随着煤矿井下排水系统的现代化改造，可实现矿山排水泵房的无人值守及远程监控，同时实现对矿山设备的科学管理及使用。然而，在煤矿井下排水系统的现代化改造中，绝大部分的控制器核心是由PLC来完成的，而且，现有的水泵控制系统中，各个不同的控制箱功能过于单一，例如，主控箱、阀门控制装置、射流泵控制装置等，要想完成整个控制流程，需要不同的控制设备相互通讯完成整个操作过程，如果中央泵房的主排泵过多，将极大地增加中央泵房改造的成本，而且整个系统的稳定性差。同时，由于整个煤矿井下的各排水子系统可能是有不同排水系统厂家提供的，在实现整个矿井排水系统的集成管理过程中存在着接口不兼容等问题。本文中所实现的主控板能够自动检测现场参数，完成排水泵的启动或停止工作，同时具备报警、现场设备通讯及以太网通讯功能。

1 系统描述及主控板整体设计

如图1，在水仓水位达到上限以后，单台水泵的控制首先使用2个MGQ专用球阀完成抽真空，同时负压传感器检测负压大小，当负压达到一定值之后，水泵控制箱高压启动器发出水泵启动信号，水泵启动之后，正压力传感器检测水泵出口压力，并在达到压力设定值之后打开水泵出口侧的MZ电动闸阀，同时可以通过A、B排水管道侧的电动闸阀选择排水管道，一般会在A、B管道上安装流量传感器，检测管道内排水量的大小，最后完成排水泵启动过程。水泵停止过程与启动过程相反，通过传感器检测到水仓水位降到下限后，首先关闭A或管路选择阀门，然后再关闭水泵出口侧的阀门，最后向高压启动器发送停止信号，完成单台水泵的停止工作。

水泵综合自动控制主控板位于综合自动控制箱内，主要完成现场模拟量数据的采集及相关水泵周边设备的控制。综合自动控制箱主要是由主控板加继电器以及相关模块组成，放置到隔爆箱内，与周围环境隔离。

图1 单台水泵控制示意图

主控板整体设计如图2所示，主要由电源模块、微处理器、射流泵接口模块、电动闸阀接口模块、高压启动器接口控制模块、开关量输入输出模块、模拟量接口模块及通讯模块组成。其中，射流泵接口模块、电动闸阀接口模块、高压启动器接口控制模块及开关量输入输出模块与MCU之间采用光耦进行隔离。

图2 主控板整体设计示意图

2 主控板各功能模块设计

2.1 电源模块及微处理器

矿用产品要求本安、隔爆，电源模块分为普通电源部分和本安电源部分，由于本安电源设计功率有限，本设计中与隔爆箱外直接有接触的部分，采用本安电源供电。微处理器采用的是意法半导体公司的STM32系列。

2.2 射流泵接口模块

射流泵接口模块主要完成排水泵启动之前的抽真空动作，真空负压达到设定值之后才能启动水泵，否则会导致上水失败。该模块主要控制3个专用的球阀，由于当前国内射流抽真空采用的球阀电气参数并不一致，有的厂家采用AC120V，并具有开关到位输出信号；有的厂家采用DC24V，球阀具有通电开启、到位停止、断电关闭功能，为了能够兼容球阀厂家的接口，在主控板上对应每个球阀需设置一个开信号量、一个关信号量、一个开到位检测及一个关到位检测。射流泵总成如图3所示。

图3 射流泵总成示意图

2.3电动闸阀接口模块

国内大部分厂家的电动闸阀接口基本上是一致的，如图4所示，电动闸阀接口控制模块针对每一个电动闸阀都设置了电动闸阀开启、开到位、开启过力矩保护、关闭、关到位、关闭过力矩保护和阀门开度检测功能。开启与关闭为输出量；开到位、开启过力矩保护、关到位、关闭过力矩保护为开关量输入；开度检测属于模拟量（实际上就是一个滑动变阻器）。

