基于嵌入式系统的水泵监控系统在峻德煤矿的应用

摘要：文章详细介绍了龙煤集团鹤岗分公司峻德煤矿-250水平中央水泵房自动控制系统。峻德煤矿的-250水平中央水泵房自动化控制系统采用了基于嵌入式系统的水泵监控系统，实现了水泵可在多种控制模式下运行。实际应用表明，该系统运行操作简单方便、稳定可靠、数据实时性高、维护量小，达到了减员增效的目的。

关键词：嵌入式系统；本安工业控制计算机；CAN总线；

中图分类号：TF087

0 引言

峻德煤矿是龙煤集团鹤岗分公司下属的一个大型煤矿，其-250水平中央水泵房位于该矿最深的一个水平，主要包含8台主排水泵，采用天地（常州）自动化股份有限公司的KJ43型水泵监控系统。建设完毕后，实现了水泵的就地手动、就地自动、远程联动和无人值守多种控制。矿井水的排放在煤矿生产中意义重大，大部分煤矿都在优化排水方案、改造排水设备、合理配置巷道设施等方面加强了井下水的排放管理。同时为了实现对井下水的实时控制和自动监测， 矿用自动排水装置是根据煤矿井下的实际情况，在原来的设施基础上进行自动化改造，以使设备在无人职守的情况下自动运行和自我诊断的一套系统。通过工业计算机的决策控制，对设备的运行状态、运行过程进行自动检测、自动控制，使设备达到最佳工作状态，从而达到有效地节约能源、降低劳动强度、降低运行成本和延长设备使用寿命等目的。

基于以上原因实现矿井排水自动化控制和地面远程监控：

第一：可依据水仓水位起停水泵，提高水泵有效利用率，大大降低生产成本。 第二：可减少看护人员，相应减少工资投入，并可充实设备维护检修队伍，提高维护质量，减少事故发生，变事故发生后的被动检修为主动的定期检修，提高设备的使用率。

第三：可以保证安全生产，改善工作环境，提高劳动生产率。

第四：可有效的保护水泵电机等设备。延长使用寿命，减少事故停机时间，提高排水能力。

第五：通过调整开停时间避开电力负荷高峰期，有效地削峰填谷，节约电费开支。

1 系统结构.

系统由上位机、本安工业控制计算机、多功能控制驱动器、通用I/O接、本安数据光端机以及被控设备组成。

（1） 上位机采用高性能的工业级控制计算机，辅以主流的组态软件，实时监测和记录-250水平中央泵房各类数据以及各个设备的运行状态，并对泵组实施远程起停控制。

基于嵌入式系统的本安工业控制计算机为控制核心。CAN总线是国际化标准总线，由此建立的监控通信接口协议，有利于各生产设备的集中监控，遵守该通信接口协议的任何设备能透明接入监控中心。CAN总线具有如下特点：

（1）可靠性：CAN突出的差错检验机理，具有5种错误检测、出错标定和故障界定；CAN传输信号为短帧结构，因而传输时间短，受干扰概率低。这些保证了出错率极低。另外，CAN节点在严重错误的情况下，具有自动关闭输出的功能，以使总线上其它节点的操作不受其影响，因此，CAN具有高可靠性；

（2）实时性：CAN的传输信号采用短帧结构（有效数据最多为8个字节），和带优先级的CS-MA/CA通信介质访问控制方式，对高优先级的通信请求来说，在1Mbps通信速率时，最长的等待时间为0.15ms，完全可以满足现场控制的实时性要求；

（3）开放性：CAN总线是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议；正是因为我们充分利用了CAN总线的高通信速率、高可靠性、连接方便、通讯协议简单等优点，才使得我们的系统非常适用于煤矿井下具有复杂恶劣环境的总线式自动化控制系统。主要负责处理和显示多功能驱动器和通用I/O通过CAN总线送上来的数据、对相应的报警信息采取相应预警机制（主要包括声光报警和文字报警）、根据相应的组态流程控制组的起停以及记录泵组运行过程中产生的历史数据、报警信息、运行统计等信息，且存贮时间不少于2周。

