基于本安工業(yè)控制機(jī)的自動(dòng)排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高測(cè)科 余 洪

(四川廣旺集團(tuán)船景煤業(yè)有限責(zé)任公司，四川 宜賓 645253)

基于本安工業(yè)控制機(jī)的自動(dòng)排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高測(cè)科 余 洪

(四川廣旺集團(tuán)船景煤業(yè)有限責(zé)任公司，四川 宜賓 645253)

介紹了一種以本安工業(yè)控制機(jī)為核心基礎(chǔ)，采用CAN總線下設(shè)傳感器和驅(qū)動(dòng)器的方式，結(jié)合VC++和上位機(jī)組態(tài)軟件組成的自動(dòng)排水控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤礦排水系統(tǒng)的自動(dòng)控制和無(wú)人值守。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，該控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能滿足煤礦井下安全生產(chǎn)需求。

本安；工業(yè)控制機(jī)；自動(dòng)排水控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

0 引言

根據(jù)礦井涌水量和煤礦專業(yè)相關(guān)規(guī)定，煤礦井下一般建設(shè)有2個(gè)相互連通的水倉(cāng)，一用一備，作為礦井打水的主要方式。泵房?jī)?nèi)通常安裝有3臺(tái)及以上離心水泵和大功率電機(jī)，分別用作工作泵、備用泵和檢修泵，同時(shí)架設(shè)有2個(gè)以上總出水管路作交替使用。同時(shí)，水泵啟動(dòng)前對(duì)水泵上引水通常采用射流泵或真空泵抽真空吸引等方式來(lái)完成[1]。

為了讓礦井主排水系統(tǒng)能安全可靠地運(yùn)行，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制是非常有必要的。根據(jù)以上情況，特采用本安工業(yè)控制機(jī)、相關(guān)控制器和各類傳感器配套組成一套水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)控制主排水系統(tǒng)的主要設(shè)備和沿線的智能節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)主排水水泵的半自動(dòng)控制、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制以及無(wú)人值守，有效提高了煤礦生產(chǎn)效率。

1 控制機(jī)原理

本安工業(yè)控制機(jī)的主要組成部分有內(nèi)部主板、LCD液晶屏、按鈕、送話器、各類外部接口等，控制機(jī)具備2路485接口，一路CAN接口以及2個(gè)以太網(wǎng)接口，控制機(jī)系統(tǒng)硬件平臺(tái)應(yīng)用基于ARM內(nèi)核的英特爾公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的處理器，操作系統(tǒng)選用廣受業(yè)內(nèi)好評(píng)的Windows CE軟件操作平臺(tái)。

ARM內(nèi)核處理器具有體積小、功耗低、性能好等多種特點(diǎn)，在工業(yè)控制、電子通信、軍工等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用。ARM內(nèi)核處理器CPU選用英特爾XScale PXA270微處理器。PXA270芯片是一款集成了32位XScale處理器核、多通信信道、LCD控制器、增強(qiáng)版存儲(chǔ)控制器、PCMCIA/CF控制器和通用總線型I/O口的應(yīng)用處理器[2]。

本安工業(yè)控制機(jī)電氣原理圖如圖1所示。

圖1 本安工業(yè)控制機(jī)電氣框圖

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

以本安工業(yè)控制機(jī)為平臺(tái)的水泵控制系統(tǒng)由以下主要設(shè)備組成：本安型工業(yè)控制計(jì)算機(jī)1臺(tái)、多功能驅(qū)動(dòng)控制器多臺(tái)、通用智能I/O接口、電壓/電流/流量等各種傳感器多臺(tái)、地面監(jiān)控上位機(jī)等，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)配置1臺(tái)本安工業(yè)控制機(jī)，主要用作采集和處理水泵房各傳感器信息和數(shù)據(jù)，每臺(tái)泵旁邊配置1臺(tái)多功能驅(qū)動(dòng)控制器，整個(gè)泵房配置若干臺(tái)通用智能I/O接口及各種傳感器，通過(guò)以上設(shè)備就組成了排水監(jiān)控系統(tǒng)。每臺(tái)泵旁邊分別配置1臺(tái)多功能驅(qū)動(dòng)控制器，主要用于對(duì)每臺(tái)泵的電動(dòng)閘閥、水泵電機(jī)、射流泵電動(dòng)球閥進(jìn)行控制，同時(shí)采集被控設(shè)備的運(yùn)行情況，即采集各種模擬信號(hào)(正壓、負(fù)壓、水位、流量等)，如需采集電流型模擬量信號(hào)需要配置電流轉(zhuǎn)頻率模塊。每臺(tái)泵分別配置1臺(tái)負(fù)壓傳感器用于監(jiān)測(cè)水泵泵體的真空度、1臺(tái)正壓傳感器用于監(jiān)測(cè)出水管的出水壓力，并配置1臺(tái)管道液位傳感器用于監(jiān)測(cè)泵體滿水情況和出水流量情況。泵房主副水倉(cāng)分別配置若干臺(tái)水位傳感器(每個(gè)水倉(cāng)配置1個(gè)，原則上不少于2臺(tái))，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水倉(cāng)水位變化情況，作為自動(dòng)啟停水泵的主要依據(jù)和關(guān)鍵參數(shù)。泵房配置若干臺(tái)流量傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每臺(tái)泵的出水流量。整個(gè)泵房配置若干臺(tái)通用I/O接口，接入每臺(tái)泵的模擬量參數(shù)(電機(jī)溫度等)。

