中央泵房自动化控制设计与实现

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摘要：分析了霍尔辛赫矿中央泵房高可靠自动化控制系统的方案设计及中央泵房远程控制的网络可靠性改造。通过自动化改造实现了中央水泵房的远程控制，在实现中结合了网络可靠性设计，提高了井下水泵远程控制的可靠性，降低了设备运行维护成本。

关键词：煤矿；水泵；自动化控制；可靠性

引言

当前，伴随着“物联网”“互联网+”的发展，国家对煤矿信息化要求越来越高，客观的煤炭市场情况也促使煤炭企业不断提升“两化”融合水平，提高生产率、生产安全系数，降低生产成本。矿井排水系统就是能把矿井涌水及时可靠、稳定安全、经济有效地排出矿井的安全系统，该系统为矿井中的人员和生产提供了有力的安全保证[1]。针对霍尔辛赫矿中央泵房现状和新的生产环境要求，对中央泵房排水系统进行了自动化无人职守改造。

1概述

山煤集团霍尔辛赫矿中央泵房距离地面高度513m，现有3台水泵，水泵出水口闸阀直径为DN200mm，配有射流抽真空装置，排水管路为2路DN250mm管路，直排地面。每台泵安装3台DN200mm电动闸阀，改造前由司泵工手动转盘开关闸阀。闸阀控制箱内的开度显示为机械式指针表盘，不能将开度值传入控制系统，影响自动控制精度判断；电机预埋温度传感器，由温度巡检仪现场显示；前后轴温度由机械表现场显示，没有接入控制系统；水泵前后轴没有安装温度传感器，无法判断水泵前后轴温度；水泵轴承没有安装震动传感器，无法判断水泵轴承位移，不能判断水泵是否健康运转。

2方案设计

2.1主要硬件设备改造内容

为达到中央泵房就地、远程自动化控制的目标，系统硬件做了以下主要改造：a)更换原闸阀控制箱，更换的闸阀控制箱带有闸阀开度输出的4mA～20mA电流信号；b)射流管路电磁阀改为内径DN250mm电动球阀，满足抽真空需要，带有开关限位信号；c)更换损坏的正负压传感器；d)更换损坏的投入式水位计；e)拆除原有电机轴承温度机械显示装置，接入自动控制系统；增加安装水泵前后轴温度传感器.

2.2系统结构

如图1所示，霍尔辛赫矿中央水泵房控制系统是由地面操作员站、井下水泵控制主站KJD15A和本安操作台TH12组成。为保证系统长期的可靠运行，系统设计时决定使用PLC（可编程逻辑控制器）作为主控装置，PLC有可靠性高、抗干扰能力强、适应性强等特点[1]。本系统主站控制器采用西门子S7-1500系列PLC，PLC备有以太网模块通过中央泵房交换机上传地面调度监控中心.操作员站就地显示控制采用显示屏和本安键盘完成，通过指示灯显示水泵及附属设备的工作状态；水泵的开停及附属设备开停控制，能对水泵进行就地控制，可作为水泵的操作柜。监测需要的所有信号，经传感器检测，送入相应的信号变送器变成标准的4mA～20mA信号或1V～5V信号，由变送器送入S7-1500控制器配置的I/O（输入/输出）模块，实现对原始一次信号的采集，实现对所监测信号的采集与传输，包括所需的电气参数、水泵系统工作状态、故障等信号等。同时能接受上级监控系统传来的各种动作指令和保护调试指令并可靠执行，实现远方操作或自动化运行控制、接受解锁命令后能修改参数设定等。控制主、分站对泵房内排水泵电机、管道电动阀门和射流管路、抽真空管路阀门等装置实施了自动控制及运行参数自动监测，通过监测水仓水位、电机电流、电机电压、闸阀开启度、流量、真空度等参数，控制水泵工作。现场操作使用液晶显示操作屏，就地实时以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态及水仓水位、电机工作电流、电机温度、水泵温度、排水管流量、水泵真空度等参数。与分站通讯控制水泵轮换工作，合理调度水泵运行。控制主站将各种数据信息传送到调度监控中心和生产设备控制中心，如图2所示，通过地面控制中心上位操作软件，操作员能进行实时监测监控及报警监控、故障历史查询、模拟量曲线显示和报表打印。该系统具有运行可靠、操作方便、自动化程度高等特点。

