智能化磁性浮子液位計自動控制系統的設計原理及應用解析

０　引言

礦井水泵房承擔著礦井的排水任務，對煤礦企業的安全生產起著十分重要的作用。傳統的井下排水系統以人工操作方式為主，工人憑借經驗控制泵站的啟停，勞動強度大，排水效率低，可靠性差，很難做到實時監控，而且工人在工作過程中還有可能出現誤操作，甚至引發較大的安全事故［１］。隨著科學技術的快速發展和微控制器的廣泛應用，井下泵房自動控制系統的建設成為保證煤礦企業安生生產的重要組成部分。

本文針對傳統人工排水系統存在的缺點和安全隱患，利用磁性浮子液位計控制技術［２］設計了礦井水泵房自動控制系統，以保證排水系統運行的可靠性，提升煤礦排水系統的工作效率，提高煤礦生產線的自動化程度和智能化程度，建造安全、高效、現代化的礦井排水生產體系。

１　礦井水泵房自動控制系統整體設計方案

礦井水泵房自動控制系統主要由地面監控中心、井下磁性浮子液位計控制中心站［３］和以太網數據通信網絡三部分組成。井下水泵房自動控制系統的硬件組成包括主排水控制系統主機、本安操作臺、本安型ＩＯ分站、防爆電液閘閥、液位計、壓力傳感器、負壓傳感器、流量傳感器和氣、水兩用噴射泵等設備，整個系統架構見圖１。本系統主要采用磁性浮子液位計控制技術和工業以太網通信技術，并具有ＲＳ４８５通信接口，對井下水泵房３臺水泵（二用一備）進行無人值守自動控制；利用觸摸屏對運行狀態實時顯示及遠程控制，可以實現相關數據的實時監測及報警功能；利用工業以太網將數據傳送到地面生產調度中心，實現數據的實時在線監控和調度。

本系統由現場傳感器檢測水倉水位和其他相關參數，控制水泵輪流工作以及在必要時刻啟動備用泵，根據現場生產需要合理調度３臺水泵的運行。水泵的運行狀態通過通信網絡傳回地面上位機監控系統，該監實現了三臺水泵無人值守的智能化控制,保證了排水系統的可靠運行,提高了煤礦排水系統的工作效率。

２　系統主要功能

２．１　磁性浮子液位計控制中心站功能

井下主排水控制中心站是一個綜合性的監控系統，實現了信息共享和排水設備的自動化控制。該控制中心分為三級網絡結構，采用xianjin的德國ＳＩＭＡＴＩＣ　Ｓ７-１２００控制處理器為核心，結合多種傳感器及控制器件來完成排水系統的控制功能。

控制軟件采用xianjin的、廣泛應用于工業控制系統的ＳＴＥＰ７編程軟件，采用總線式結構，將主控制器、分站、顯示裝置及傳感器等統一在一起，具有技術xianjin、結構合理、運行可靠、維修簡單等優點。

２．２　數據檢測與自動采集

數據檢測與自動采集功能是礦井水泵房實現遠程自動控制的基礎，其采集的數據主要分為兩類：模擬量數據和數字量數據。通過磁性浮子液位計主處理模塊進行讀取，提高了數據處理的準確性，縮短了系統響應時間。數據采集系統與井上監控站利用工業以太網通信，采用德國西門子磁性浮子液位計及xianjin的過程控制軟件，可以保證將各類數據準確及時地讀取和處理。采集的模擬量數據包括：電機繞組溫度（３個測量點）、水泵前后軸溫、水泵真空壓力和水泵出口壓力、水泵出口閥門開度、水倉液位等。采集的數字量數據包括：水泵的啟停狀態、電磁閥工作狀態、閘閥的工作狀態與啟閉位置、各類設備故障狀態。

磁性浮子液位計控制柜的模擬量輸入模塊通過傳感器連續檢測水倉液位，并將液位變化信號進行轉換處理，實現在線實時監測，進而判斷礦井的涌水量，根據不同的水位狀態來控制排水泵的啟停狀態。通過檢測模擬量信號如水泵軸溫、電機溫度、管網壓力、出水口流量等參數來監測水泵、電機的運行狀況，還可以設置超限報警，以避免水泵頻繁啟停，造成電機損壞。

２．３　水泵自動控制

在水泵啟動之前要查看水倉液位、供電狀態、管網壓力以及水泵循環使用記錄等，當全部數據在合理范圍之內時才會對水泵進行運行控制，這樣會避免誤操作現象。主要依據水倉液位來制定３臺水泵的啟停控制方案，并根據礦井生成工藝要求設定的低限、超低限、高限和超高限值來決定是否啟動水泵排水以及投入哪臺水泵運行。水泵主要控制策略如下：

在程序中監視水倉液位Ｈ的變化，設置４個水位值分別為Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４，且（Ｈ４＜Ｈ３＜Ｈ２＜Ｈ１）。水倉液位在低限水位Ｈ４以下，并且處于電網低負荷時間段，則停止運行中的水泵。當水倉液位Ｈ＞Ｈ３時，啟動其中一臺水泵投入工作；當水倉液位Ｈ＞Ｈ２時，啟動第２臺水泵進行排水；當水泵達到高限Ｈ１時，則繼續啟動第３臺水泵，即排水負荷增大時，所有水泵都要投入運行。

在一段時間內，還可以根據水倉液位的變化率以及正在工作的水泵臺數來判斷礦井中的涌水是正常涌水、zui大涌水還是突水，進而可以判斷出水泵的工作臺數。運行過程中，不論投入幾臺泵，必須在水倉水位下降到低限水位Ｈ４時方可停泵。

２．４　水泵閥門控制

礦井水泵房自動控制系統實現無人值守的目標，水泵閥門的控制和選型是關鍵。系統中旁路水管的閥門主要采用電動球閥或電磁閥，對于管網閘閥需要采用防爆型閘閥。所有閥門均由磁性浮子液位計控制站及上位機監控系統進行開關控制。泵閥的控制有自動、手動和檢修控制三種狀態。運行在全自動模式下，主要依靠磁性浮子液位計對閥門進行集中控制和監視；在手動操作方式下，可就地對閥門進行操作。

在水泵啟動前，應先通過旁路水管電動球閥打開旁路水管，待射流泵工作后，檢測吸水管負壓值，當達到要求時啟泵。

在水泵啟動時，為了減小啟動時的沖擊電流，閘閥應處于關閉狀態，電機空載啟動，當電機啟動結束后，自動打開閘閥正常排水。在停泵時，系統先自動關閉閘閥后停泵。

２．５　數據實時顯示

本自動控制系統可以實時顯示３臺水泵和電機運行狀態，以及電動閥和電動閘閥的開關狀態，而且這些設備的狀態可以動態圖形顯示，非常直觀明了。如果設備發生了事故，可以做報警處理，改變圖形顏色和閃爍功能突出事故報警。水倉液位是重點監控對象，用圖形填充以及趨勢圖和數字形式準確實時地顯示水倉液位，在不同的水位段發出預告信號和水位分段報警，并且配以不同頻率的聲音，以引起工作人員的注意。對于超限報警，系統會自動記錄發生的故障類型、級別、時間等歷史數據，并建立報警記錄報表和報警顯示頁面，提醒工作人員立即搶修，避免設備損壞，造成不必要的損失。電機溫度、水泵溫度、各管路壓力都可以采用圖形、趨勢圖和數字形式直觀地進行動態顯示。

２．６　數據通信接口

數據通信接口是保證數據順利傳輸的樞紐，實時傳送數據流，是整個系統實現自動化和智能化的操作基礎。系統的數據通信網絡是由數據采集模塊傳輸數據到磁性浮子液位計控制站，再通過接口傳送到地面上位機監控系統，形成完整的數據通信環路。

設備現場數據采集由傳感器來完成，部分傳感器的數據經由ＲＳ４８５通信接口接入本安型ＩＯ分站，ＲＳ４８５通信接口zui大的通信距離約為１ｋｍ左右，zui大傳輸速率為１０Ｍｂ／ｓ，它zui大的優點是抗共模干擾能力強。電動閘閥和電動配水閥的數據直接通過磁性浮子液位計控制柜的數字量采集卡完成數據傳送，而液位傳感器和壓力傳感器的數據則是通過磁性浮子液位計控制柜的模擬量采集卡直接傳送給磁性浮子液位計控制器。

磁性浮子液位計控制中心站和上位機監控中心的通信是由工業以太網實現。工業以太網是自動化工業領域應用zui廣泛的通信接口之一，數據傳輸速率可達百兆，極大地提高了數據傳送的實時性，是保證整個控制系統實現智能化和自動化控制的數據通信基礎。

３　系統上位機監控畫面

地面監控中心的監控系統采用ＷｉｎＣＣ組態軟件制作，組態完成后該系統具有設備運行數據實時顯示監測功能。監測排水系統所有設備情況，顯示流程圖，顯示實時設備運行參數、狀態及故障信息，可方便地監視和管理各個設備的運行狀態，通過標準統計曲線和報表來統計各種運行數據，通過數據分析設備是否處于穩定和安全狀態。地面監控中心監控系統監控界面如圖２所示。本監控系統具備模擬動畫顯示功能，監控界面能直觀反映系統的模擬生產流程，并能以實時數據反映現場設備的運行工況。監控系統還能顯示設備現場布置圖，點擊當前設備能及時了解該設備的系統配置、運行狀態。監控界面還顯示傳感器、電控箱、主站、分站等設備的名稱、位置和運行狀態。

配水閘閥操作界面如圖３所示。對于工作人員操作設備的監控界面，首先需要判斷當前工作人員的操作權限，不同權限的操作人員可操作的設備界面和命令是不同的。操作人員在輸入系統的控制數據時，先要驗證操作指令，才可繼續進行，這樣可以保證系統的安全性。

４　結語

綜上所述，本系統采用磁性浮子液位計控制技術和工業以太網通信技術，對井下水泵房３臺水泵進行無人值守自動控制，實現了礦井下水泵房系統的自控控制，能夠提高煤礦排水系統的自動化和智能化程度，極大地提高了安全生產效率，減少了安全事故的發生，保證了煤礦企業財產安全和煤礦工人的生命安全。