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磁性浮子液位计组成的自动控制系统设计及应用分析

0 引言

矿井水泵房承担着矿井的排水任务,对煤矿企业的安全生产起着十分重要的作用。传统的井下排水系统以人工操作方式为主,工人凭借经验控制泵站的启停,劳动强度大,排水效率低,可靠性差,很难做到实时监控,而且工人在工作过程中还有可能出现误操作,甚至引发较大的安全事故。随着科学技术的快速发展和微控制器的广泛应用,井下泵房自动控制系统的建设成为保证煤矿企业安生生产的重要组成部分。

本文针对传统人工排水系统存在的缺点和安全隐患,利用磁性浮子液位计控制技术设计了矿井水泵房自动控制系统,以保证排水系统运行的可靠性,提升煤矿排水系统的工作效率,提高煤矿生产线的自动化程度和智能化程度,建造安全、高效、现代化的矿井排水生产体系。此基于磁性浮子液位计的矿井水泵房自动控制系统,该系统主要由地面监控中心、井下磁性浮子液位计控制中心站和工业以太网通信网络三部分组成,实现了三台水泵无人值守的智能化控制,保证了排水系统的可靠运行,提高了煤矿排水系统的工作效率。

1 矿井水泵房自动控制系统整体设计方案

矿井水泵房自动控制系统主要由地面监控中心、井下磁性浮子液位计控制中心站[3]和以太网数据通信网络三部分组成。井下水泵房自动控制系统的硬件组成包括主排水控制系统主机、本安操作台、本安型IO分站、防爆电液闸阀、液位计、压力传感器、负压传感器、流量传感器和气、水两用喷射泵等设备,整个系统架构见图1。本系统主要采用磁性浮子液位计控制技术和工业以太网通信技术,并具有RS485通信接口,对井下水泵房3台水泵(二用一备)进行无人值守自动控制;利用触摸屏对运行状态实时显示及远程控制,可以实现相关数据的实时监测及报警功能;利用工业以太网将数据传送到地面生产调度中心,实现数据的实时在线监控和调度。
本系统由现场传感器检测水仓水位和其他相关参数,控制水泵轮流工作以及在必要时刻启动备用泵,根据现场生产需要合理调度3台水泵的运行。水泵的运行状态通过通信网络传回地面上位机监控系统,该监实现了三台水泵无人值守的智能化控制,保证了排水系统的可靠运行,提高了煤矿排水系统的工作效率。
矿井水泵房自动控制系统架构
2 系统主要功能
2.1 磁性浮子液位计控制中心站功能
井下主排水控制中心站是一个综合性的监控系统,实现了信息共享和排水设备的自动化控制。该控制中心分为三级网络结构,采用先进的德国SIMATIC S7-1200控制处理器为核心,结合多种传感器及控制器件来完成排水系统的控制功能。
控制App采用先进的、广泛应用于工业控制系统的STEP7编程App,采用总线式结构,将主控制器、分站、显示装置及传感器等统一在一起,具有技术先进、结构合理、运行可靠、维修简单等优点。
2.2 数据检测与自动采集
数据检测与自动采集功能是矿井水泵房实现远程自动控制的基础,其采集的数据主要分为两类:模拟量数据和数字量数据。通过磁性浮子液位计主处理模块进行读取,提高了数据处理的准确性,缩短了系统响应时间。数据采集系统与井上监控站利用工业以太网通信,采用德国西门子磁性浮子液位计及先进的过程控制App,可以保证将各类数据准确及时地读取和处理。采集的模拟量数据包括:电机绕组温度(3个测量点)、水泵前后轴温、水泵真空压力和水泵出口压力、水泵出口阀门开度、水仓液位等。采集的数字量数据包括:水泵的启停状态、电磁阀工作状态、闸阀的工作状态与启闭位置、各类设备故障状态。
磁性浮子液位计控制柜的模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓液位,并将液位变化信号进行转换处理,实现在线实时监测,进而判断矿井的涌水量,根据不同的水位状态来控制排水泵的启停状态。通过检测模拟量信号如水泵轴温、电机温度、管网压力、出水口流量等参数来监测水泵、电机的运行状况,还可以设置超限报警,以避免水泵频繁启停,造成电机损坏。
2.3 水泵自动控制
在水泵启动之前要查看水仓液位、供电状态、管网压力以及水泵循环使用记录等,当全部数据在合理范围之内时才会对水泵进行运行控制,这样会避免误操作现象。主要依据水仓液位来制定3台水泵的启停控制方案,并根据矿井生成工艺要求设定的低限、超低限、高限和超高限值来决定是否启动水泵排水以及投入哪台水泵运行。水泵主要控制策略如下:
在程序中监视水仓液位H的变化,设置4个水位值分别为H1、H2、H3、H4,且(H4<H3<H2<H1)。水仓液位在低限水位H4以下,并且处于电网低负荷时间段,则停止运行中的水泵。当水仓液位H>H3时,启动其中一台水泵投入工作;当水仓液位H>H2时,启动第2台水泵进行排水;当水泵达到高限H1时,则继续启动第3台水泵,即排水负荷增大时,所有水泵都要投入运行。
在一段时间内,还可以根据水仓液位的变化率以及正在工作的水泵台数来判断矿井中的涌水是正常涌水、*大涌水还是突水,进而可以判断出水泵的工作台数。运行过程中,不论投入几台泵,必须在水仓水位下降到低限水位H4时方可停泵。
2.4 水泵阀门控制
矿井水泵房自动控制系统实现无人值守的目标,水泵阀门的控制和选型是关键。系统中旁路水管的阀门主要采用电动球阀或电磁阀,对于管网闸阀需要采用防爆型闸阀。所有阀门均由磁性浮子液位计控制站及上位机监控系统进行开关控制。泵阀的控制有自动、手动和检修控制三种状态。运行在全自动模式下,主要依靠磁性浮子液位计对阀门进行集中控制和监视;在手动操作方式下,可就地对阀门进行操作。
在水泵启动前,应先通过旁路水管电动球阀打开旁路水管,待射流泵工作后,检测吸水管负压值,当达到要求时启泵。
在水泵启动时,为了减小启动时的冲击电流,闸阀应处于关闭状态,电机空载启动,当电机启动结束后,自动打开闸阀正常排水。在停泵时,系统先自动关闭闸阀后停泵。
2.5 数据实时显示
本自动控制系统可以实时显示3台水泵和电机运行状态,以及电动阀和电动闸阀的开关状态,而且这些设备的状态可以动态图形显示,非常直观明了。如果设备发生了事故,可以做报警处理,改变图形颜色和闪烁功能突出事故报警。水仓液位是重点监控对象,用图形填充以及趋势图和数字形式准确实时地显示水仓液位,在不同的水位段发出预告信号和水位分段报警,并且配以不同频率的声音,以引起工作人员的注意。对于超限报警,系统会自动记录发生的故障类型、级别、时间等历史数据,并建立报警记录报表和报警显示页面,提醒工作人员马上抢修,避免设备损坏,造成不必要的损失。电机温度、水泵温度、各管路压力都可以采用图形、趋势图和数字形式直观地进行动态显示。
2.6 数据通信接口
数据通信接口是保证数据顺利传输的枢纽,实时传送数据流,是整个系统实现自动化和智能化的操作基础。系统的数据通信网络是由数据采集模块传输数据到磁性浮子液位计控制站,再通过接口传送到地面上位机监控系统,形成完整的数据通信环路。
设备现场数据采集由传感器来完成,部分传感器的数据经由RS485通信接口接入本安型IO分站,RS485通信接口*大的通信距离约为1km左右,*大传输速率为10Mb/s,它*大的优点是抗共模干扰能力强。电动闸阀和电动配水阀的数据直接通过磁性浮子液位计控制柜的数字量采集卡完成数据传送,而液位传感器和压力传感器的数据则是通过磁性浮子液位计控制柜的模拟量采集卡直接传送给磁性浮子液位计控制器。

