煤礦井下水渦無人值守的自動控制系統

曹 昱，李小明，張志峰

（山西科達自控工程技術有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

煤礦水害是井下三大災害（瓦斯、冒頂、水災）之一，其中水災害的嚴重程度僅次于瓦斯爆炸。近年來，隨著煤礦開采水平的不斷加深，煤礦井下透水已經成為礦難頻繁發生的主要原因之一。水害事故的頻繁發生不僅嚴重制約了我國煤礦的高效安全開采，而且造成了重大的人員傷亡和財產損失。

煤礦井下水渦無人值守的自動控制系統主要針對井下臨時排水點（簡稱水渦）和永久性水渦實現無人值守的自動化控制。本系統的研究和實施，一方面可自動為煤礦水情預警系統提供原始數據，對井下水情作出預判斷，將煤礦水害事故降到最低，改變以往礦井涌水量由人為計算準確性差的局面；另一方面，整個系統實現了無人值守和自動化控制，保證了礦井的正常安全生產，節省了大量的人力物力，提高了工作效率。

1 井下水渦無人值守自動控制系統的工作原理

本系統主要采用先進的PLC 控制技術和通訊技術，通過智能開關控制水泵的啟停，對水渦排水進行無人值守的自動化控制。

系統通過檢測水渦的水位、壓力、溫度、流量等相關參數控制水泵工作，同時與智能開關柜采用MODBUS方式通訊，采集開關柜中的電壓、電流、功率等電量參數和開關柜的啟停信號及故障信息；利用井下現有的工業以太網骨干網絡實現數據的遠程傳輸，排水裝置與網絡接口采用有線直接接入或無線WiFi傳輸技術將數據傳送到地面生產調度中心；可對運行狀態實時顯示及遠程控制，實現相關數據的實時監測及報警功能；可根據液位實現水泵的自動啟停控制，根據水位的上升速率和排水量等檢測礦井涌水量實現水情預警。

通過上位機監控系統以圖形、圖像、數據、文字等方式，直觀、形象、實時地反映水泵工作狀態、水渦的水位以及溫度、壓力、流量等參數和開關柜的電壓、電流、功率、開停信號、故障信號等信息，

通過水情預警軟件，采用多種計量方式，對水情進行數據處理，實現分級計量、區域計量、總體計量、分級預警、區域預警、綜合預警等功能。

2 井下水渦無人值守自動控制系統的實施方案

本系統的具體實施方案是：在每個水渦點（水渦點數量大約200個）安裝水渦排水裝置礦用隔爆兼本質安全型水泵自動控制裝置及相應傳感器，采用有線或無線接入光纖環網將數據上傳到地面監控室，地面監控室設計算機軟件監控系統和水情預警分析軟件對整個井下排水進行遠程管理和數據監控。

2.1 系統構成

本控制系統主要由水渦排水控制裝置、傳感器（液位、流量、壓力、溫度）、水泵啟動柜（利用現有的）、無線或有線通訊設備、光纖傳輸環網、地面遠程管理系統組成。各水渦點排水裝置可根據實際的位置采用以下兩種方式接入骨干環網：①對距離環網交換機較近的水渦點，可采用直接接入交換機的方式；②對無法直接接入環網的水渦點采用無線WiFi傳輸的方式。井下水渦無人值守自動控制系統構成如圖1所示。

2.2 系統功能

2.2.1 多種控制方式

具有就地、遠程切換和手動、自動等多種控制方式。

在自動方式下，排水系統根據液位高低情況自動啟停控制，當水位輸入信號超過水位上限設定值時，自動控制水泵運行；當低于水位下限設定值時，自動停止水泵運行；出現故障時，可通過上位機顯示并記錄。

手動模式下為檢修或試驗設備，就地模式下為現場控制，遠程模式下為地面監控室控制，遠程自動控制模式為無人值守的控制模式。

2.2.2 實時數據采集

排水裝置采集溫度傳感器、壓力傳感器、水位傳感器、流量傳感器的數據，同時采集開關柜的電流、電壓等數據，并將采集到的數據統一上傳到地面集控室顯示，用于對水泵運行情況的統一監測。

圖1 井下水渦無人值守自動控制系統構成

2.2.3 數據轉存和參數下傳

數據處理子系統將采集到的實時數據存儲到數據服務器。數據服務器依靠制定的處理策略，對實時數據加工、匯總、抽取、分離，滿足不同等級和重點的分析需求。同時，數據處理子系統將上位機配置好的設備運行參數下發至PLC設備。

2.2.4 水情分析和預警

水情預警分析系統依靠已做處理的各類匯總數據，按區域、管線和水渦點為范圍分別對水流量和水位做分時、日、月、季度以及年的變化分析和同期對比和環比分析，參考特定的水情預警模型，對水情異常變化作出判斷。

3 系統上位機監測畫面

通過上位機實時監測畫面可以實現各水渦點、水渦點支線、區域、全礦井的水情監測，并且采用多種計量方式（分級計量、區域計量、總體計量）對水情進行數據處理。根據這些統計數據，當水渦點的出水量超過一定安全數值，上位機直接顯示預警（分級預警、區域預警、綜合預警），通知生產工人及時處理緊急情況，以保障生產的安全進行。整個系統的上位機監測畫面如圖2所示，具體某個水渦點的監測數據畫面見圖3。

通過上位機對監測采集到的井下水渦數據進行分類匯總，實現了按區域、管線和水渦點為范圍的區分，分別對水流量和水位做分時、日、月、季度以及年的變化分析、同期對比分析和環比分析（如圖4所示），并參考特定的水情預警模型，對水情異常變化作出判斷。

圖2 控制系統總監測畫面

圖3 水渦點實時監測數據畫面

圖4 區域水流量分析（四煤一號水渦）

4 結束語

綜上所述，本系統主要實現了煤礦井下水渦系統的無人值守自動控制，減少了井下操作人員，符合目前無人則安的思想理念，提高了礦井安全，符合全數字化礦井的建設要求，也給水情預警系統的建立提供了基礎平臺。

［1］ 賈硯成，高云龍，牛新建.煤礦井下泵房無人值守及自動控制系統［J］.科技信息，2011（17）：777－779.