礦井水位監(jiān)控系統(tǒng)研究

杜亞玲

（晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006）

引言

1 技術(shù)方案

煤礦綜采巷道內(nèi)積水較多，長期在進(jìn)、回風(fēng)巷道數(shù)千米范圍內(nèi)設(shè)置十多個(gè)局部排水設(shè)備，目前存在如下問題：

1）人員巡檢不及時(shí)。由于煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，涌水量大，導(dǎo)致綜采工作面巷道上、下山等多處積水較多，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。而采用人工巡檢方式，由于抽水位置距離遠(yuǎn)，位置分散，導(dǎo)致人員巡檢不及時(shí)。

2）水泵啟動(dòng)不及時(shí)。長時(shí)間的無人巡檢造成水泵無法及時(shí)啟動(dòng)，造成巷道內(nèi)局部水位過高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

3）水泵停止不及時(shí)。當(dāng)局部區(qū)域積水已抽放干凈，水泵不能及時(shí)停止，導(dǎo)致水泵空轉(zhuǎn)時(shí)間過長，燒毀設(shè)備。

4）巷道局部積水水位未知。針對(duì)不同巷道不同位置的積水，操作巡檢人員無法了解積水水位情況，因此無法統(tǒng)籌安排水泵的開啟和停止，減少設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，節(jié)約能源。

5）水泵狀態(tài)未知。針對(duì)分散在不同區(qū)域的數(shù)十個(gè)局部抽水設(shè)備，巡檢人員或調(diào)度人員無法確切了解水泵運(yùn)行狀態(tài)或者設(shè)備完好程度，因此，無法合理、及時(shí)對(duì)巷道內(nèi)的積水進(jìn)行抽放，及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。

針對(duì)上述問題，在研究積水的分布和水位變化規(guī)律之后，設(shè)計(jì)了該套融合了巷道水位實(shí)時(shí)監(jiān)測、聲光報(bào)警以及自動(dòng)控制功能的礦井水位監(jiān)控裝置。利用分站進(jìn)行組網(wǎng)，進(jìn)行模擬信號(hào)接收、數(shù)字信號(hào)處理，并通過聯(lián)網(wǎng)通信將數(shù)據(jù)傳輸至主站進(jìn)行集中處理并實(shí)施監(jiān)控。各個(gè)分站之間采用RS48接口進(jìn)行通信，地面監(jiān)控中心可以通過以太網(wǎng)接口或者架設(shè)專用通訊線路從監(jiān)控系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)。該套裝置包括一套主站和十套分站，可實(shí)現(xiàn)對(duì)長度2 000m的巷道內(nèi)的積水進(jìn)行集中監(jiān)控，采用站點(diǎn)編號(hào)、沿線報(bào)警、主機(jī)集中控制的設(shè)計(jì)思想，達(dá)到了各個(gè)站點(diǎn)的狀態(tài)識(shí)別、故障查詢、聲光報(bào)警以及自動(dòng)排水的目的，為安全起見，對(duì)該套裝置進(jìn)行了防水設(shè)計(jì)并增加了備用電源自動(dòng)投入功能。本設(shè)計(jì)特別提出了沿線報(bào)警方案，各個(gè)分站將自己檢測到的信息發(fā)送到主機(jī)進(jìn)行分析處理，然后主機(jī)發(fā)送相應(yīng)的命令到各個(gè)分站，當(dāng)某一分站監(jiān)測到故障時(shí)，主機(jī)能將故障信息發(fā)送給沿線所有分站，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)沿線報(bào)警并顯示故障站點(diǎn)，能夠保證工作人員在任何位置處都能夠?qū)崟r(shí)掌握各個(gè)站點(diǎn)的水位情況［3］。

