井下泵房自动化

井下泵房自动化篇1

关键词：单片机,自动监控,以太网,RTL8019AS

1、概述

自动控制技术在新型厂矿企业广泛应用, 为适应企业发展老设备的改造势在必行, 由于单片机成本不断下降, 在淮北矿业集团公司某煤矿井下泵房自动控制及监控系统改造中, 应用了两个AT89C52单片机和一个RTL8019AS通信芯片实现了井下泵房的自动控制, 并实现了与调度所、机电科的远程监控及数据共享。

在初步的方案制定中, 考虑到单片机监控和比较监控电路两种方案, 比较控制电路技术结构简单, 不需要软件支持, 价格低廉, 但存在较差的人机交互性和不具备数据共享的缺点, 而单片机监控系统结构相对复杂, 需要硬件和软件同时支持, 外围电路相对繁琐, 但其人机交互性强, 功能强大, 控制精度高, 能够方便地与上位机通信, 实现数据共享, 便于规模化集中管理。尽管泵房控制精度要求不高, 但从数据共享和远程监控方面综合考虑, 采用单片机控制。

2、基于单片机系统的工作原理

控制系统工作原理如图1, 采集来的各路电流信号 (水仓水位、电机工作温度、电机轴承温度、水泵轴承温度、工作电流等) 经前级放大和A/D转换进入单片机, 经单片机处理, 单片机输出的数字量经D/A转换后送给电动执行机构。

输入模块的设计分为前级电流/电压转换和A/D转换电路的设计。前级电流/电压转换电路用于放大检测信号, 其主要部件可调放大器采用1458芯片, 考虑现场的实际情况, 对其外围电路加入电容, 做一定的抗干扰和滤波处理。A/D电路采用美国BB公司的ADS7818芯片。单片机采用查询方式通过P1.0口不断查询BUSY状态, 当SY=1时, 表示从ADS7818完成一次转换。单片机通常通过两次读取完成数据读入, 当R/C=1, CS=0, BY12=0时, 读取高4位;当R/C=1, CS=0, 读取低4位, 读取完成后, 单片机将R/C和CS端置低40n S—12n S, 以启动下一次转换, 此时BUSY输出为低电平。芯片采用并行方式下的数据转换时序。

人机交互模块的硬件设计即键盘和显示驱动电路。系统采用Intel公司通用人机接口芯片8279的A、B口显示数据输出线分别于2个D7译码跳动器的输入端相连。控制面板上的键数按用户自己的需要进行设定, 如果输入错误可以按“复位”键恢复到原来的初始状态, 输入完毕可以按“模式”键, 再按“复位”键确定, 系统进入监控主程序。

通信模块由2#单片机和RTL8019AS组成, AT89C52单片机具有指令以时钟周期为运行单位, 实行流水作业;功耗低;既可通过网络开关以硬件的方式实现I/O端口的灵活配置。

RTL8019AS是由台湾RELTEK公司开发的一种8/16位ISA总线网卡芯片, 遵循IEEE802.3标准;100脚PQFP封装, 缩小了PCB尺寸;支持即插即用、跳线模式;全双工, 收发可同时达到10MPS;内置16k BSRAM用于收发缓冲, 可降低对主处理器的速度要求;支持AUI、UTP、BNC多种传输介质的自动侦测, 支持对10BASE拓扑结构的自动记忆修正;允许4个诊断LED引脚编程输出;片内可分为远程DMA接口、本地DMA接口、MAC (介质访问控制) 逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口MAC (介质访问控制) 逻辑, 它们共同完成以下功能:当单片机向以太网发送数据时, 先将一桢数据通过远程DMA通道送到网络芯片RTL8019AS中的发送缓冲区, 然后发出传送命令, 当RTL8019AS完成了上一帧的发送后, 再开始当前帧的发送。RTL8019AS接收到的数据通过MAC比较、CRC检验后, 由FIF0存到接收缓冲区;收满一帧后, 以中断或寄存器标志的方式通知主处理器FIFO逻辑对收发数据作16字节的缓冲, 以减少对本地DMA请求的频率, 从而可以节省软件的开销, 提高系统的执行效率。

