礦井排水自動化監(jiān)控系統(tǒng)設計分析

摘 要：在礦山生產(chǎn)過程中，礦井排水系統(tǒng)發(fā)揮了十分重要的作用。利用礦井排水系統(tǒng)可將井下涌水排除，從而為礦下作業(yè)創(chuàng)造一個安全、穩(wěn)定的環(huán)境。目前，很多礦井水泵房主要還是采取水位報警與人工操作相結(jié)合的傳統(tǒng)排水模式，水位檢測精度偏低，操作隨意性較大，無法對礦井涌水量進行實時監(jiān)控及科學調(diào)度?；诖?，文章對礦井排水自動化監(jiān)控系統(tǒng)進行了綜合性闡述，并提出了相關設計方案，以供參考。

關鍵詞：礦井排水；自動化監(jiān)控；系統(tǒng)設計

1 礦山井下涌水現(xiàn)象概述

礦井涌水是礦井作業(yè)過程中常見的現(xiàn)象之一，主要是由于礦井巷道采空區(qū)漏水所致，水源則包括地表水、大氣水分及采空區(qū)水等。采礦時，采掘空間可能會造成圍巖應力場發(fā)生改變，導致地下含水系統(tǒng)與圍巖的平衡狀態(tài)受到破壞，產(chǎn)生過水通道，導致股狀水流突破圍巖，涌入礦井當中[1]。這種突發(fā)性涌水現(xiàn)象，水壓較高且水量較大，維持時間較長，會給礦井帶來嚴重危害。若涌水現(xiàn)象較為嚴重，將會導致表土層、中砂層水疏干而引發(fā)地表不規(guī)律下沉，甚至造成地表塌陷，對附近建筑、道路、農(nóng)田等均可能產(chǎn)生破壞，造成人員傷亡。因此，在礦井作業(yè)時，必須做好相應的排水工作，并構建出一個完整的礦井排水系統(tǒng)，以保證礦井開挖的安全性，為企業(yè)經(jīng)濟效益提供保障。

2 系統(tǒng)需求目標分析

從國內(nèi)大部分礦井水泵房情況來看，水位檢測控制主要還是依靠傳統(tǒng)方法，利用超限報警裝置配合人工操作進行排水。這種傳統(tǒng)方法應急性較差且自動化程度較低，需要人工現(xiàn)場操作，存在較多潛在性安全風險。隨著礦井開采規(guī)模的不斷加大，這種傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法滿足實際應用需求[2]。而自動化排水管理系統(tǒng)的出現(xiàn)讓上述情況得到了很大的改觀，在提升礦井作業(yè)安全性的同時，也提升了礦井生產(chǎn)效率，降低了排水能耗，并起到了節(jié)約成本的作用。

從系統(tǒng)需求方面來看，礦井排水自動化監(jiān)控系統(tǒng)可對各臺設備運行狀態(tài)信息進行整合性管理、分析，主要包括液位信息及溫度信息。通過中央控制系統(tǒng)可對水泵房運行狀態(tài)進行分析，并實現(xiàn)自動控制。系統(tǒng)可對水流、數(shù)量等數(shù)據(jù)進行采集、分析，以對水泵開機、停機進行調(diào)控。若水倉水量超過闕值時，系統(tǒng)便會調(diào)動水泵進行排水作業(yè)，實現(xiàn)無人自動化排水。另外，系統(tǒng)除了具備排水控制功能外，還具備了一定輔助功能。例如，系統(tