水泵远程控制系统构建的初步研究
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作者: 郑建华
摘要：本文阐述了建立水泵远程控制系统的技术任务、系统可执行内容及其主要功能。
关键词：水泵 PLC 远程控制系统 构建 研究
水泵工作状态的远程控制以及监测是水泵的重要组成部分之一。水泵工作过程的实时监控直接关系着水泵的安全运行、矿井安全和生产成本等重要的经济效益和社会效益。面对大量的现场检测和控制数据信息,要求操作人员实时对生产过程进行监控、迅速而准确地对设备运行的技术指标以及故障作出判断也变得越来越困难。因此,研究开发水泵远程控制系统作为操作人员的可靠助手是非常必要的。本人结合研究课题,就水泵远程控制系统的构建作一个初步的探索。
一、水泵远程控制系统概述
系统控制部分和控制核心选用高性能可编程序控器。检测部分分模拟量检测,主要由水仓水位传感变送器、流量传感变送器、压力变送器、负压变送器、温度传感变送器等组成，用于中央泵房主排水系统运行参数的检测；另外是开关量检测，将高压启动柜中的真空断路器状态、电动阀的工作状态与启闭位置等开关量信号接入PLC，检测系统运行状态。
PLC系统设计概述：矿井水泵自动控制系统由上位计算机、PLC系统以及连接上位机与下位机的通讯电缆组成。下位机系统由PLC、触摸屏、检测部分、执行部分等组成；主要完成设备的状态检测和数据采集、控制水泵启停，同时，下位机还要把采集到的数据上传给上位机。PLC控制柜上装有报警蜂鸣器。上位机采用国际领先的工控组态软件编制，可实时监视水泵系统的运行参数，并可远程控制水泵系统,主要实现以下功能：接收与储存PLC传来的数据、处理实时数据和历史数据、发出控制命令、显示动画、报警、设置操作权限、绘制趋势曲线、输出报表等。另外，把上位机接入矿用局域网，实现远程监控。
二、水泵的运行控制设计
根据水仓水位自动开启、停止水泵的运转，对运行中的各种状态参数进行实时监控，同时通过接口将数据上传至地面集控室。
PLC系统流程：单台水泵自动启停的实现。井下中央水泵自动化控制的实现是建立在单台水泵自动启停的基础之上。根据所监测的水位信号，可设定出低水位、运行水位和3个上限水位信号及危险水位。低水位时停泵；高水位时水泵运行；根据上限水位逐台投入备用水泵同时运行；危险水位时起动水泵全部运行。同时根据水位变化计算涌水量，当涌水量增大或突变时启动水泵运行，以减少突水事故的发生。
单台水泵自动启动过程：启动抽真空系统―检测真空度―启泵―检测水泵出水口压力―打开水泵出水口电动闸阀―停止抽真空系统。水泵系统采用真空泵或射流法抽真空：系统根据水位状态或者操作员命令启动相应设备进行抽真空工作。当真空压力达到要求后将自动启动水泵电机，然后打开水泵出水管路电动闸阀进行排水。若电动闸阀打开后一定时间内水泵压力未达到设定值（一般是因为水泵或上水管路漏气导致）系统将会自动停止水泵运行并关闭电动闸阀，同时报警。
单台水泵自动停止过程：水仓水位下限―关闭水泵出水口电动闸阀―停泵。水泵系统停止运行：当水仓水位达到低位时将先自动关闭排水管路电动闸阀，电动闸阀关闭到位后（若一定时间内未关到位则按故障方式停止）停止水泵电机。
三、PLC系统功能、特点
1、根据水仓水位自动控制排水泵启停；2、控制各泵轮流工作，使每台磨损程度均等；3、根据水仓水位、供电峰谷段时间划分等情况，合理调度水泵运行，以节省运行费用；4、检测水泵及其电机的工作参数，如：水泵流量、出入压力、电机定子温度及轴承温度、电机电流和功率等；5、根据水泵及电机的运行参数，测算水泵的运行效率，为水泵的维护保养提供科学依据；6、具有故障报警、自动保护等功能；7、具备就地手动控制、远方手动控制、自动控制等运行方式，控制方便、灵活。
PLC系统设计功能。检测水泵及其电机的工作参数，如：水泵流量、压力、轴温、压与流。根据水仓水位、供电峰谷段时间划分等情况，合理调度水泵运行，以节省运行费用。控制各泵轮流工作，使每台磨损程度均等。具有故障报警、自动保护等功能。
四、远程控制系统功能详述