2 系統(tǒng)功能

主機(jī)主要實(shí)現(xiàn)顯示、控制功能，能顯示縱向各點(diǎn)水位（低、高、超高），沿線報(bào)警點(diǎn)位，點(diǎn)位編號(hào)并自動(dòng)確認(rèn)；接收各個(gè)分站的高水位報(bào)警信息后發(fā)出報(bào)警信號(hào)并顯示該點(diǎn)位，同時(shí)輸出高水位報(bào)警信息給各個(gè)分站進(jìn)行報(bào)警；輸出自動(dòng)控制信號(hào)；自動(dòng)記錄并上傳報(bào)警、狀態(tài)、故障信息；主機(jī)帶控制器傳輸距離不小于2 000m，主機(jī)縱向具備并接多個(gè)回路的功能，最低不少于2個(gè)。顯示本點(diǎn)水位（低、高、超高），沿線報(bào)警點(diǎn)位，輸出本點(diǎn)高水位報(bào)警信號(hào)并聲光報(bào)警，本點(diǎn)超高水位控制信號(hào)輸出（開關(guān)量），顯示失電、信號(hào)中斷、傳感器故障等；要具備防水功能；可滿足任意水質(zhì)水位、壓力及流量監(jiān)測；根據(jù)水位信息可自動(dòng)起停排水裝置，進(jìn)行優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)無人化值守，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；可靠監(jiān)測測點(diǎn)水壓信息，判別系統(tǒng)工作狀態(tài)，迅速實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)查詢（如有必要還可配合超聲波流量傳感器，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)協(xié)同識(shí)別）；系統(tǒng)應(yīng)具有斷電后自動(dòng)投入備用電源監(jiān)測功能，保障信息的可靠性；主機(jī)必須具備縱向、橫向聯(lián)機(jī)功能，能實(shí)現(xiàn)信號(hào)上傳，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)之間互不干擾，即一套設(shè)備故障時(shí)不影響其他系統(tǒng)工作；系統(tǒng)具有集中信息上傳下載功能，通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控中心與井下各測點(diǎn)之間信息互傳，可實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測、遙測遙控；地面監(jiān)控使用組態(tài)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、打印等功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主站設(shè)計(jì)

主站控制器是一個(gè)功能齊全、性能穩(wěn)定、運(yùn)行安全的自動(dòng)控制系統(tǒng)，裝置內(nèi)包括：PLC模塊及其外圍輔助電路、電源模塊、RS485接口電路部分、光電轉(zhuǎn)換模塊以及顯示電路部分等。工作示意圖如圖1所示。

選擇2017年5月—2018年2月在本科入住的40例0級(jí)糖尿病足患者,且溫度覺正常者,隨機(jī)均分為兩組,觀察組20例(中藥泡洗聯(lián)合穴位按摩)和對(duì)照組20例(中藥泡洗),兩組間病程、年齡、性別以及并發(fā)癥等均無顯著性差異(P>0.05)。

圖1 主站工作原理框圖

煤礦井下交流127V或660V電源經(jīng)隔離開關(guān)變壓器變壓后輸入到一路開關(guān)電源輸出直流24V供內(nèi)部非本安電路使用，另一路輸入到本質(zhì)安全型輸出電源。電源部分由開關(guān)、變壓器、開關(guān)電源、本安電源構(gòu)成。變壓器一側(cè)的進(jìn)線電源為交流單相127V或660V，2檔可選，輸出為127V。外供的單相127V或660V單相交流電經(jīng)開關(guān)隔離后，進(jìn)入變壓器降壓，降壓后的電壓輸出為交流127V，此后分為兩路，一路進(jìn)入寬范圍輸入開關(guān)電源，得到一個(gè)較為平滑的直流24V電壓，輸出額定電流2A，供PLC的操作按鈕開關(guān)量輸入電路，PLC輸出驅(qū)動(dòng)隔離繼電器電路，觸摸屏顯示模塊，模擬量輸入輸出模塊，以太網(wǎng)模塊、光纖收發(fā)器模塊使用。另一路進(jìn)入本質(zhì)安全型輸出電源的輸入端，經(jīng)整流、濾波、雙重過流過壓保護(hù)輸出，其目的是防止輸出端可能出現(xiàn)的非安全電壓電流而造成輸出電壓瞬間超壓或過流而形成不安全因素。其中電源CSTI具有本質(zhì)安全輸出特性并放置在隔爆腔內(nèi)，構(gòu)成了隔爆兼本安型電源，該電源自帶雙重過流保護(hù)功能并能夠?qū)崿F(xiàn)18V穩(wěn)壓輸出，額定電流是0.9A，可向I類設(shè)備供電。過流保護(hù)值≤1A，過壓保護(hù)值≤18.5V，最大負(fù)載電容2.2μF，最大負(fù)載電感0.1mH，短路電流≤17mA。

