煤礦井下排水自動化系統(tǒng)的研究與設計

張獻龍 王 嬌 孔二偉,3

（1.平頂山天安煤業(yè)股份 六礦，河南 平頂山467000；2.平頂山天安煤業(yè)股份 二礦，河南 平頂山467000；3.河南理工大學，河南 焦作454003）

0 引言

隨著國家的科技投入，煤礦礦山數字化建設日益迫切，如何實現(xiàn)地面遠程控制監(jiān)測井下大型機電設備、減員增效、節(jié)約能源等需求日益迫切。目前，絕大部分的煤礦均建設有千兆工業(yè)以太環(huán)網，這么寬的帶寬如何有效的利用，發(fā)揮其更大的作用，也越來越被研究。

全國自動化程度較高的煤礦，如神話神東公司、兗礦集團、徐礦集團、平煤集團都已經把井下的泵房集控、皮帶集控、工業(yè)電視、環(huán)網平臺等系統(tǒng)進行了綜合集成，極大的提高了生產、安全水平，為煤礦安全高效生產、減人提效提供了技術保障。

1 系統(tǒng)結構

排水自動化系統(tǒng)主要由以下五部分組成。

1.1 地面自動化控制中心

地面監(jiān)控站設置在集中控制中心，通過工作站對井下泵房相關設施進行集控和監(jiān)視。主要設備、設施包括工作站、顯示器、不間斷電源、語音報警裝置等。

1.2 數據傳輸線路

單泵、現(xiàn)場操控及顯示裝置與主控設備之間通過現(xiàn)場總線完成實時數據雙向傳輸。

主控設備與礦井機房及調度中心通過環(huán)網或光纜實現(xiàn)系統(tǒng)實時數據雙向傳輸。

1.3 泵房監(jiān)控單元

泵房監(jiān)控單元由礦用隔爆兼本安型監(jiān)控分站、 信號采集裝置、傳感器等組成，主控制站作為井下控制部分的通信核心，完成分站監(jiān)控信息與地面控制中心的監(jiān)控信息交互傳遞。 同時，通過在現(xiàn)場的操作顯示屏，為井下巡檢人員提供整個系統(tǒng)的運行情況。

井下監(jiān)控單元結構如圖所示，對于需控制的中央泵房系統(tǒng)，中央泵房電控柜已具備微機綜合保護器， 現(xiàn)已有手動操作的電控系統(tǒng)，實現(xiàn)自動控制需再增設控制單元。信息化整體設計在每個泵房設置了一個通訊主站，每個泵設置一個通訊分站，該監(jiān)控主站可兼作本泵房設備的控制單元，地面控制中心的控制指令通過以太網或專用通訊光纜下達到通訊主站與分站，由其控制泵系統(tǒng)的相應動作。

1.4 語音預警

語音報警包含地面集控中心實時語音報警、泵房現(xiàn)場實時語音報警。

地面集控中心語音報警： 能夠全面實時完成系統(tǒng)內各種報警，通過工程師站驅動對應的報警裝置，實現(xiàn)實時報警。

泵房現(xiàn)場語音報警：依據泵房實際需求，預先定制好語音報警內容，系統(tǒng)控制主站綜合采集的實時數據進行及時判斷，確定符合程序設定報警條件，由系統(tǒng)程序驅動相對應的報警內容。 同時能夠實現(xiàn)定制泵房簡介播報及各種歡迎用語等。

1.5 視頻巡檢

主要由攝像儀、專用導軌、驅動電機、主控設備等組成，能夠實現(xiàn)就地控制攝像儀按照預設目標移動、能夠實現(xiàn)圖像遠傳存儲及實時監(jiān)視、能夠依據預設程序要求自動移動到對應目標，能夠實現(xiàn)圖像拉遠拉近、變焦等功能，能夠隨時顯示攝像儀當前位置。