1、数据采集。数据自动采集主要由PLC实现，PLC模拟量输入模块通过传感器连续检测水仓水位，采集电机电工参数、水泵轴温、电机温度、排水管流量等传感器与变送器，主要用于监测水泵、电机的运行状况，超限即报警，以避免水泵和电机损坏。PLC的数字量输入模块将各种开关量信号采集到PLC中作为逻辑处理的条件和依据，控制排水泵的启停。在数据采集过程中，模拟量信号的处理是将模拟信号变换成数字信号（A/D转换），其变换速度由采样定律确定。
2、自动轮换
本系统程序设计了多台泵自动轮换工作控制，控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录并累计，系统根据这些运行参数按一定顺序自动启停水泵和相应管路，使各水泵及其管路的使用率分布均匀。当某台泵或所属阀门故障，系统自动发出声光报警，并在触摸屏上动态闪烁显示，记录事故，同时将故障泵或管路自动退出轮换工作，其余各泵和管路继续按既有顺序自动轮换工作，以达到有故障早发现、早处理。
3、自动控制
系统控制设计选用了德国西门子公司生产的S7--300型PLC为控制主机，该机为模块化结构，由PLC机架、CPU、数字量I/O、模拟量输入、电源、通讯等模块构成。PLC自动化控制。系统根据水仓水位的高低，合理调度水泵，自动准确发出启、停水泵的命令，控制多台水泵运行。为了保证井下安全生产，系统可靠运行，水位信号是水泵自动化一个非常重要的参数，因此，系统设置了两套水位传感器，模拟量和机械式液位传感器，两套传感器均设于水仓的排水配水仓内，PLC将接收到的模拟量水位信号分成若干个水位段，计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率，从而判断矿井的涌水量，同时检测井下供电电流值，计算用电负荷率，系统根据矿井涌水量和电网负荷、供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段，以“避峰填谷”原则确定开、停水泵时间，从而合理地利用电网信息，提高矿井的电网运行质量。
4、动态显示。动态模拟显示选用德国西门子TP--270型触摸式工业图形显示器（触摸屏），系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动阀的运行状态，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警。直观地显示电磁阀和电动阀的开闭位置，实时显示水泵抽真空情况和压力值。用图形填充以及趋势图、棒状图和数字形式准确实时地显示水仓水位，并在启停水泵的水位段发出预警信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警，用不同音响形式提醒工作人员注意。采用图形、趋势图和数字形式直观地显示管路的流量，对井下用电负荷的监测量、电机电工参数和水泵负荷、水泵轴温、电机温度等进行动态显示、 超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，以提醒工作人员及时检修，避免水泵和电机损坏。
5、系统保护功能
超温保护：当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度保护装置及PLC 实现超限报警。流量保护：如流量达不到正常值实现报警，具有通过流量保护装置使本台水泵停止运行，自动转换为启动另一台水泵的功能。电动机故障：利用PLC及触摸屏监视水泵电机过电流、漏电、低电压等电气故障时实现报警，具有参与控制功能。电动闸阀故障：由闸阀的限位、开度指示检测故障，并参与水泵的联锁控制。
6、检修运行方式：当该系统出现故障时，在不影响泵房设备的正常运行，避免影响生产的情况下将PLC控制柜的所有控制输出屏蔽，只保留显示功能，各水泵及其外围设备的操作均能在脱离PLC控制柜的前提下进行。
整个系统在正常运行过程中，不管处于何种工作方式，都可实时地将泵房现场的各种运行参数、设备工作状态通过光纤传送到上位计算机。
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