煤矿排水系统监控平台优化设计及其试验

阎剑俊

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西 古交 030200）

引言

随着智能控制技术、计算机网络技术以及通信技术的不断发展，矿区排水系统的自动化、智能化、信息化的需求越来越高，实现矿区排水系统的少人化、无人化成为必然发展趋势。现有排水系统监控平台存在的问题主要有实时性差、参数显示不全、控制方式不灵活[1-2]。针对上述问题，提出排水系统监控平台优化方案并完成试验验证。

1 监控平台总体方案

煤矿排水系统监控平台优化总体设计如图1 所示，PLC 主控制器与监控平台之间以CAN 通信方式完成数据的交互。监控平台由监测类数据和控制类数据两个模块组成。监测类数据模块主要完成排水系统的数据实时显示，主要显示的数据类别有传感器类数据，如监测水仓水位的超声波液位传感器、电机温度传感器、出水口压力传感器，水泵电机真空度传感器以及监测电机电流电压的传感器等。显示的指示灯类数据有水泵电机运行/停止指示灯、故障指示灯、报警指示灯等；显示的故障类数据主要有传感器故障、水泵故障、闸阀故障等；显示的报警类数据主要有传感器限位报警、电机电流异常警、电机电压异常报警以及电机温度异常报警等；显示参数类数据主要有系统电压、系统电流、水泵运行状态、出水口状态、故障状态、水泵温度等；显示的输入/输出数据主要是PLC 控制器数字量输入/输出点，如水泵启动/停止、真空度闸阀开启/关闭、射流阀开启/关闭、出水口闸阀开启/关闭等；显示的模拟量数据主要有温度传感器采集到的模拟量、压力传感器采集到的模拟量、真空度传感器采集到的模拟量以及超声波液位传感器采集到的模拟量等。另外，在监控平台还将显示排水系统中的排水管路状态、水泵工作状态以及射流泵工作状态等。控制类数据主要包括控制模式选择、一键启动、一键停止、急停、排水管路控制、水泵启停控制、射流泵启停控制、电动闸阀控制等。

图1 监控平台总体设计框图

2 监控平台方案实现

2.1 CAN 总线通信设计

PLC 控制器与排水系统监控平台之间以CAN 通信方式实现数据和控制指令的传送。在该CAN 通信协议总，采用CAN2.0 A 协议，设置通信波特率为250 kbit/s，帧格式为标准帧格式[3-4]，监控平台的节点号为16 号78。PLC 控制器与监控平台的CAN 通信协议格式定义见表1。

表1 PLC 控制器与监控平台CAN 通信协议格式定义

表1、表2 详细给出了优化后排水系统中PLC 控制器与监控平台CAN 通信协议的具体格式定义，Cob_id 为0x278、0x378、0x478、0x578、0x678、0x679 为PLC 发送给监控平台的数据信息，用于在监控平台上显示。Cob_id 为0x1F8、0x2F8 为监控平台发送给PLC控制器的控制信息，用于远程控制排水系统的运行。

通过监控平台，可以对排水系统实现远程控制，可以实现一键启动、一键停止以及急停功能，还可以单独实现1 号、2 号以及3 号水泵的启动、停止，以及对应的射流泵的启动、停止控制，对应电动闸阀的开启、关闭控制，如表2 所示。

表2 控制/工作模式

2.2 监控平台设计

优化后的煤矿排水系统监控平台一共分为6 个画面，即主画面、传感器数据画面、系统设置画面、控制画面、故障报警画面以及历史查询画面。上页图1所示为排水系统监控平台的主画面，在该画面中显示1 号、2 号以及3 号水泵的运行状态、故障状态、水泵温度、出水口压力、闸阀状态以及闸阀开度信息，另外还显示水仓实时水位[5-7]。在主画面可以任意切换至其他5 个画面，方法为点击主画面下方的“传感器数据”“系统设置”“控制画面”“故障报警”“历史查询”可切换至对应画面。

图2 为排水系统监控平台的控制画面，即通过该监控平台可以实现对1 号、2 号以及3 号水泵的远程控制。在进行远程控制时，需要选择控制模式（远程、就地）、工作模式（手动、自动、远程、集中），如图选择控制模式为“远程”，选择工作模式为“远程”，即可实现对排水系统的远程自动控制[8]。另外，在控制画面中还可以实现对排水系统的一键启动、一键停止以及急停操作。在控制画面中，还实时显示1 号、2 号以及3 号水泵的运行状态和故障状态，以便操作人员及时了解和掌握水泵的运行情况。

图2 煤矿排水系统监控画面-主画面

3 试验验证

3.1 试验方案

为验证优化设计后的煤矿排水系统监控平台的实用性和有效性，按照下述方案进行试验验证。

3.1.1 手动工作模式

将水泵工作模式的旋钮旋至“手动”工作模式，分别对1 号、2 号以及3 号水泵进行如下步骤操作（以1号水泵为例，2 号以及3 号水泵的手动工作模式操作步骤一致）：打开配水阀门，确保与水仓连通；抽真空：打开射流闸阀和射流球阀或开启真空泵，打开真空阀门和真空球阀；将水泵腔体注满水；启动1 号水泵；延时时间后打开出水阀门，并检测出水口压力、流量、电机电流、电机电压以及电机温度；停止1 号水泵前操作：关闭射流闸阀和射流球阀或关闭真空阀门和真空球阀；关闭1 号水泵的出水阀门；停止水泵。

3.1.2 自动工作模式

将水泵工作模式的旋钮旋至“自动”工作模式，按照如下步骤对1 号、2 号以及3 号水泵进行控制：正确选择出水阀门、配水阀门；抽真空；按下“启动”按钮，按照自动工作模式流程启动水泵；延时时间T；按下“停止”按钮，按照自动工作模式流程停止水泵。

3.1.3 远程工作模式

将水泵工作模式的旋钮旋至“远程”工作模式，即在监控平台实现对1 号、2 号以及3 号水泵的启停智能控制。在监控平台按下“一键启动”后，优化后的排水系统会根据当前水仓水位、涌水量、用电峰段谷段等因素对1 号、2 号以及3 号水泵进行启停控制，按照“避峰就谷”策略智能控制流程对水仓水位进行排水。在远程模式中还可以实现“一键停止”以及紧急情况下的“急停”操作。

3.1.4 集中工作模式

将水泵工作模式的旋钮旋至“集中”工作模式，即在煤矿井下的集中控制平台实现对1 号、2 号以及3号水泵的启停智能控制。与远程工作模式相比，集中工作模式仅仅是控制位置发生了变化。集中控制模式的逻辑处理流程、智能控制过程与远程工作模式一致。

3.2 验证效果

按照设计的试验方案分别完成排水系统的手动、自动、远程以及集中控制模式，上述四种控制模式都能较好地完成煤矿井下排水任务，其中手动控制劳动强度大，长时间实现“避峰就谷”排水存在困难；自动、远程以及集中控制模式劳动强度低，控制精度高，能够按照节能降耗思想实现“避峰就谷”排水，实现煤矿井下排水系统安全、稳定、节能运行。

4 结语

1）给出优化后的煤矿排水系统监控平台总体设计方案，以倍福控制器为核心CPU，通过CAN 总线通信将1 号、2 号、3 号水泵的运行状态、参数信息、故障信息等上传至监控平台，同时可将监控平台的控制指令下发至水泵。

2）给出优化后的煤矿排水系统监控平台具体实现，如CAN 总线通信设计、监控平台画面设计等。

3）完成优化后的煤矿排水系统监控平台试验验证。