3.2 分站設(shè)計(jì)

隔爆兼本安分站主要完成現(xiàn)場采集、通信及控制任務(wù)。隔爆兼本安分站采用單片機(jī)設(shè)計(jì)，經(jīng)過光電隔離后可采集現(xiàn)場200～1 000Hz頻率量水位信號(hào)及1mA到5mA開關(guān)量信號(hào)設(shè)備開停信號(hào)，與外部設(shè)備的通信也采用經(jīng)光電隔離后的RS485通信模式實(shí)現(xiàn)與外部的本安通信，通過繼電器隔離可實(shí)現(xiàn)外部報(bào)警控制。

在煤礦井下水位監(jiān)控系統(tǒng)中，水位監(jiān)控分站是井下監(jiān)控模塊和井上監(jiān)控中心數(shù)據(jù)交換的樞紐，其不僅具有礦用傳感器接口采集水位信息和輸出接口控制水泵的開停，而且具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信功能，可方便地與地面中心站點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和信息交換，而且連接了多種傳感器實(shí)現(xiàn)智能傳輸［4］。各個(gè)站點(diǎn)既能協(xié)同工作又能互不影響，當(dāng)某一站點(diǎn)不能與其他站點(diǎn)正常通信時(shí)仍可以正常進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制水泵開停，進(jìn)入獨(dú)立工作模式。礦用控制系統(tǒng)的分站具有以下功能：

1）基于礦井下的特殊環(huán)境，布置于井下的監(jiān)控分站都配有備用電源，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)供電故障時(shí)，瞬間啟用備用電源，實(shí)現(xiàn)持續(xù)供電，能夠保證系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全。

2）在井下的監(jiān)控分站完全斷電的特殊情況下，重新上電之后，不需要地面監(jiān)控中心進(jìn)行操作啟動(dòng)，分站能夠自動(dòng)恢復(fù)并按照設(shè)計(jì)的流程獨(dú)立進(jìn)行工作。同時(shí)，分站具有紅外遙控功能，能夠通過遙控進(jìn)行初始化。

3）各個(gè)分站都具有自鎖功能。工作人員可根據(jù)礦井下巷道內(nèi)的實(shí)際情況自定義分站的控制邏輯、控制值以及恢復(fù)值，還可以利用紅外傳感開關(guān)進(jìn)行遙控賦值或通過上位機(jī)手動(dòng)賦值。

4）系統(tǒng)采用的微控制器的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大、反應(yīng)速度敏捷，并設(shè)計(jì)了簡潔易懂的人機(jī)界面。同時(shí)支持遠(yuǎn)程中心集控、本地手動(dòng)、無線遙控等多種控制方式。

5）分站根據(jù)巷道內(nèi)各個(gè)站點(diǎn)的水位情況，通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及綜合分析，可自行決定開啟水泵的臺(tái)數(shù)和位置。同時(shí)分站還要相應(yīng)兼顧到水泵的維護(hù)和運(yùn)行狀態(tài)，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

6）專門設(shè)計(jì)的總線通訊接口，可方便連接個(gè)中通信設(shè)備。

水位監(jiān)控分站是一臺(tái)以單片機(jī)為核心的微機(jī)系統(tǒng)，它由主板、顯示板、通信板組成，數(shù)據(jù)采集和控制電路集中在主板上；顯示板用于顯示分站監(jiān)測到的水位參數(shù)及控制量狀態(tài)、電源狀態(tài)、通信狀態(tài)；通信板用于分站與地面中心主機(jī)的RS485通信。

4 結(jié)語

系統(tǒng)可有效解決煤礦巷道內(nèi)積水問題，同時(shí)能夠降低巡視人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，對(duì)保障煤礦的安全生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)煤礦現(xiàn)代化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］ 許世華.礦井水的來源及其防治措施［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2002，29（增刊）：84－88.

［2］ 陳雄，劉俊杰，吳寅，等.礦井水資源化與生態(tài)環(huán)境安全探討［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2004（4）：65－68.

［3］ 桂祥友，馬云東，王文.礦井水資源管理系統(tǒng)的研究［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（4）：466－468.

［4］ 劉守勝，孫秀茹.PLC控制在礦井自動(dòng)排水系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.礦山機(jī)械，2008（20）：97－98.