０　引言

礦井水泵房承擔(dān)著礦井的排水任務(wù)，對煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)起著十分重要的作用。傳統(tǒng)的井下排水系統(tǒng)以人工操作方式為主，工人憑借經(jīng)驗(yàn)控制泵站的啟停，勞動強(qiáng)度大，排水效率低，可靠性差，很難做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且工人在工作過程中還有可能出現(xiàn)誤操作，甚至引發(fā)較大的安全事故［１］。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和微控制器的廣泛應(yīng)用，井下泵房自動控制系統(tǒng)的建設(shè)成為保證煤礦企業(yè)安生生產(chǎn)的重要組成部分。

本文針對傳統(tǒng)人工排水系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)和安全隱患，利用磁性浮子液位計(jì)控制技術(shù)［２］設(shè)計(jì)了礦井水泵房自動控制系統(tǒng)，以保證排水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，提升煤礦排水系統(tǒng)的工作效率，提高煤礦生產(chǎn)線的自動化程度和智能化程度，建造安全、高效、現(xiàn)代化的礦井排水生產(chǎn)體系。

１　礦井水泵房自動控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

礦井水泵房自動控制系統(tǒng)主要由地面監(jiān)控中心、井下磁性浮子液位計(jì)控制中心站［３］和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)三部分組成。井下水泵房自動控制系統(tǒng)的硬件組成包括主排水控制系統(tǒng)主機(jī)、本安操作臺、本安型ＩＯ分站、防爆電液閘閥、液位計(jì)、壓力傳感器、負(fù)壓傳感器、流量傳感器和氣、水兩用噴射泵等設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)見圖１。本系統(tǒng)主要采用磁性浮子液位計(jì)控制技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，并具有ＲＳ４８５通信接口，對井下水泵房３臺水泵（二用一備）進(jìn)行無人值守自動控制；利用觸摸屏對運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示及遠(yuǎn)程控制，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測及報(bào)警功能；利用工業(yè)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到地面生產(chǎn)調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控和調(diào)度。

本系統(tǒng)由現(xiàn)場傳感器檢測水倉水位和其他相關(guān)參數(shù)，控制水泵輪流工作以及在必要時(shí)刻啟動備用泵，根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)需要合理調(diào)度３臺水泵的運(yùn)行。水泵的運(yùn)行狀態(tài)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳回地面上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)實(shí)現(xiàn)了三臺水泵無人值守的智能化控制,保證了排水系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,提高了煤礦排水系統(tǒng)的工作效率。

２　系統(tǒng)主要功能

２．１　磁性浮子液位計(jì)控制中心站功能

井下主排水控制中心站是一個(gè)綜合性的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息共享和排水設(shè)備的自動化控制。該控制中心分為三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用xianjin的德國ＳＩＭＡＴＩＣ?。樱?１２００控制處理器為核心，結(jié)合多種傳感器及控制器件來完成排水系統(tǒng)的控制功能。

控制軟件采用xianjin的、廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的ＳＴＥＰ７編程軟件，采用總線式結(jié)構(gòu)，將主控制器、分站、顯示裝置及傳感器等統(tǒng)一在一起，具有技術(shù)xianjin、結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)行可靠、維修簡單等優(yōu)點(diǎn)。

２．２　數(shù)據(jù)檢測與自動采集

數(shù)據(jù)檢測與自動采集功能是礦井水泵房實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制的基礎(chǔ)，其采集的數(shù)據(jù)主要分為兩類：模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)。通過磁性浮子液位計(jì)主處理模塊進(jìn)行讀取，提高了數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與井上監(jiān)控站利用工業(yè)以太網(wǎng)通信，采用德國西門子磁性浮子液位計(jì)及xianjin的過程控制軟件，可以保證將各類數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)地讀取和處理。采集的模擬量數(shù)據(jù)包括：電機(jī)繞組溫度（３個(gè)測量點(diǎn)）、水泵前后軸溫、水泵真空壓力和水泵出口壓力、水泵出口閥門開度、水倉液位等。采集的數(shù)字量數(shù)據(jù)包括：水泵的啟停狀態(tài)、電磁閥工作狀態(tài)、閘閥的工作狀態(tài)與啟閉位置、各類設(shè)備故障狀態(tài)。