（2） 多功能控制驱动器为控制执行器。主要采集被控设备（电动球阀、电动闸阀、水泵电机、真空泵开关）的运行状态以及执行本安工业计算机下发的控制命令集中控制被控对象。

（3） 通用I/O接口为数据采集器。主要采集水仓水位、真空压力、水泵出水口压力、电机电流、电机电压、电机PT100温度、水泵轴承温度等模拟量。

本安工业控制计算机、多功能驱动器、通用I/O接口之间通过CAN总线通讯。本安工业控制计算机接入本安数据光端机通过以太网跟地面的上位机通讯。其次、根据泵房的实际情况，建设了两套抽真空系统，即真空泵抽真空以及射流泵抽真空。当某一套抽真空系统出现故障将自动切换到另一种抽真空系统。

2 系统功能

（1） 每台水泵可设置“运行”、“备用”、“检修”3种工作方式；

（2） 系统可在就地手动、就地自动、远程联动、无人值守等多种模式运行，且可以在地面调度是切换控制模式，能够在无人值守运行模式下进行人为干预；

（3） 在无人值守状态下，系统能根据吸水井水位检测值，自动启、停水泵或潜水泵以及自动判断启、停台数；

（4） 自动运行状态下，系统能够自动判断水泵和排水管路的效率和累计运行时间，对累计运行时间超过规定的及时警示和提醒进行更换；

（5） 系统具有欠压、过流、超温、流量、真空度、压力以及水位等多种模拟量保护；亦具有电动闸阀状态、电动球阀状态、电机状态以及真空泵状态检测。

（6） 将潜水泵纳入了真个泵控系统，可在地面调度机房对潜水泵的起停经行操作。

3 系统特点

（1） 现场控制核心采用基于嵌入式系统windows CE的矿用本安工业控制计算机。该计算机性能稳定，具有工业控制计算机以及PLC的双重功能，同时具有大容量的存贮空间，可就地存贮大量数据和运行统计。人机界面友好，傻瓜式的“组态”操作。

（2） 基于CAN总线通讯，数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性，并采用非破坏总线仲裁技术，保证优先级高的数据传输节点不受影响，由于CAN采用段帧结构报文传输，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低，且每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果，几乎杜绝了错报误报；

（3） 通过比较设定的门限值，能够及时准确的判断出各类报警信息的级别、采取实现设定好的相应的处理措施，且如果检测到系统中某个设备严重故障时（比如：核心模块损坏），自动将其屏蔽，绝不影响其他设备运行；

（4） 采用地面上位机和井下控制核心双冗余的结构。地面上位机通过以太网是实现两台工控机相互热备，当其中一台遇到死机或系统崩溃等状况时，另一台自动升格为主控机。井下的两台工业控制计算机通过CAN总线实现两之间的相互热备，当其中有一台出现数据紊乱、掉电、核心模块损坏等状况时，另一台自动升格为主控机。以此来保证系统的高可靠性。

4 结语

井下水排放是关系煤矿安全的大事，必须要仔细研究相关问题，本着安全、高效、简单、节能的原则，适应煤矿生产的自动化趋势，利用先进的计算机技术以及成熟的PLC技术，对煤矿的自动排水系统进行科学设计，减少人为失误，降低生产成本，为煤矿水资源管理的规范化、统计化、实时化以及运筹化打好基础，为建立融合系统论、信息论、控制论以及灾害理论的煤矿水资源管理系统做好准备。该系统在峻德煤矿自2009年3月份投入运行使用以来，运行稳定可靠，实现了对泵房的各个设备实现了集中控制，能在多种运行模式下运行，使用方便，维护量小。能够适应泵房的各种情况，可在煤矿大面积推广。

参考文献

【1】 邬宽明 CAN总线原理和应用系统设计 1996

【2】 陈嘉.尔桂花 现场总线应用中安全问题的剖析 自动化博览2001

作者简介：蔡兴宇，1971年9月20日出生，男，1997年7月毕业于鹤岗矿务局职工大学，大专学历，从事技术工作，现任龙煤鹤岗分公司峻德煤矿动力科技术员。