水泵機(jī)組的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)改造設(shè)計(jì)

張?jiān)撇?/p>

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)興峪煤業(yè)有限公司， 山西 陽(yáng)泉 045100）

1 改造的必要性

水泵機(jī)組為煤礦的大型關(guān)鍵設(shè)備，其合理管理有很大難度。主要有以下幾個(gè)問(wèn)題[1]：每個(gè)水平排水泵房都需要設(shè)專人值班，水泵操作幾乎都是泵房司機(jī)操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，企業(yè)達(dá)不到減員增效的目的，經(jīng)濟(jì)效益很差；設(shè)備運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，憑借經(jīng)驗(yàn)區(qū)分系統(tǒng)的故障狀態(tài)，可靠性差；礦井地面指揮中心不能實(shí)時(shí)了解水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，而且在故障時(shí)不能有效地進(jìn)行故障控制，為此需要進(jìn)行自動(dòng)化改造。

2 水泵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)主要功能有：第一，在緊急情況下對(duì)設(shè)備維護(hù)時(shí)，工程師可以通過(guò)按鈕及指示燈完成對(duì)球閥、閘閥及供電系統(tǒng)進(jìn)行控制；第二，可以通過(guò)用戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行控制；第三，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵機(jī)組的遠(yuǎn)程控制，以及對(duì)水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視井，對(duì)水泵的運(yùn)行參數(shù)具有實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)功能；第四，在運(yùn)行過(guò)程中，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，能根據(jù)水倉(cāng)水位、用電狀況等信息合理的調(diào)整水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

為了保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使系統(tǒng)具有一定的手動(dòng)控制能力。當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)崩潰時(shí)，也可以通過(guò)人工控制水泵的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)可以實(shí)時(shí)顯示水泵控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息，例如水倉(cāng)水位，電機(jī)電流、電壓、功率因數(shù)等，水泵負(fù)壓、壓力、流量等，以及水泵機(jī)組轉(zhuǎn)軸溫度等信息。此外，系統(tǒng)還應(yīng)具有一定的故障診斷和處理能力，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，用戶端應(yīng)能發(fā)出報(bào)警并顯示故障的類型，并能根據(jù)故障的類型作出相應(yīng)的處理，例如停機(jī)、降低轉(zhuǎn)速等。該系統(tǒng)應(yīng)具有語(yǔ)音和視頻通信能力，在發(fā)生緊急故障時(shí)，可以直接與指揮中心進(jìn)行交流，以降低故障帶來(lái)的損失。該系統(tǒng)可以具有不同的權(quán)限功能，在運(yùn)行時(shí)可以顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間及下次檢修日期提示等功能。

3 水泵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要有四層結(jié)構(gòu)，可以分為現(xiàn)場(chǎng)層、監(jiān)控層、診斷層以及故障的遠(yuǎn)程處理層。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要通過(guò)各個(gè)層之間的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)化運(yùn)行。

圖1 子系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

井下泵房現(xiàn)場(chǎng)層直接面向水泵機(jī)組的控制與信號(hào)采集。采用ET200 Profubus-DP從站，并配置數(shù)字量輸入輸出模塊以及模擬量輸入模塊，利用具有通信功能的測(cè)控儀表可以減少主站的資源。由于不對(duì)水泵機(jī)組的溫度進(jìn)行控制，無(wú)需對(duì)帶有DP總線接口的德陽(yáng)捷通DDMF5-8ADP模塊編寫(xiě)相應(yīng)的通訊程序。為了防DP網(wǎng)絡(luò)因?yàn)殡娏鬟^(guò)載而出現(xiàn)故障，應(yīng)該在DP網(wǎng)絡(luò)的最后一個(gè)模塊上加上保護(hù)電阻。工業(yè)平板電腦通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集水泵機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婀收显\斷中心。

監(jiān)控層主要是對(duì)變電所的水泵集控柜和供電集控柜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，其主要由DP總線主站PLC和信息采集系統(tǒng)組成。PLC作為主控制器完成邏輯處理、控制及簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理等功能，并通過(guò)Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線和泵房現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備進(jìn)行通訊，觸摸屏有良好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組的集中管理控制[2-3]。系統(tǒng)下位機(jī)硬件配置由主PLC、觸摸屏、模擬量和開(kāi)關(guān)量采集、執(zhí)行部分等組成。PLC模塊PLC為系統(tǒng)核心部分，這里選用高可靠性的S7-300系列PLC。

4 水泵自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要程序結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要有就地箱和集控柜的PLC軟件程序、平板電腦軟件程序和上位機(jī)軟件程序。

圖2 系統(tǒng)軟件框架圖

水泵機(jī)組自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)在地面采用的是ET200的DP從站，從站和PLC程序都是受主站控制的。由于PLC使用的西門子的300系列，所以利用STEP7來(lái)編寫(xiě)PLC程序。為了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在編程時(shí)應(yīng)保證模塊的獨(dú)立化[3]。其運(yùn)行的整個(gè)流程是，PLC初始化變量通過(guò)調(diào)用OB100，在進(jìn)入主循環(huán)后進(jìn)行條件判定，根據(jù)輸入的參數(shù)來(lái)確定PLC系統(tǒng)的運(yùn)行模塊；完成一個(gè)循環(huán)后，PLC進(jìn)行掃描，更新相應(yīng)的參數(shù)，進(jìn)入一個(gè)循環(huán)[4]。此外，由于每個(gè)模塊都有相應(yīng)的程序，下面主要對(duì)每個(gè)模塊的主要功能進(jìn)行說(shuō)明和介紹。

上位機(jī)通信程序模塊，其主要的功能是完成上位機(jī)和主控PLC的數(shù)據(jù)交換，并將接受到的數(shù)據(jù)和控制命令傳遞給平板電腦端。就地控制程序模塊，其主要功能是通過(guò)按鈕來(lái)完成對(duì)水泵起停的控制。半自動(dòng)控制程序模塊，其主要的功能是完成水泵的半自動(dòng)化控制，通過(guò)上位機(jī)和觸摸屏發(fā)出的指令，利用按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵的起停。模擬量采集程序模塊，其主要的功能是對(duì)采集來(lái)的壓力、負(fù)壓、液位、溫度進(jìn)行處理并將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。突發(fā)事故處理程序模塊，其主要功能是根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)的故障進(jìn)行處理，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，控制相應(yīng)的裝置動(dòng)作。綜保通信程序模塊的主要功能是將獲得的參數(shù)，例如電壓、電流、功率等，傳遞給相應(yīng)的控制模塊。觸摸屏通信程序模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主要是通過(guò)自帶的MPI通信與PLC完成數(shù)據(jù)的交換。

當(dāng)水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，監(jiān)視器會(huì)根據(jù)測(cè)量到的信號(hào)發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令給相應(yīng)的機(jī)構(gòu)。發(fā)生故障時(shí)，故障報(bào)警程序模塊可以自動(dòng)發(fā)出水泵的停止指令并發(fā)出相應(yīng)的警報(bào)信號(hào)。此外，還會(huì)調(diào)用半自動(dòng)化程序，將故障的原因和信息顯示在上位機(jī)上。

[1] 史麗萍，張廣龍.礦井中央水泵房綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式[J].煤炭機(jī)電，2005（4）：8-10.

[2] 邱公偉.可編程控制器網(wǎng)絡(luò)通信及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[3] 鄭晟，鞏建平，張學(xué).現(xiàn)代可編程序控制器原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，1999.

[4] 譚偉城.離心式水泵振動(dòng)監(jiān)測(cè)與故障診斷[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011（3）：127-128.