磁性浮子液位計(jì)控制柜的模擬量輸入模塊通過傳感器連續(xù)檢測水倉液位，并將液位變化信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，進(jìn)而判斷礦井的涌水量，根據(jù)不同的水位狀態(tài)來控制排水泵的啟停狀態(tài)。通過檢測模擬量信號如水泵軸溫、電機(jī)溫度、管網(wǎng)壓力、出水口流量等參數(shù)來監(jiān)測水泵、電機(jī)的運(yùn)行狀況，還可以設(shè)置超限報(bào)警，以避免水泵頻繁啟停，造成電機(jī)損壞。

２．３　水泵自動控制

在水泵啟動之前要查看水倉液位、供電狀態(tài)、管網(wǎng)壓力以及水泵循環(huán)使用記錄等，當(dāng)全部數(shù)據(jù)在合理范圍之內(nèi)時(shí)才會對水泵進(jìn)行運(yùn)行控制，這樣會避免誤操作現(xiàn)象。主要依據(jù)水倉液位來制定３臺水泵的啟?？刂品桨福⒏鶕?jù)礦井生成工藝要求設(shè)定的低限、超低限、高限和超高限值來決定是否啟動水泵排水以及投入哪臺水泵運(yùn)行。水泵主要控制策略如下：

在程序中監(jiān)視水倉液位Ｈ的變化，設(shè)置４個(gè)水位值分別為Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４，且（Ｈ４＜Ｈ３＜Ｈ２＜Ｈ１）。水倉液位在低限水位Ｈ４以下，并且處于電網(wǎng)低負(fù)荷時(shí)間段，則停止運(yùn)行中的水泵。當(dāng)水倉液位Ｈ＞Ｈ３時(shí)，啟動其中一臺水泵投入工作；當(dāng)水倉液位Ｈ＞Ｈ２時(shí)，啟動第２臺水泵進(jìn)行排水；當(dāng)水泵達(dá)到高限Ｈ１時(shí)，則繼續(xù)啟動第３臺水泵，即排水負(fù)荷增大時(shí)，所有水泵都要投入運(yùn)行。

在一段時(shí)間內(nèi)，還可以根據(jù)水倉液位的變化率以及正在工作的水泵臺數(shù)來判斷礦井中的涌水是正常涌水、zui大涌水還是突水，進(jìn)而可以判斷出水泵的工作臺數(shù)。運(yùn)行過程中，不論投入幾臺泵，必須在水倉水位下降到低限水位Ｈ４時(shí)方可停泵。

２．４　水泵閥門控制

礦井水泵房自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人值守的目標(biāo)，水泵閥門的控制和選型是關(guān)鍵。系統(tǒng)中旁路水管的閥門主要采用電動球閥或電磁閥，對于管網(wǎng)閘閥需要采用防爆型閘閥。所有閥門均由磁性浮子液位計(jì)控制站及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)控制。泵閥的控制有自動、手動和檢修控制三種狀態(tài)。運(yùn)行在全自動模式下，主要依靠磁性浮子液位計(jì)對閥門進(jìn)行集中控制和監(jiān)視；在手動操作方式下，可就地對閥門進(jìn)行操作。

在水泵啟動前，應(yīng)先通過旁路水管電動球閥打開旁路水管，待射流泵工作后，檢測吸水管負(fù)壓值，當(dāng)達(dá)到要求時(shí)啟泵。

在水泵啟動時(shí)，為了減小啟動時(shí)的沖擊電流，閘閥應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，電機(jī)空載啟動，當(dāng)電機(jī)啟動結(jié)束后，自動打開閘閥正常排水。在停泵時(shí)，系統(tǒng)先自動關(guān)閉閘閥后停泵。

