煤矿井下水泵监控系统设计研究

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摘要：以哈拉沟煤矿井下用水泵为参考，介绍了水泵工作过程，设计了一款基于MCGS人机界面的煤矿井下水泵监控系统，该系统以西门子S7-200SmartPLC为控制核心。仿真结果表明，该系统运行正常，满足井下煤矿环境要求，提高了井下排水工作的稳定和可靠性。

关键词：MCGS；井下水泵；监控系统；PLC

引言

当前，矿山集约化水平正在提高，改善了生产设备的可靠性和稳定性，并且需要监视系统及时、准确地监视设备的运行状态。以哈拉沟煤矿传统的井下水泵控制系统为例，其水泵控制系统主要由人为控制，存在能源浪费、工作效率低、人力资源浪费等问题。因此，为解决这些问题，开发了一款井下水泵自动化监控系统,可视化程度高，操作方便，可广泛应用于大型煤矿的井下自动水泵安全监控管理系统。1离心式水泵工作过程离心式水泵主要由叶轮、进出水管、泵壳、泵轴等部分组成，如图1所示。泵体内需充满水方可启动水泵，其工作原理是通过电机带动叶轮，旋转的叶轮带动泵壳中的水高速转动，水将做离心运动进入到螺旋形泵壳，叶轮进口管处构成真空。因此，水在大气压强之下经过进水管压入水泵，压入到水泵的水与泵内叶轮同时旋转，由于泵壳为螺旋状，水沿着叶轮螺旋上升时，其断面层则由小逐渐变大，水的流速也开始减慢，随后泵的动能逐渐减小，将泵中的水流压入到排水管，连续循环，从而实现排水工作。

2监控系统功能设计

（1）水位监测排水系统的主要功能是将水仓内积水转移到地表，通过传感器收集水仓水位信息，传递到PLC分析和监测相关数据，并判断是否发出启动和停止水泵的命令；（2）液位监测在电动机启动之前，离心式水泵的泵体内必须注满水。若泵体内未能注满水，将导致严重的后果，例如电动机干烧以及电动机内气体浑浊等，因此在水泵上加装液位监测；（3）流量和压力监测水泵在运行过程中需要实时监测泵内的水压以及监测流量，避免因为水泵压力过高或者流量超过规定范围而对水泵及相关设备造成影响。

3水泵监控系统总体设计

水泵监控系统主要由水泵压力监控模块、水泵流量监控模块、水泵注水液位监控模块、水仓水位监控模块、人机界面和主控制器PLC六大部分组成。监控模块能够监测水泵在运行过程中的信号并传递给PLC。PLC用来输入信号和对信号进行加工处理，通过相应的编程来输出控制信号给监控模块，从而达到对水泵的监控。人机界面用来实时显示水泵运行的状态信息。水泵监控系统组成如图2所示。（1）总体要求在打开水泵之前，先打开注水装置。当水泵液位达到标准时，水泵开始运行，流量监控模块实时监测水泵流量，工作人员也可以根据工作状况调节流量阀，进而控制工作效率。当水仓的水位达到要求时，自动将水泵关闭。当泵在压力或者流量超过指定值运行时，将发出警报信号，操作人员需立即使故障泵停泵并离开当前工作组。系统流程图如图3所示。（2）传感器选型传感器的工作是收集信息，其中水仓的水量、泵的流量和出水口水压都必须准确记录。因此需满足以下条件：①选择适当的传感器读数（传感器读数应略高于实际测量范围），如果测量的区域太大而无法被传感器识别，则将出现严重误差，可能会严重损坏传感器；②传感器的灵活性非常重要，高度灵活的传感器用于检测系统关键信息，以确保系统没有危险，有效地保证系统测量的准确性。①水位计水仓水位作为排水系统的主要监测参数，通过双水位传感器可以确保大多数排水系统内水位数据的可靠性。超声波流动传感器不需要接触水仓内的水，只需将其直接放在整个水仓顶部位置即可准确测量水仓水位。②水流量传感器系统选择超声波水表作为水量检测器，无需破管，超声波水表的工作原理是超声波在流体中前进和后退时的速度是不同的，因此在相同距离传播时会产生时间差。该时间差与液体的流速成正比，因此可以通过测量时间差来获得液体的流速，进而测得液体流量。流量计工作原理简图如图4所示。③压力传感器压力传感器自动监测出水口处的水流压力，以保证水泵在运行过程中水压保持稳定。④液位传感器液位传感器主要用来测量水泵内水的液位，以确保水泵开启条件达到要求，进而启动电机,这里采用非接触式液位传感器。根据上述条件，结合煤矿用水泵的管道直径、压力和流量范围，选择传感器的型号如表1所示。（3）主控制器PLC选型选择控制器时，需考虑以下因素：①在满足控制要求的前提下，适应在井下大负荷、长期、恶劣的环境中持续稳定有效工作，以确保整个系统在运行期间保持稳定；②性价比高，节约成本；③在输入和输出期间，保留15％～30％裕量，目的是在以后更好地修改和维护。综合考虑上述因素，为此选择的控制器是西门子S7-200SmartPLC，CPU为ST20，适应性强，操作智能化，这些特性足以使系统安全稳定运行。（4）显示设备选用本文设计使用了昆仑触摸屏，主要用于工业领域的数据监测与接收、以及前端信息的控制与处理。它的优点主要包括时间控制准确性高、响应迅速、能够高质量地完成各种高速采集工作，并实现实时控制的功能。

4水泵监控系统设计仿真

（1）PLCI/O口地址分配在水泵监控系统中，下位机是连接4种传感器和上位机的纽带，下位机指令的传递使信号的传输、显示和控制命令的传递、动作得以完成。西门子S7-200SamrtPLC将传感器采集的模拟量进行分析处理，转化为数字量传递给上位机。PLC对资源分配的方法是自动分配地址，CPU的I/O口是固定不变的地址，地址从0字节开始分派，直至分派完毕。水泵监控所关联的监测参数和电气设备开关在PLC的I/O地址资源分配如表2所示。（2）监控系统调试仿真水泵监控系统完成设计之后，为了进一步验证该设计的实用性和稳定性，使用MCGS组态软件进行联合仿真。下位机的连接和配置按照水泵的工作原理依次安装，以使传感器采集的数据能够及时、准确地传递到CPU中，并且通过MCGS显示屏显示。在进入MCGS组态界面后，选择下载工程，再点击启动运行，系统进入仿真界面。井下水泵监控系统仿真界面如图5所示。

5结语

本文根据实际应用情况对水泵自动监控系统的设计方案进行了综合考量，通过在水泵安装4种传感器，结合PLC等硬件配置，并使用MCGS组态软件设计了一套煤矿用井下水泵监控系统，能够把水泵的各项参数实时呈现给操作人员，保障水泵正常运行，对水泵出现问题进行报警处理。通过仿真证明该系统运行良好，并且能够实时显示水泵工况信息，有效地减少了人力及事故的发生，为煤矿生产安全带来了可靠的保障。

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作者：乔红兵 焦峰 陈凯璐 王斌 侯全利 单位：中国矿业大学