3 系統(tǒng)控制方式

基于本安工業(yè)控制機(jī)的排水自動(dòng)控制系統(tǒng)有4種控制方式：(1) 就地手動(dòng)：泵組電動(dòng)球閥、電動(dòng)閘閥、水泵電機(jī)等設(shè)備的啟動(dòng)，由多功能驅(qū)動(dòng)器面板上的控制按鈕發(fā)出啟停命令，在本安工業(yè)控制機(jī)面板上可以查看當(dāng)前運(yùn)行水泵的運(yùn)行狀態(tài)。(2) 就地自動(dòng)：泵組電動(dòng)球閥、電動(dòng)閘閥、水泵電機(jī)等設(shè)備的啟動(dòng)，由本安工業(yè)控制機(jī)面板上的一鍵啟動(dòng)按鈕發(fā)出啟停指令，各個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)備按照既定流程順序啟動(dòng)，同時(shí)在工業(yè)控制機(jī)面板上可以觀察到當(dāng)前設(shè)備的啟動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)任意啟泵條件不具備時(shí)，本安工業(yè)控制機(jī)將發(fā)出聲光及文字報(bào)警，并采取相應(yīng)的預(yù)警措施。(3) 遠(yuǎn)程半自動(dòng)：由地面值班人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，通過(guò)地面控制機(jī)遠(yuǎn)程啟動(dòng)水泵。(4) 全自動(dòng)無(wú)人值守：系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng)的高低水位實(shí)現(xiàn)泵組的啟停。高水位啟運(yùn)行泵組、超高水位啟備用泵組、低水位自動(dòng)停泵，若任意啟泵條件不具備，地面上位機(jī)發(fā)出聲光報(bào)警，由值班人員處理完故障后恢復(fù)全自動(dòng)無(wú)人值守作業(yè)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 本安工業(yè)控制機(jī)程序設(shè)計(jì)

本安工業(yè)控制機(jī)程序系統(tǒng)選用微軟Embedded VC++作為開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件。軟件中的通訊和控制模塊均采用基于COM口的組件服務(wù)技術(shù)，有效地保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俸涂煽啃?，確保了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。該COM技術(shù)可使用任意開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，可在不影響水泵正常工作的前提下進(jìn)行升級(jí)，在網(wǎng)絡(luò)上重新分配位置從而更加透明[3]。從用戶界面上看，通過(guò)在軟件的圖形模塊上應(yīng)用圖形交叉隱現(xiàn)技術(shù)降低了資源消耗，并很好地保持了圖形的效果，確保了圖形自身的美感和不占用系統(tǒng)更多的資源。

4.2 系統(tǒng)上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件采用了組態(tài)軟件，上位機(jī)通過(guò)Modbus協(xié)議與本安工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行通訊，主要具備以下幾項(xiàng)功能[3]：(1) 實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)測(cè)各水倉(cāng)水位情況；(2) 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵運(yùn)行過(guò)程中的情況；(3) 監(jiān)測(cè)各個(gè)設(shè)備狀態(tài)信息，如有異常發(fā)出聲光和文字報(bào)警；(4) 對(duì)井下水泵房控制設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，控制水泵和閘閥的啟停；(5) 可查詢水泵運(yùn)行和各類傳感器檢測(cè)的歷史記錄、各類參數(shù)和故障歷史報(bào)警等；(6) 打印運(yùn)行報(bào)表。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比目前使用較多的以PLC為核心組件的自動(dòng)排水控制系統(tǒng)和基于本安工業(yè)控制機(jī)的自動(dòng)排水控制系統(tǒng)，后者的各傳感器、執(zhí)行器、控制器等全部掛接在總線上，既滿足了控制的靈活性和方便性要求，又極大地減少了各類線纜的敷設(shè)，將來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和擴(kuò)展也極為便利。系統(tǒng)自帶多路多種通訊接口，支持多種通訊協(xié)議并行通訊，聯(lián)網(wǎng)方便快捷，可通過(guò)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)、光纜以及電纜與地面上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，通過(guò)地面上位機(jī)可與信息自動(dòng)化平臺(tái)共享全礦井?dāng)?shù)據(jù)。

該系統(tǒng)目前已在四川廣旺船景煤業(yè)公司等多個(gè)煤礦投入使用，取得了良好的效果，對(duì)煤礦實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、節(jié)能減排和減員增效具有重要意義。

[1]陳子春，劉向昕.井下中央泵房水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化，2007(2)

[2]祝國(guó)源.基于ARM的礦用本安型工業(yè)控制機(jī)的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2010(8)

[3]Randy Abernethy.COM/DCOM技術(shù)內(nèi)幕[M].清華大學(xué)出版社，1999

2014-06-03

高測(cè)科(1987—)，男，四川內(nèi)江人，機(jī)電助理工程師，主要從事煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用和研究工作。