基于本安工业控制机的自动排水控制系统设计

高测科 余 洪

(四川广旺集团船景煤业有限责任公司，四川 宜宾 645253)

基于本安工业控制机的自动排水控制系统设计

高测科 余 洪

(四川广旺集团船景煤业有限责任公司，四川 宜宾 645253)

介绍了一种以本安工业控制机为核心基础，采用CAN总线下设传感器和驱动器的方式，结合VC++和上位机组态软件组成的自动排水控制系统，实现了煤矿排水系统的自动控制和无人值守。现场实践表明，该控制系统稳定可靠，能满足煤矿井下安全生产需求。

本安；工业控制机；自动排水控制系统；设计

0 引言

根据矿井涌水量和煤矿专业相关规定，煤矿井下一般建设有2个相互连通的水仓，一用一备，作为矿井打水的主要方式。泵房内通常安装有3台及以上离心水泵和大功率电机，分别用作工作泵、备用泵和检修泵，同时架设有2个以上总出水管路作交替使用。同时，水泵启动前对水泵上引水通常采用射流泵或真空泵抽真空吸引等方式来完成[1]。

为了让矿井主排水系统能安全可靠地运行，该系统实现自动化控制是非常有必要的。根据以上情况，特采用本安工业控制机、相关控制器和各类传感器配套组成一套水泵自动控制系统，该系统通过控制主排水系统的主要设备和沿线的智能节点，实现主排水水泵的半自动控制、自动控制、远程控制以及无人值守，有效提高了煤矿生产效率。

1 控制机原理

本安工业控制机的主要组成部分有内部主板、LCD液晶屏、按钮、送话器、各类外部接口等，控制机具备2路485接口，一路CAN接口以及2个以太网接口，控制机系统硬件平台应用基于ARM内核的英特尔公司设计生产的处理器，操作系统选用广受业内好评的Windows CE软件操作平台。

ARM内核处理器具有体积小、功耗低、性能好等多种特点，在工业控制、电子通信、军工等领域得到了较为广泛的应用。ARM内核处理器CPU选用英特尔XScale PXA270微处理器。PXA270芯片是一款集成了32位XScale处理器核、多通信信道、LCD控制器、增强版存储控制器、PCMCIA/CF控制器和通用总线型I/O口的应用处理器[2]。

本安工业控制机电气原理图如图1所示。

图1 本安工业控制机电气框图

2 系统总体结构

以本安工业控制机为平台的水泵控制系统由以下主要设备组成：本安型工业控制计算机1台、多功能驱动控制器多台、通用智能I/O接口、电压/电流/流量等各种传感器多台、地面监控上位机等，结构如图2所示。

图2 自动排水控制系统结构图

该系统配置1台本安工业控制机，主要用作采集和处理水泵房各传感器信息和数据，每台泵旁边配置1台多功能驱动控制器，整个泵房配置若干台通用智能I/O接口及各种传感器，通过以上设备就组成了排水监控系统。每台泵旁边分别配置1台多功能驱动控制器，主要用于对每台泵的电动闸阀、水泵电机、射流泵电动球阀进行控制，同时采集被控设备的运行情况，即采集各种模拟信号(正压、负压、水位、流量等)，如需采集电流型模拟量信号需要配置电流转频率模块。每台泵分别配置1台负压传感器用于监测水泵泵体的真空度、1台正压传感器用于监测出水管的出水压力，并配置1台管道液位传感器用于监测泵体满水情况和出水流量情况。泵房主副水仓分别配置若干台水位传感器(每个水仓配置1个，原则上不少于2台)，用于实时监测水仓水位变化情况，作为自动启停水泵的主要依据和关键参数。泵房配置若干台流量传感器，实时监测每台泵的出水流量。整个泵房配置若干台通用I/O接口，接入每台泵的模拟量参数(电机温度等)。

3 系统控制方式

基于本安工业控制机的排水自动控制系统有4种控制方式：(1) 就地手动：泵组电动球阀、电动闸阀、水泵电机等设备的启动，由多功能驱动器面板上的控制按钮发出启停命令，在本安工业控制机面板上可以查看当前运行水泵的运行状态。(2) 就地自动：泵组电动球阀、电动闸阀、水泵电机等设备的启动，由本安工业控制机面板上的一键启动按钮发出启停指令，各个环节设备按照既定流程顺序启动，同时在工业控制机面板上可以观察到当前设备的启动状态和运行状态。当任意启泵条件不具备时，本安工业控制机将发出声光及文字报警，并采取相应的预警措施。(3) 远程半自动：由地面值班人员根据现场情况，通过地面控制机远程启动水泵。(4) 全自动无人值守：系统根据水仓的高低水位实现泵组的启停。高水位启运行泵组、超高水位启备用泵组、低水位自动停泵，若任意启泵条件不具备，地面上位机发出声光报警，由值班人员处理完故障后恢复全自动无人值守作业。

4 系统软件设计

4.1 本安工业控制机程序设计

本安工业控制机程序系统选用微软Embedded VC++作为开发应用软件。软件中的通讯和控制模块均采用基于COM口的组件服务技术，有效地保证了数据传输的高速和可靠性，确保了控制系统的实时性。该COM技术可使用任意开发语言，可在不影响水泵正常工作的前提下进行升级，在网络上重新分配位置从而更加透明[3]。从用户界面上看，通过在软件的图形模块上应用图形交叉隐现技术降低了资源消耗，并很好地保持了图形的效果，确保了图形自身的美感和不占用系统更多的资源。

4.2 系统上位机软件

上位机软件采用了组态软件，上位机通过Modbus协议与本安工业控制机进行通讯，主要具备以下几项功能[3]：(1) 实时显示和监测各水仓水位情况；(2) 实时监测水泵运行过程中的情况；(3) 监测各个设备状态信息，如有异常发出声光和文字报警；(4) 对井下水泵房控制设备进行远程控制，控制水泵和闸阀的启停；(5) 可查询水泵运行和各类传感器检测的历史记录、各类参数和故障历史报警等；(6) 打印运行报表。

5 结语

对比目前使用较多的以PLC为核心组件的自动排水控制系统和基于本安工业控制机的自动排水控制系统，后者的各传感器、执行器、控制器等全部挂接在总线上，既满足了控制的灵活性和方便性要求，又极大地减少了各类线缆的敷设，将来对系统进行升级和扩展也极为便利。系统自带多路多种通讯接口，支持多种通讯协议并行通讯，联网方便快捷，可通过工业以太环网、光缆以及电缆与地面上位机实现通讯，通过地面上位机可与信息自动化平台共享全矿井数据。

该系统目前已在四川广旺船景煤业公司等多个煤矿投入使用，取得了良好的效果，对煤矿实现安全生产、节能减排和减员增效具有重要意义。

[1]陈子春，刘向昕.井下中央泵房水泵自动化控制系统的研究与应用[J].工矿自动化，2007(2)

[2]祝国源.基于ARM的矿用本安型工业控制机的设计[J].工矿自动化，2010(8)

[3]Randy Abernethy.COM/DCOM技术内幕[M].清华大学出版社，1999

2014-06-03

高测科(1987—)，男，四川内江人，机电助理工程师，主要从事煤矿自动化系统应用和研究工作。