2.3水泵自动化控制流程

通过自动化改造，霍尔辛赫中央泵房可实现全自动化控制，系统能根据预设的水位和事件进行自动化运行。如图3所示（图中“Y”标识满足条件，“N”表示未满足条件），当到达水泵启动条件时，系统首先进行抽真空，达到真空度后进入水泵启动程序，水泵启动后会判断正压，压力不达标则进入意外故障判断,在达到标准时进入正常运行状态，当达到设定条件时，系统进入水泵关停动作。

3中央泵房远程控制的网络可靠性改造

随着矿山信息化建设的发展，当前煤矿网络中数据业务种类不断增多。当前霍尔辛赫矿井下网络由千兆骨干环网、井下Wi-Fi网络、扩播网络构成，其中骨干环网采用双环结构，分布于井下主要巷道；Wi-Fi采用瘦AP（AccessPoint，接入点）集中管理，依托于骨干环网，完成多种无线终端的数据接入；另外多种总线网络也通过骨干环网最终传上地面。网络承载的业务包括监测监控数据、电话和监控视频业务、SIP（SessionInitiationProtocol，会话初始协议）业务等，仅同时在线的IP（网络之间互连的协议）终端就可达上千个。随着网络中接入业务的增多，网络的服务质量问题逐渐突显，设备远程控制操作的可靠性尤其重要。因此，系统在设计引入了服务质量（QualityofService,QoS）技术来保障网络中关键业务的传输。煤矿井下网络中系统多、设备多，但归纳起来可分为主要4种：控制命令、监测业务、语音业务、视频业务[2-3]。传统QoS研究或应用多用于互联网中视频业务的实时性需求，但煤矿网络有自身的特点[4]：a)控制命令时延和重传率要求最高，必须达到尽可能低，因为控制的准确性关系到井下矿工的生命和正常生产；b)监测业务为管理调度人员提供人员、机器、环境的状态信息，应保证优质传输；c)随着监控手段增加，实时视频流在不断增加。为此，在进行水泵自动化改造的同时，对井下环网进行了改造：a)在原有环网基础上进行了细分，通过VPN（VirtualPrivateNetwork，虚拟专用网络）将视频、Wi-Fi网络、监控业务区分开来；b)通过优先级设置，确保控制业务得到最高的传输优先级；c)在一些视频业务尤其是移动视频业务，在客户端软件上增加了视频压缩模块，尽可能降低网络负载；d)通过多种手段结合，既保障了控制命令的快速可靠传输，又使大带宽业务得到了较好保证，提高了网络的综合可靠性和高利用率。

4结语

霍尔辛赫矿中央泵房全自动化改造是全矿向新型智能化煤矿前进的一个缩影，系统没有局限于单个子系统的设计实现，而是以矿山物联网多业务、大数据为背景，充分考虑了控制可靠性和系统使用的延续性，有利于系统的长期可靠运行和未来的多系统融合。另外从经济效益上看，中央泵房实现了无人化职守，仅人工费粗略估算用每年就能减少28.8×104元，是煤矿在困难时期下企业降本、提质、增效的一个途径。

参考文献：

［1］李春华，夏国良，魏超全，等.矿井排水智能监控系统结构设计［J］.工业仪表与自动化装置，2014(1)：57-59.

［2］林闯，单志广，任丰原.计算机网络的服务质量［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［3］钱建生，，顾军，等.基于防爆工业以太网的煤矿综合自动化系统［J］.中国煤炭，2006，32(3)：29-31.

［4］刘振，尹洪胜，张凯，等.煤矿综合网络服务质量模型［J］.中国矿业大学学报，2009，35(9)：249-251.

作者：李永辉 单位：山煤集团霍尔辛赫煤矿有限责任公司