中央泵房在线监测和自动控制系统

耿宽宽

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

中央泵房在线监测和自动控制系统

耿宽宽

(山西省自动化研究所，山西 太原 030012)

针对东明煤矿井下主排水系统状况，提出了水泵在线监测与自动控制系统，采用西门子PLC控制器和上位机的结构化设计模块，应用于煤矿中央排水系统，使中央泵房实现远程监控、无人值守，提高了矿井排水系统的工作效率和安全性。

中央泵房；自动控制；PLC；上位机

东明矿实施排水系统进行自动控制改造的必要性：

近年以来，随着东明矿井的开拓以及新采区的扩展，排水的管理问题愈发的突出：

1) 水泵和排水仓均采用专人负责，劳动力占有量较大；

2) 水泵的启动和停止采用人工控制，设备的状态是否完好、工作时间统计是否准确、水位变化数据是否能及时反馈，成为解决问题的难点；

3) 设备检修、故障判断等需要人工巡检和依靠经验判断，对维修人员的技术水平要求较高；

4) 矿井中设计排水量和存水量的一些历史数据需要人工统计计算，可靠性差；

5) 实现水仓无人职守不仅是建设数字化矿井的需要也是提高矿井安全性的重要措施之一。

1 系统的组成及总体结构

系统总体结构分四大部分[1]：

1) 自动控制部分：是整个无人值守在线检测系统的核心，所谓自动控制就是要在无人值守的情况下对整个泵房排水系统中传感器设备的运行数据进行实时的采集，并对采集回来的数据反馈给PLC的CPU，经过CPU自动分析以后，排水设备实行自动的控制，保证在无人值守的情况下安全可靠的正常运行。自动控制部分由传感器，执行机构、PLC控制柜和电动阀门构成。

2) 无线网络部分：无线网络主要是为采集到的数据与自动控制中心建立可靠的传输数据的通道，不仅要求整个链路能够接通，而且要满足实时性，数据传输的延迟和阻塞都会影响整个控制系统的运行，因此好的数据回路也是整个控制系统必不可少的部分。

3) 远程监控站部分：主要由上位机控制界面以及上位机控制软件组成，可以通过观察上位机界面来实时了解水位和设备运行情况，并能通过软件控制设备的运行。远程监控部分还能够自动报警，自动启动对设备的过载保护，以及对整个排水工艺中的参数和设备故障情况的实时监控。

4) 视频监控部分：这部分主要由监控摄像头和传输线路组成，主要完成现场情况的实时采集，将设备现场情况通过无线网路部分传回监控中心，使得工作人员即使不在现场也能观察设备现场的实时状况，减少现场无人值守时的安全隐患。

2 基于无线网络的视频监控

中央泵房在线检测和自动控制系统采用两对点到点无线网桥。东明矿区一年的温度范围为-35 ℃～+35 ℃，工作环境比较恶劣，对设备的要求也比较高，无线通信系统IP封装等级必须达到IP67以上。

本系统采用奥维通11M/2.4 GHz N点对点无线网桥设备组建无线传输网络。在矿井口架设一台点对多点的中心基站AU-DS.11作为中继点，中心基站通过功分器外接定向天线的方式与井底PLC数据点和办公大楼建立通信，将接收回的PLC数据传送到办公大楼数据检测端，以便对现场设备参数进行实时监测数据；在井底PLC和办公大楼分别安装1台11M客户端网桥SU-DS.11D，井底SU通过定向天线与中心基站通信，接收来自井底的PLC数据；办公大楼SU通过定向天线中心基站通信，接收传回的PLC数据，这样就形成了从采集数据到传输数据再到接收数据的一个完整的无线通信回路[2]。

3 双冗余PLC配置

由于矿井排水自动化控制系统对安全性的要求比较高，本系统采用PLC冗余方案。这就需要两个支持冗余系统的CPU模块。完成PLC硬件配置并将编写好的PLC程序下载到主机后，系统自动备份给从机，两台CPU互为热备，两台CPU互相监视彼此的运行通讯情况，当一个CPU与组态软件出现通信故障或者硬件本身出现故障时，立即做出反应，通过局域网传送给上位机，并在监控界面显示报警，系统切换到热备的CPU上，切换时间<50 ms，快速的切换不仅保证了系统的稳定性还确保不会因系统故障而丢失数据,保证了系统控制的稳定性。实践证明，此CPU的冗余控制满足东明矿排水要求，提高了系统的可靠性[3]。双冗余系统控制流程框图如图1。