软件编程

通过键盘输入, 原始数据存入R1中, 同时将各路输入数据及网络接收的控制命令等处理后存储在ACC中。通过比较R1和R2寄存器中的数据来确定是单泵机工作还是多泵并联工作, 其主程序如下。

井下泵房自动化篇2

泵房自动控制系统监视、控制并保护着泵房内各种设备的运行, 为了保证泵房安全高效的运转, 自动控制系统的设计至关重要。

1 设备组成

井下泵房往往采用多套泵组, 多用一备或多用多备。各泵组的运行工况基本相同, 因此在做泵房自动控制系统设计时, 先根据一套泵组的工况进行设计, 然后再考虑多套泵组的关联。泵房自动控制系统往往由以下几部分组成:动力设备、控制设备、注水设备、网络设备、监视设备、传感器、远程监控设备及语音设备。

1.1 动力设备

动力设备为整个泵房系统各种设备提供电源, 泵房内主要用电设备有泵类设备、阀类设备、通信设备、监视设备及传感器。

泵类设备主要有主泵 (多级卧式离心泵) 、潜水泵和真空泵。主泵电机电压等级有1140 (660) V、6k V和10k V几种, 潜水泵和真空泵多采用1140 (660) V电压等级。中央泵房和水量较大的采区泵房采用大功率、高电压的主泵电机, 对于高电压泵电机的供电, 中央泵房一般采用高压配电柜和高压起动柜, 采区泵房则采用防爆型的高压配电装置和高压真空电磁起动器;1140 (660) V电压等级的泵电机则采用防爆型真空电磁起动器。

阀类设备主要是泵房主管路使用的电动闸阀和抽真空管路使用的电动球阀或电磁阀, 电动闸阀的电压等级有380V、660V和1140V, 使用馈电开关供电;而电动球阀和电磁阀一般为单相127VAC供电, 可以使用井下照明电或取自主控设备。

通信设备 (交换机) 和监视设备 (摄像头) 供电电压等级为127VAC或24VDC, 传感器电源为24VDC或12VDC。127VAC取自井下照明供电, 24VDC或12VDC电源取自主控设备开关电源。

1.2 控制设备

控制设备包括闸阀控制设备和主控设备。

闸阀控制设备即闸阀控制箱, 主要对闸阀进行控制和保护, 控制闸阀的打开、关闭和停止, 检测并显示闸阀的状态、位置和故障信号。闸阀控制箱一般由控制器、断路器、接触器、继电器、显示屏、按钮及转换开关组成。

主控设备即主控箱, 它控制并保护着整个泵房系统的正常运转, 是泵房自动控制系统的核心设备。主控箱由断路器、控制变压器、UPS、PLC、显示屏、交换机、转换开关、按钮及继电器等组成。当主控箱距离水泵较远、泵组数量较多时, 可采用分布式控制系统来设计主控设备, 即1个主站 (主控箱) 加多个分站 (就地操作箱) 。分站采集数据信息, 主站分析判断并执行控制, 分站和主站之间通过一根通信电缆进行连接, 这样可以大大减少电缆的数量, 减少电缆敷设和接线的工作量, 使系统更加简洁, 维护更加方便。

主控箱的进线电源通过断路器提供给控制变压器, 控制变压器提供各种电压等级电源。UPS作为外部供电停电时的紧急电源使用, 确保网络的畅通和部分设备的安全停机。显示屏显示整个泵房系统设备的状态、参数等, 还可以通过它进行系统参数设定。交换机可以扩展网络接口, 同时还可提供光纤接口来解决主控设备距离井下网络交换机较远时通信易受干扰的问题。主控设备通过转换开关和按钮进行控制操作, 通过继电器输出控制各种设备。

1.3 注水设备

水泵工作的前提是向泵内注水, 一般采用射流抽真空、真空泵抽真空和潜水泵注水几种方式。

射流抽真空系统由射流泵、电动阀门 (电动球阀或电磁阀) 及管路组成。射流抽真空的工作原理是使用高压气体或高压水带走泵内空气, 造成泵内的负压, 从而将水吸入泵内。射流泵无需控制, 电动球阀或电磁阀需要主控设备的控制, 打开启动射流, 泵内负压到达设定值后, 开启水泵, 关闭电动球阀或电磁阀, 停止射流。

