水泵机组的自动化监测改造设计

张云波

（阳泉煤业集团兴峪煤业有限公司， 山西 阳泉 045100）

1 改造的必要性

水泵机组为煤矿的大型关键设备，其合理管理有很大难度。主要有以下几个问题[1]：每个水平排水泵房都需要设专人值班，水泵操作几乎都是泵房司机操作，劳动强度大，企业达不到减员增效的目的，经济效益很差；设备运行发生故障时，凭借经验区分系统的故障状态，可靠性差；矿井地面指挥中心不能实时了解水泵机组的运行状态，而且在故障时不能有效地进行故障控制，为此需要进行自动化改造。

2 水泵自动化监测系统的功能

自动化监测监控系统主要功能有：第一，在紧急情况下对设备维护时，工程师可以通过按钮及指示灯完成对球阀、闸阀及供电系统进行控制；第二，可以通过用户端实现对水泵运行状态参数进行控制；第三，可以实现对水泵机组的远程控制，以及对水泵机组的运行状态进行监视井，对水泵的运行参数具有实时的存储功能；第四，在运行过程中，能实现自动化运行，能根据水仓水位、用电状况等信息合理的调整水泵机组的运行状态。

为了保证监测系统运行的可靠性，设计时应使系统具有一定的手动控制能力。当自动控制系统崩溃时，也可以通过人工控制水泵的运行状态。系统在运行时可以实时显示水泵控制系统的状态信息，例如水仓水位，电机电流、电压、功率因数等，水泵负压、压力、流量等，以及水泵机组转轴温度等信息。此外，系统还应具有一定的故障诊断和处理能力，在系统出现故障时，用户端应能发出报警并显示故障的类型，并能根据故障的类型作出相应的处理，例如停机、降低转速等。该系统应具有语音和视频通信能力，在发生紧急故障时，可以直接与指挥中心进行交流，以降低故障带来的损失。该系统可以具有不同的权限功能，在运行时可以显示设备的运行状态、运行时间及下次检修日期提示等功能。

3 水泵自动化监测系统硬件设计

该系统主要有四层结构，可以分为现场层、监控层、诊断层以及故障的远程处理层。系统的总体结构如图1所示，主要通过各个层之间的相互作用来实现水泵的自动化运行。

图1 子系统总体结构

井下泵房现场层直接面向水泵机组的控制与信号采集。采用ET200 Profubus-DP从站，并配置数字量输入输出模块以及模拟量输入模块，利用具有通信功能的测控仪表可以减少主站的资源。由于不对水泵机组的温度进行控制，无需对带有DP总线接口的德阳捷通DDMF5-8ADP模块编写相应的通讯程序。为了防DP网络因为电流过载而出现故障，应该在DP网络的最后一个模块上加上保护电阻。工业平板电脑通过数据采集卡采集水泵机组的振动信号，并进行预处理，通过工业以太环网将数据传输到地面故障诊断中心。

监控层主要是对变电所的水泵集控柜和供电集控柜的运行状态进行监视，其主要由DP总线主站PLC和信息采集系统组成。PLC作为主控制器完成逻辑处理、控制及简单数据处理等功能，并通过Profibus-DP现场总线和泵房现场层设备进行通讯，触摸屏有良好的人机界面实现水泵机组的集中管理控制[2-3]。系统下位机硬件配置由主PLC、触摸屏、模拟量和开关量采集、执行部分等组成。PLC模块PLC为系统核心部分，这里选用高可靠性的S7-300系列PLC。

4 水泵自动化监测软件设计

系统软件主要程序结构图如图2所示，主要有就地箱和集控柜的PLC软件程序、平板电脑软件程序和上位机软件程序。

图2 系统软件框架图

水泵机组自动监测控制系统在地面采用的是ET200的DP从站，从站和PLC程序都是受主站控制的。由于PLC使用的西门子的300系列，所以利用STEP7来编写PLC程序。为了控制系统的稳定性，在编程时应保证模块的独立化[3]。其运行的整个流程是，PLC初始化变量通过调用OB100，在进入主循环后进行条件判定，根据输入的参数来确定PLC系统的运行模块；完成一个循环后，PLC进行扫描，更新相应的参数，进入一个循环[4]。此外，由于每个模块都有相应的程序，下面主要对每个模块的主要功能进行说明和介绍。

上位机通信程序模块，其主要的功能是完成上位机和主控PLC的数据交换，并将接受到的数据和控制命令传递给平板电脑端。就地控制程序模块，其主要功能是通过按钮来完成对水泵起停的控制。半自动控制程序模块，其主要的功能是完成水泵的半自动化控制，通过上位机和触摸屏发出的指令，利用按键来实现水泵的起停。模拟量采集程序模块，其主要的功能是对采集来的压力、负压、液位、温度进行处理并将其转化成相应的数字信号。突发事故处理程序模块，其主要功能是根据相应的参数实现对水泵机组运行时的故障进行处理，并发出相应的控制指令，控制相应的装置动作。综保通信程序模块的主要功能是将获得的参数，例如电压、电流、功率等，传递给相应的控制模块。触摸屏通信程序模块的主要功能是实现与PLC进行数据交换，主要是通过自带的MPI通信与PLC完成数据的交换。

当水泵机组的运行状态出现异常时，监视器会根据测量到的信号发出相应的动作指令给相应的机构。发生故障时，故障报警程序模块可以自动发出水泵的停止指令并发出相应的警报信号。此外，还会调用半自动化程序，将故障的原因和信息显示在上位机上。

[1] 史丽萍，张广龙.矿井中央水泵房综合自动化系统的设计模式[J].煤炭机电，2005（4）：8-10.

[2] 邱公伟.可编程控制器网络通信及应用[M].北京：清华大学出版社，2000.

[3] 郑晟，巩建平，张学.现代可编程序控制器原理与应用[M].北京：科学出版社，1999.

[4] 谭伟城.离心式水泵振动监测与故障诊断[J].机械工程与自动化，2011（3）：127-128.