磁性浮子液位计控制中心站和上位机监控中心的通信是由工业以太网实现。工业以太网是自动化工业领域应用*广泛的通信接口之一,数据传输速率可达百兆,极大地提高了数据传送的实时性,是保证整个控制系统实现智能化和自动化控制的数据通信基础。

 

3 系统上位机监控画面
地面监控中心的监控系统采用WinCC组态App制作,组态完成后该系统具有设备运行数据实时显示监测功能。监测排水系统所有设备情况,显示流程图,显示实时设备运行参数、状态及故障信息,可方便地监视和管理各个设备的运行状态,通过标准统计曲线和报表来统计各种运行数据,通过数据分析设备是否处于稳定和安全状态。地面监控中心监控系统监控界面如图2所示。本监控系统具备模拟动画显示功能,监控界面能直观反映系统的模拟生产流程,并能以实时数据反映现场设备的运行工况。监控系统还能显示设备现场布置图,点击当前设备能及时了解该设备的系统配置、运行状态。监控界面还显示传感器、电控箱、主站、分站等设备的名称、位置和运行状态。
地面监控中心监控系统监控界面

配水闸阀操作界面如图3所示。对于工作人员操作设备的监控界面,首先需要判断当前工作人员的操作权限,不同权限的操作人员可操作的设备界面和命令是不同的。操作人员在输入系统的控制数据时,先要验证操作指令,才可继续进行,这样可以保证系统的安全性。

 

4 结语
综上所述,本系统采用磁性浮子液位计控制技术和工业以太网通信技术,对井下水泵房3台水泵进行无人值守自动控制,实现了矿井下水泵房系统的自控控制,能够提高煤矿排水系统的自动化和智能化程度,极大地提高了安全生产效率,减少了安全事故的发生,保证了煤矿企业财产安全和煤矿工人的生命安全。
配水闸阀操作界面

 

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