图1 双冗余系统控制流程框图

4 PLC程序设计

排水仓内安装液位传感器，要求每台水泵电机都能够单独启停，且能在水位达到上限位时自动开启水泵电机，水位下限位时水泵电机自动停止。本系统还考虑到供电部门对不同时间段的电价计费的不同来控制排水成本。在水位较高时按照排水的需要开停水泵，而在水位不高的情况下，以避开电费计价较高的时间段开启水泵，本系统既节约费用又提高排水系统的可靠性[4]。PLC程序设计流程图如图2所示。

图2 PLC程序设计流程图

5 中心监控端画面显示

本系统上位机界面采用组态王绘制，通过组态能够实现数据的实时监测检测，通过观察监控界面就能查看各传感器的参数和设备的运行状况。如水泵的开停状态，电压电流参数，电机轴承温度，水的流量大小，水的压力等。根据实时数据分析设备运行状态，自动的控制设备的启动和停止。

计算机采用组态软件画面控制设备的运行，减少了每次需要到现场查看的弊端，不仅保证了人身的安全也便于控制人员的操作，而且能够动态的显示设备的运行情况。中心监控端画面显示如图3所示。

图3 中心监控端画面显示

本自动监控系统与人工控制相比较，能够实时的对运行参数进行监测，并记录历史数据和操作记录形成报表，自动对设备运行情况进行分析，采用图形、报表的形式显示系统的实时工况。当设备故障或通讯发生故障时，监控界面就会显示故障设备名称和故障原因，上位机将该故障信息存入故障信息数据库，供以后统计分析。

6 本设计的可行性及创新点

对中央泵房各台排水泵实施PLC自动控制及运行参数自动检测，通过无线网路将数据信息传送到办公大楼监控中心，并能进行实时监测监控及报警显示；系统通过检测水仓水位、电机电流、电机电压、流量、温度、排水时间等参数，自动控制水泵的工作状态；办公大楼通过调度软件和上位机直观、形象、实时地观察系统工作状态和设备参数；通过监控系统能够实现远程监控，本系统在传统数据监控的基础上加入无线网络传输，为视频监控部分和自动控制部分提供可靠数据传输回路。该系统具有运行可靠、操作方便 、自动化程度高等特点。

7 结论

矿井中央泵房排水系统能否正常运行，关系到煤矿能否实现安全生产。因此一套先进的控制、监测系统在矿井中央泵房实施是非常必要的。煤矿中央泵房在线监测和自动控制系统改造后将会弥补这方面的不足，它符合现代矿井高产高效、减员增效、节能降耗的要求；水泵的开停及选择切换无需人工完成，可根据水位或其它参数自动开停水泵，提高了设备运行的可靠性；同时，提升了矿井整体自动化、信息化水平，对矿井今后安全管理起到很好的推动作用。

[1] 李志红，壬峰.基于PLC的矿井中央泵房自动控制系统设计[J].煤矿机械，2010(3)：150-152.

[2] 耿宽宽，李铁鹰.基于无线传输的煤矿主排水泵自动控制系统设计[J].煤矿机械，2014(3):217-219.

[3] 张江维，王翠茹，衡军山，等.基于双CPU的冗余控制研究与实现[J].机电工程技术,2005,34(4)：64-65.

[4] 卜祥泉，周树志，庞科旺.煤矿井下排水泵控制系统设计[J].工矿自动化，2007(3):5-7.

On-line Monitoring and Automatic Control System for Central Pumping Station

Geng Kuankuan

(ShanxiAutomationResearchInstitute,TaiyuanShanxi030012,China)

According to the condition of main drainage system in Dongming Coal Mine, The on-line monitoring and automatic control system of water pump is put forward which adopts the structured design module of Siemens PLC controller and PC to be used in coal central drainage system. The remote monitoring and control with unattended is realized on central pumping station to improve the work efficiency and safety of the mine drainage system.

central pumping station; automatic control; PLC; host computer

2016-11-01

耿宽宽(1988- )，男，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向：自动化控制。

1674- 4578(2017)01- 0012- 03

TP274

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