系統(tǒng)結構圖如圖1：

圖1

2 系統(tǒng)具體設計

2.1 主控設備

泵房排水自動化系統(tǒng)采用分布式結構，在井下泵房設立一套礦用隔爆見本安型可編程控制主站， 配套一個礦用本安型集中控制操作臺，完成對泵房內各受控設備的集中控制；每臺泵設立一臺礦用隔爆兼本安型綜合接入網關，配套礦用本安型顯示控制箱完成就地單泵控制；地面設立工程師站，雙機熱備，遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)設備，實時顯示系統(tǒng)數據，及時播報系統(tǒng)故障及報警點，形成歷史記錄，供后期查詢及打印報表等。

2.2 系統(tǒng)數據

井下控制主站作為整個系統(tǒng)的核心， 向上實現(xiàn)實時全雙工通信，接受遠程工程師站控制命令及各參數設置， 及時反饋現(xiàn)場實時數據；通過井下集中控制操作臺向控制主站向發(fā)送主控命令，由控制主站執(zhí)行各程序流程，同時在集中控制操作臺實現(xiàn)顯示系統(tǒng)信息；向下與各泵網關進行總線通信，主站與各泵網關之間實時數據雙向傳輸。

2.3 系統(tǒng)供電

系統(tǒng)配套礦用隔爆型不間斷電源，為系統(tǒng)主控設備提供不間斷電源。

3 系統(tǒng)控制方式

系統(tǒng)有四種控制方式：就地手動、就地自動、遠程控制、無人值守。

3.1 就地手動

采用手動操作時， 由井下操作人員根據生產需要以及設備狀況，通過操作操作臺上的按鈕，實現(xiàn)設備的啟動、停止。

3.2 就地自動

在操作臺上發(fā)出啟動命令，水泵的電動球閥、電動閘閥及電機等設備，按照設定流程啟動。當集控操作臺發(fā)出停止命令后，水泵系統(tǒng)將關閉閘閥后，停止電機。

3.3 無人值守

系統(tǒng)根據水倉水位個高低及用電時間，實現(xiàn)水泵自動啟停。

3.4 遠程控制

水泵的啟停由地面控制， 同時可以實現(xiàn)無人值守與遠程自動、遠程手動間的切換。

4 系統(tǒng)功能

4.1 故障停泵

1）水泵在自動控制工作方式下運行發(fā)生故障時，計算機將按照所設定的停泵程序自動停止運行水泵。

2）水泵在“檢修”工作方式下運行，當發(fā)生故障需要停泵時，應按下列順序操作：

同時關閉管路的手動閘閥，嚴禁閥門在開通位置停機；

待閥門關閉到位后，停電動機；

不論水泵在哪一種工作方式下運行， 當發(fā)生故障需要緊急停泵時，司機可按下“急停”按紐(帶機械自鎖)。

3）故障停泵后，查明故障原因，立即向有關領導匯報。

4）按下“故障復位”按紐，使系統(tǒng)恢復正常，為啟動備用水泵做好準備。

4.2 水泵自動輪換

為了防止備用泵、電氣設備和備用管路長期不用而導致設備受潮或出現(xiàn)其他故障未經及時發(fā)現(xiàn)，當工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時，而不能及時投入以至影響礦井排水安全，控制程序將水泵啟停次數及運行時間和管路使用次數及流量等參數自動記錄累計，系統(tǒng)根據這些運行參數按一定規(guī)律自動啟停水泵，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當水泵在啟動或運行過程中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動停止故障水泵、投入新的水泵排水，實現(xiàn)水泵自動輪換工作，同時系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警，并在操作屏和地面操作站上動態(tài)閃爍顯示，記錄事故，達到有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理。

4.3 自動控制

系統(tǒng)控制設計選用了西門子300 系列為控制主機， 該PLC 為模塊化結構，由數字量I/O、模擬量輸入、通訊口等模塊構成。PLC 自動化控制系統(tǒng)根據水倉水位的高低或者根據井下用電負荷的高、低峰和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價時間段等因素，建立數學模型，合理調度水泵，自動準確發(fā)出啟、停水泵的命令，控制水泵運行。

