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摘要：以哈拉溝煤礦井下用水泵為參考，介紹了水泵工作過程，設計了一款基于MCGS人機界面的煤礦井下水泵監控系統，該系統以西門子S7-200SmartPLC為控制核心。仿真結果表明，該系統運行正常，滿足井下煤礦環境要求，提高了井下排水工作的穩定和可靠性。

關鍵詞：MCGS；井下水泵；監控系統；PLC

引言

當前，礦山集約化水平正在提高，改善了生產設備的可靠性和穩定性，并且需要監視系統及時、準確地監視設備的運行狀態。以哈拉溝煤礦傳統的井下水泵控制系統為例，其水泵控制系統主要由人為控制，存在能源浪費、工作效率低、人力資源浪費等問題。因此，為解決這些問題，開發了一款井下水泵自動化監控系統,可視化程度高，操作方便，可廣泛應用于大型煤礦的井下自動水泵安全監控管理系統。1離心式水泵工作過程離心式水泵主要由葉輪、進出水管、泵殼、泵軸等部分組成，如圖1所示。泵體內需充滿水方可啟動水泵，其工作原理是通過電機帶動葉輪，旋轉的葉輪帶動泵殼中的水高速轉動，水將做離心運動進入到螺旋形泵殼，葉輪進口管處構成真空。因此，水在大氣壓強之下經過進水管壓入水泵，壓入到水泵的水與泵內葉輪同時旋轉，由于泵殼為螺旋狀，水沿著葉輪螺旋上升時，其斷面層則由小逐漸變大，水的流速也開始減慢，隨后泵的動能逐漸減小，將泵中的水流壓入到排水管，連續循環，從而實現排水工作。

2監控系統功能設計

（1）水位監測排水系統的主要功能是將水倉內積水轉移到地表，通過傳感器收集水倉水位信息，傳遞到PLC分析和監測相關數據，并判斷是否發出啟動和停止水泵的命令；（2）液位監測在電動機啟動之前，離心式水泵的泵體內必須注滿水。若泵體內未能注滿水，將導致嚴重的后果，例如電動機干燒以及電動機內氣體渾濁等，因此在水泵上加裝液位監測；（3）流量和壓力監測水泵在運行過程中需要實時監測泵內的水壓以及監測流量，避免因為水泵壓力過高或者流量超過規定范圍而對水泵及相關設備造成影響。

3水泵監控系統總體設計

水泵監控系統主要由水泵壓力監控模塊、水泵流量監控模塊、水泵注水液位監控模塊、水倉水位監控模塊、人機界面和主控制器PLC六大部分組成。監控模塊能夠監測水泵在運行過程中的信號并傳遞給PLC。PLC用來輸入信號和對信號進行加工處理，通過相應的編程來輸出控制信號給監控模塊，從而達到對水泵的監控。人機界面用來實時顯示水泵運行的狀態信息。水泵監控系統組成如圖2所示。（1）總體要求在打開水泵之前，先打開注水裝置。當水泵液位達到標準時，水泵開始運行，流量監控模塊實時監測水泵流量，工作人員也可以根據工作狀況調節流量閥，進而控制工作效率。當水倉的水位達到要求時，自動將水泵關閉。當泵在壓力或者流量超過指定值運行時，將發出警報信號，操作人員需立即使故障泵停泵并離開當前工作組。系統流程圖如圖3所示。（2）傳感器選型傳感器的工作是收集信息，其中水倉的水量、泵的流量和出水口水壓都必須準確記錄。因此需滿足以下條件：①選擇適當的傳感器讀數（傳感器讀數應略高于實際測量范圍），如果測量的區域太大而無法被傳感器識別，則將出現嚴重誤差，可能會嚴重損壞傳感器；②傳感器的靈活性非常重要，高度靈活的傳感器用于檢測系統關鍵信息，以確保系統沒有危險，有效地保證系統測量的準確性。①水位計水倉水位作為排水系統的主要監測參數，通過雙水位傳感器可以確保大多數排水系統內水位數據的可靠性。超聲波流動傳感器不需要接觸水倉內的水，只需將其直接放在整個水倉頂部位置即可準確測量水倉水位。②水流量傳感器系統選擇超聲波水表作為水量檢測器，無需破管，超聲波水表的工作原理是超聲波在流體中前進和后退時的速度是不同的，因此在相同距離傳播時會產生時間差。該時間差與液體的流速成正比，因此可以通過測量時間差來獲得液體的流速，進而測得液體流量。流量計工作原理簡圖如圖4所示。③壓力傳感器壓力傳感器自動監測出水口處的水流壓力，以保證水泵在運行過程中水壓保持穩定。④液位傳感器液位傳感器主要用來測量水泵內水的液位，以確保水泵開啟條件達到要求，進而啟動電機,這里采用非接觸式液位傳感器。根據上述條件，結合煤礦用水泵的管道直徑、壓力和流量范圍，選擇傳感器的型號如表1所示。（3）主控制器PLC選型選擇控制器時，需考慮以下因素：①在滿足控制要求的前提下，適應在井下大負荷、長期、惡劣的環境中持續穩定有效工作，以確保整個系統在運行期間保持穩定；②性價比高，節約成本；③在輸入和輸出期間，保留15％～30％裕量，目的是在以后更好地修改和維護。綜合考慮上述因素，為此選擇的控制器是西門子S7-200SmartPLC，CPU為ST20，適應性強，操作智能化，這些特性足以使系統安全穩定運行。（4）顯示設備選用本文設計使用了昆侖觸摸屏，主要用于工業領域的數據監測與接收、以及前端信息的控制與處理。它的優點主要包括時間控制準確性高、響應迅速、能夠高質量地完成各種高速采集工作，并實現實時控制的功能。

4水泵監控系統設計仿真

（1）PLCI/O口地址分配在水泵監控系統中，下位機是連接4種傳感器和上位機的紐帶，下位機指令的傳遞使信號的傳輸、顯示和控制命令的傳遞、動作得以完成。西門子S7-200SamrtPLC將傳感器采集的模擬量進行分析處理，轉化為數字量傳遞給上位機。PLC對資源分配的方法是自動分配地址，CPU的I/O口是固定不變的地址，地址從0字節開始分派，直至分派完畢。水泵監控所關聯的監測參數和電氣設備開關在PLC的I/O地址資源分配如表2所示。（2）監控系統調試仿真水泵監控系統完成設計之后，為了進一步驗證該設計的實用性和穩定性，使用MCGS組態軟件進行聯合仿真。下位機的連接和配置按照水泵的工作原理依次安裝，以使傳感器采集的數據能夠及時、準確地傳遞到CPU中，并且通過MCGS顯示屏顯示。在進入MCGS組態界面后，選擇下載工程，再點擊啟動運行，系統進入仿真界面。井下水泵監控系統仿真界面如圖5所示。

5結語

本文根據實際應用情況對水泵自動監控系統的設計方案進行了綜合考量，通過在水泵安裝4種傳感器，結合PLC等硬件配置，并使用MCGS組態軟件設計了一套煤礦用井下水泵監控系統，能夠把水泵的各項參數實時呈現給操作人員，保障水泵正常運行，對水泵出現問題進行報警處理。通過仿真證明該系統運行良好，并且能夠實時顯示水泵工況信息，有效地減少了人力及事故的發生，為煤礦生產安全帶來了可靠的保障。

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作者：喬紅兵 焦峰 陳凱璐 王斌 侯全利 單位：中國礦業大學