人员数量及劳动强度；设备出现运作故障时，人员仅仅依靠自身的经验来区分故障的类型，未有效的处理故障，不具备较大的可靠性[1]；对于水泵机组的运作状态，矿井地面的指挥中心无法及时的掌握，不能对故障进行有效控制，因此需要实施相应的改进。

1 排水泵自动化改善功能的要求

1.1 系统的功能

1.1.1 操作控制

操作控制包括：处于状况紧急或者设备维护的时候，工程师应当通过相关的仪器及指标来控制闸阀、球阀及供电体系；通过用户端来控制水泵运作的相关参数；对水泵机组实施远程的控制，以及对其运作状况进行监控，对水泵的运作参数设定有效的储存功能；在运作过，程中可以进行自动化的运作，可以根据相关信息对水泵的运作状态进行适当的调整[2]。

1.1.2 报警展示

在运作过程中，可以将水泵控制系统的相关信息进行实时显示，如电压、水仓水位等。另外，系统还具备了判断及处理故障的能力，当系统产生问题后，用户端可以做出报警，同时反映出故障类型，并做出针对性的处理，如停止运作等。

1.1.3 语音通信

系统应当具备相应的视频及语言通信能力，当出现紧急故障时，可以和指挥中心进行直接沟通，从而减少因故障所造成的损失。该系统可以具备多种相关权限，在运作时可以展示出设备的相关功能，如运作状态及时间、检修的日期等[3]。

1.2 系统设施的要求

系统可以用作井下的控制设施、电源的防护和外壳的构造，应当与井下环境的相关要求相符合，具备一定的标志。因此，应当设计出有效规范的外壳构造，将电子部件的散热问题加以解决[4]。

2 排水泵自动化系统的完善设计

2.1 硬件的设计

2.1.1 整体框架

为了使水泵自动监控的功能得以实现，对系统的构造进行设计。整个系统主要包含4层：现场层、诊断层、监控层及远程处理层。详细结构如图1所示，主要通过各个层次的作用来帮助水泵实现自动化运作。各层构造间可以进行互通，传递相关的控制信号，从而使水泵实现自动的运作控制[5]。

图1 子系统总体结构

2.1.2 现场层

该层主要任务是对水泵机组进行有效的控制及信号的采集。运用相关型号的从站，同时设置数字量的输入及输出板块，配置模拟量的输入板块，通过具备通讯能力的监控设备来将主站的资源加以减少。由于未控制水泵机组的温度，也不需要对有DP总线接口的相关单元制定相应的通信程序。为了有效地防止DP网络产生故障，应当在该网络的最后单元上添加保护电阻。工业平板电脑可以运用相应的设备来收集该机组的震动信号，同时进行预先处理，通过工业以太环网来向诊断中心传递相关数据[6]。

2.1.3 监控层

该层主要任务是监视变电所的水泵及供电的集控柜的运作状态，它的组成主要为信息采集体系及DP总线的PLC。作为主控制器，PLC具备处理、控制逻辑及处理简单数据的功能，同时通过相关设备实施通讯，触摸屏具备较好的人机界面，能够有效的管理及控制水泵机组。系统下位机硬件的构成元件主要包含有触摸屏、模拟量等。系统的关键部位就是PLC，具备较高的可靠性[7]。

2.2 系统软件设计

程序结构。系统软件的关键程序构造图如图2所示，主要包括了集控柜及就地箱的PLC软件程序、上位机及平板电脑的软件程序。PLC的关键特征就是对于强、弱电具备较强的适应能力，具备较强的抗干扰能力，但不具备较高的运算能力。因此，必须具备上位机，其主要任务是将所收集的信号进行有效正确的整理及分析，同时发出相应的讯号，从而使PLC得到更好的运用。平板电脑所具备的优势就是具备较高的集成度、较强的人机对话能力，使人机交互的目的得以迅速实现，最关键的特征就是进行手动控制。

图2 系统软件框架图

编写程序的措施。水泵机组自动监控体系所运用的为ET200的DP从站，其与PLC具有一致性，其控制工作均是由主站来实现。由于PLC所运用的为西门子300系列，因此在对其进行程序编写时可以采取STEP7。

主程序的流程。为了使系统的稳定性得到控制，在编写程序时应当确保程序模块的独立性。其运作的整体流程为，PLC初变量经过运用相关设备，当进入到主循环时来对条件进行判断，根据输入的参数来明确PLC的运作板块；当一个循环结束之后，PLC可以对其进行扫描，同时加以更新，进入下一个的循环。

上位机的通信单元。主要作用是促使PLC和上位机间实现相应的数据转换，同时将收集到的数据及相关指令传输至电脑端。

就地控制的部分。主要作用是将水泵的开启及停止进行有效的控制。

半自动控制的部分。主要内容是促使水泵完成半自动化控制，通过相应的器件来发出相应指令，同时控制水泵的启动及停止。

自动控制的部分。主要任务是实现水泵机组的自动化控制，在接收到相应的指令后，系统会基于水位上升速度及水仓水位，对水泵的运作台数加以判断、对水泵抽真空、启动及停止进行控制、对水阀门的开启与关闭进行控制。

模拟量采集程序单元。主要的功能是将收集所得的压力、温度等相关参数进行处理，同时将其转变成为相关的数字信号。对突发状况进行处理的单元所具有的作用为基于相关参数来处理水泵机组的运行故障，同时发出相应的控制指令，对其动作进行控制。

综保通信的部分。主要任务是将所采集的参数传输给相对应的控制单元。触摸屏通信单元的主要工作就是与PLC实现彼此的数据交换，主要是经过PLC和MPI来实现数据的交换[8]。

故障报警的部分。当水泵机组产生相应的问题时，系统会根据所检测到的信号为相应机构做出相应的操作指令。在产生故障时，故障警报板块可以自动化停止水泵的运作状态，同时发出警报。另外，还可以使用半自动化程序，在上位机上显示产生故障的原因及相关信息。

3 结束语

本文为了使水泵机组的管理水平得以提升，对水泵机组实施自动化改造，设计出系统的整体结构图、软硬件的设计思路。可为其技术的改善提供有效的指导。