２．５　數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

本自動控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示３臺水泵和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，以及電動閥和電動閘閥的開關(guān)狀態(tài)，而且這些設(shè)備的狀態(tài)可以動態(tài)圖形顯示，非常直觀明了。如果設(shè)備發(fā)生了事故，可以做報(bào)警處理，改變圖形顏色和閃爍功能突出事故報(bào)警。水倉液位是重點(diǎn)監(jiān)控對象，用圖形填充以及趨勢圖和數(shù)字形式準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地顯示水倉液位，在不同的水位段發(fā)出預(yù)告信號和水位分段報(bào)警，并且配以不同頻率的聲音，以引起工作人員的注意。對于超限報(bào)警，系統(tǒng)會自動記錄發(fā)生的故障類型、級別、時(shí)間等歷史數(shù)據(jù)，并建立報(bào)警記錄報(bào)表和報(bào)警顯示頁面，提醒工作人員立即搶修，避免設(shè)備損壞，造成不必要的損失。電機(jī)溫度、水泵溫度、各管路壓力都可以采用圖形、趨勢圖和數(shù)字形式直觀地進(jìn)行動態(tài)顯示。

２．６　數(shù)據(jù)通信接口

數(shù)據(jù)通信接口是保證數(shù)據(jù)順利傳輸?shù)臉屑~，實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)流，是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動化和智能化的操作基礎(chǔ)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是由數(shù)據(jù)采集模塊傳輸數(shù)據(jù)到磁性浮子液位計(jì)控制站，再通過接口傳送到地面上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，形成完整的數(shù)據(jù)通信環(huán)路。

設(shè)備現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集由傳感器來完成，部分傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)由ＲＳ４８５通信接口接入本安型ＩＯ分站，ＲＳ４８５通信接口zui大的通信距離約為１ｋｍ左右，zui大傳輸速率為１０Ｍｂ／ｓ，它zui大的優(yōu)點(diǎn)是抗共模干擾能力強(qiáng)。電動閘閥和電動配水閥的數(shù)據(jù)直接通過磁性浮子液位計(jì)控制柜的數(shù)字量采集卡完成數(shù)據(jù)傳送，而液位傳感器和壓力傳感器的數(shù)據(jù)則是通過磁性浮子液位計(jì)控制柜的模擬量采集卡直接傳送給磁性浮子液位計(jì)控制器。

磁性浮子液位計(jì)控制中心站和上位機(jī)監(jiān)控中心的通信是由工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。工業(yè)以太網(wǎng)是自動化工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用zui廣泛的通信接口之一，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)百兆，極大地提高了數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性，是保證整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化和自動化控制的數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)。

３　系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控畫面

地面監(jiān)控中心的監(jiān)控系統(tǒng)采用ＷｉｎＣＣ組態(tài)軟件制作，組態(tài)完成后該系統(tǒng)具有設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測功能。監(jiān)測排水系統(tǒng)所有設(shè)備情況，顯示流程圖，顯示實(shí)時(shí)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)及故障信息，可方便地監(jiān)視和管理各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，通過標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)曲線和報(bào)表來統(tǒng)計(jì)各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析設(shè)備是否處于穩(wěn)定和安全狀態(tài)。地面監(jiān)控中心監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖２所示。本監(jiān)控系統(tǒng)具備模擬動畫顯示功能，監(jiān)控界面能直觀反映系統(tǒng)的模擬生產(chǎn)流程，并能以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反映現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行工況。監(jiān)控系統(tǒng)還能顯示設(shè)備現(xiàn)場布置圖，點(diǎn)擊當(dāng)前設(shè)備能及時(shí)了解該設(shè)備的系統(tǒng)配置、運(yùn)行狀態(tài)。監(jiān)控界面還顯示傳感器、電控箱、主站、分站等設(shè)備的名稱、位置和運(yùn)行狀態(tài)。

配水閘閥操作界面如圖３所示。對于工作人員操作設(shè)備的監(jiān)控界面，首先需要判斷當(dāng)前工作人員的操作權(quán)限，不同權(quán)限的操作人員可操作的設(shè)備界面和命令是不同的。操作人員在輸入系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)時(shí)，先要驗(yàn)證操作指令，才可繼續(xù)進(jìn)行，這樣可以保證系統(tǒng)的安全性。

４　結(jié)語

綜上所述，本系統(tǒng)采用磁性浮子液位計(jì)控制技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，對井下水泵房３臺水泵進(jìn)行無人值守自動控制，實(shí)現(xiàn)了礦井下水泵房系統(tǒng)的自控控制，能夠提高煤礦排水系統(tǒng)的自動化和智能化程度，極大地提高了安全生產(chǎn)效率，減少了安全事故的發(fā)生，保證了煤礦企業(yè)財(cái)產(chǎn)安全和煤礦工人的生命安全。