為了保證井下安全生產，系統(tǒng)可靠運行，水位信號是水泵自動化一個非常重要的參數，因此，系統(tǒng)設置在不同水艙的兩套超聲波水位傳感器，PLC 將接受到的模擬量水位信號分成若干個水位段， 計算出單位時間內不同水位段水位的上升速率， 從而判斷礦井的涌水量，也本系統(tǒng)可以同時檢測井下供電電流值，計算用電負荷率，根據礦井涌水量和用電負荷， 控制在用電低峰和一天中電價最低時開啟水泵，用電高峰和電價高時停止水泵運行，以達到避峰填谷及節(jié)能的目的。

4.4 動態(tài)顯示

就地動態(tài)模擬顯示選用操作屏，地面操作站系統(tǒng)動態(tài)模擬顯示采用組態(tài)王組態(tài)軟件開發(fā)，系統(tǒng)通過圖形動態(tài)顯示水泵、真空泵、電磁閥和電動閘閥的運行狀態(tài)， 采用改變圖形顏色和閃爍功能進行事故報警，直觀地顯示電磁閥和電動閘閥的開閉位置，實時顯示水泵抽真空情況和出水口壓力值。

用實時趨勢圖方式和數字形式準確實時地顯示水倉水位，并在啟停水泵的水位段發(fā)出預告信號和低段、超低段、高段、超高段水位分段報警，用事先錄制的語音提示形式提醒操作人員注意。

采用圖形、趨勢圖和數字形式直觀地顯示趟管路的瞬時流量及累計流量、水泵軸溫、電機溫度等動態(tài)值，超限報警，自動記錄故障類型、時間等歷史數據， 并通過每臺水泵的流量計算出水泵的有效功率，以提醒巡檢人員及時檢修或更換水泵。

4.5 現(xiàn)場編程

用戶可在現(xiàn)場通過面板上的鍵盤對系統(tǒng)參數進行修改。

4.6 組網功能

該分站掛接在中央變電所的交換機上，通過交換機與全礦綜合自動化系統(tǒng)連接。

4.7 水泵運行計量/時間/運行統(tǒng)計

圖2 動態(tài)顯示圖

在地面控制站上應可分別對每臺水泵的運行電耗、工作時間等進行統(tǒng)計，便于管理人員及時掌握每臺水泵的工況。

4.8 圖形曲線顯示

在地面控制站上應可實時顯示各設備運行圖。并提供開放式的圖形制作軟件，用戶可描繪各種動態(tài)圖形、靜態(tài)圖形，同時支持多種圖形格式，圖形畫面具有鏈接功能，可以很方面地切換其它畫面顯示。可顯示實時曲線，可顯示年、月、日個時間段的歷史曲線和具體數據表。

4.9 實時報警/報警記錄

在現(xiàn)場PLC 控制器上可漢字顯示各故障信息并報警， 在地面控制站上可顯示現(xiàn)場單元當前的報警信息以及保存的報警記錄。

圖3 報警信息查詢

5 結語

煤礦井下排水系統(tǒng)在煤礦的應用越來越廣泛，切實提高了礦井的生產效率，實現(xiàn)了減員增效，提高了安全生產的可靠性，通過管理制度的調整，最終實現(xiàn)了無人值守作業(yè)，對煤礦科技水平的提高和新型生產工藝的探索有重要的意義。

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［2］宋杰,肖興明,張憲鋒,馬馳.PLC 在煤礦井下主排水控制系統(tǒng)中的應用[J].煤礦機械,2006，5.

［3］袁小東，鄧先明，王冬冬，盧佳，張敏.基于以太網的煤礦排水綜合自動化系統(tǒng)[J].工況自動化,2009，7.