真空泵抽真空的原理与射流抽真空的原理类似, 它使用真空泵将泵体内空气抽走。真空泵抽真空系统由真空泵、电动阀门 (电动球阀或电磁阀) 以及管路组成。主控设备控制真空泵和电动阀门, 实现泵体抽真空。

子泵注水系统由子泵 (潜水泵) 、电动阀门和管路组成。它的原理是使用潜水泵向主泵内注水。子泵和电动阀门需要主控设备来控制。

1.4 网络设备

为了实现井下泵房的远程监控和无人值守, 泵房自动控制系统必须配置网络设备, 网络设备一般采用防爆型的以太网交换机, 它将泵房主控设备和其它网络终端设备与井下网络连接起来, 实现通信和数据交换的功能。

1.5 监视设备

为了加强对泵房的监管, 应配置监视设备, 即防爆摄像仪。根据泵房的实际工况, 可在泵组、主控设备、机械式水位标尺处等地方设置摄像仪, 实时监视系统运行情况。摄像仪的视频信号可以通过单独的光缆传送到监控机房, 也可以配置网络摄像仪, 它将视频信号转换成可以在以太网上传输的数字信号, 通过以太网上传, 在地面监控主机上通过视频软件观看。

1.6传感器

传感器是泵房自动控制系统中的重要组成部分, 它检测系统的各种状态信息, 传送给主控设备, 主控设备根据这些信号判断系统的状态并执行相应的控制操作。泵房自动控制系统中常用的检测量有泵负压、泵压力、管路流量、水仓水位、泵体温度、电机温度、电流、振动等。

泵负压传感器:检测泵内真空度, 真空度是一个负压力值, 主控设备根据它来判断抽真空是否达到开泵条件。每台泵配置1台负压传感器。

泵压力传感器:检测泵起动后泵内压力值, 当泵内压力达到设定值后, 主控设备控制泵口闸阀打开。每台泵配置1台压力传感器。

管路流量传感器:检测管路内水流量的大小, 判断排水是否正常。常在两个部位检测管路水流量:泵出口管路和主管路。如果检测泵出口管路流量, 则每台泵都需要配置1台流量传感器。泵房主管路一般为2路或3路, 相互之间通过管路闸阀连通, 每个主管路需要配置1台流量传感器。

水仓水位传感器:检测水仓内水位高低, 水位超过上限时报警并自动开始排水或提示开始排水, 水位低于下限时报警并停止排水或提示停止排水。泵房一般有2个水仓, 水仓底部通过阀门连通, 清仓时会关闭此阀门, 水位不再相同, 因此每个水仓需要单独配置水位传感器。另外, 还应配置一套机械式的水位标尺, 不论主控系统是否能够正常检测水仓水位, 机械式的水位标尺都能够实时显示水仓水位, 配合摄像仪还可实现在地面监视水仓水位。

泵体温度传感器:检测泵体发热部位温度, 超温时保护停泵并报警。

电机温度传感器:检测电机绕组和轴承温度, 对电机进行保护。

电流变送器:检测泵电机的工作电流, 根据电流值判断电机运行状况, 并参与泵口闸阀的控制。

振动传感器:检测电机和泵的振动强度, 根据振动情况对设备进行保护。

1.7 远程监控设备

为实现泵房的SCADA系统, 需要配置远程监控设备, 对于泵房来说即地面监控主机, 它能够实现对泵房设备的远程数据采集和监控。

地面监控主机一般布置在地面监控机房或地面调度室里, 常采用工控机, 安装有组态软件, 常用组态软件有组态王、Win CC、RSView、In Touch等。使用组态软件设计出适合泵房工况的操作显示界面和配置, 完成数据采集、存储、监视、控制、记录及报表等功能。

1.8 语音设备

为了提高系统的安全性和方便性, 可配置语音设备, 对水泵起动、设备故障等重要信息进行语音报警。语音设备预存语音信息, 由主控设备来控制。

2 系统功能

煤矿井下泵房自动控制系统主要实现泵房各设备的自动控制、保护以及远程监控功能。

2.1 工作方式