图4 电动闸阀接线端子图

2.4 高压启动器接口控制模块

高压启动器接口控制模块只提供1路开信号和1路关信号，继电器无源节点输出，直接控制高压启动器的开关控制，从而实现水泵的启停操作，至于电机的一系列运行参数，通过RS485与高压启动器MODBUS通讯获得。

2.5 开关量输入输出模块

开关量输入主要用于操作按键，采用的是5觹5的矩阵键盘；开关量输出主要作为预留。

2.6 模拟量接口模块

单台水泵运行需要检测的模拟量包括：水仓水位、水泵进水管真空度、水泵出水口压力、水泵轴温、电机温度、排水管的流量，其中，水仓水位、水泵进水管真空度、水泵出 水 口 压 力 为 标 准 的模拟量信号（0～5V ／ 4～20m A）；水 泵 轴 温、电机 温 度 实 际 上 采 用 的PT100进行检测，设计了专用的测量电路；排水 管 的 流 量 可 以 使 用标准模拟量信号，也可以 使 用RS485 Mod-Bus通讯读取流量值。

图5 系统软件整体运行流程图

2.7 通讯模块通讯模块

由RS485通讯接口模块、RS232通讯接口模块 和TCP／IP通 讯 接口 模 块 组 成；RS485通讯接口模块通过 运行MODBUS协 议 与高压启动器、流量传感器进行通讯；RS232通讯接口模块与LCD显示屏通讯，并能完成程 序 一 键 下 载：TCP／IP通讯接口模块完成以太网数据交换功能，本设计采用专用的以太网模块，与MCU之图 5系统软件整体运行流程图间采用UART通讯，同时配备以太网上位机配置软件进行模块配置。

3 主控板嵌入式软件设计

3.1 软件实现概述

为了提高系统可靠性，降低系统开发难度，在MCU上移植μC／OS－II嵌入式实时操作系统，并进行封装；在μC／OS－II基础上开发了对应各个功能开的任务，同时增加了报警功能和紧急处理功能。将这些功能进行组合，完成了三种控制模式：自动控制、手动控制、远程控制。

自动控制：根据水位、正负压力值、管道流量等参数，按照系统设定参数，自动选择运行水泵，并按照控制流程，完成单台水泵的启、停。

手动控制：使用控制按钮，启停单台水泵相关联的设备，包括电动球阀、电动闸阀、高压启动器的启停等。远程控制：在以太网数据交互的基础上，通过计算机监控画面，根据水仓水位情况，通过上位机来控制单台水泵的自动启停及相关设备的单独启停操作。

图6 单台水泵启动时自动控制程序流程图

3.2 软件流程

无论是自动控制、手动控制还是远程控制，都有着极大地关联性，都是以模块为基础的操作，只有在上一个模块完成相应的功能检测并达到相应的设定值之后方可启动下一个功能模块，系统软件运行流程图如图5所示，自动控制水泵启动时的软件流程图如图6所示。通过图5可以发现，报警及紧急处理模块、通讯模块作为μC／OS－II的周期执行的任务，其它各模块运行过程中出现异常时，向报警及紧急处理模块发送异常代码，然后报警及紧急处理模块根据系统当前的运行状态及异常代码的严重程度进行异常处理。通讯模块的周期性运行能够保证屏幕显示、现场数据采集以及以太网数据的同步。

4 性能测试

系统测试主要包括系统稳定性测试及可靠性测试。由于煤矿井下中央泵房的特殊运行环境，要求设备必须稳定且可靠。因此，主控板设计完成后，主要进行稳定性测试和可靠性测试，稳定性主要包括系统连续运行12小时不能出现异常，并且系统工作时的各个联动环节必须实现互锁，特别是在电动闸阀的开启及关闭不能出现异常，否则，一旦出现水锤效应，将对设备和生产造成重大损失。可靠性是指即使出现异常，系统也能按照正常流程停止单台水泵及其相关设备的运行，禁止设备出现异常动作。

5 结束语

本文设计的煤矿中央泵房水泵综合自动控制主控板降低了单台水泵的运行成本。经过实验环境模拟运行，性能稳定、操作方便、功能全面，完全能够控制单台水泵及其相关设备稳定可靠的完成排水过程。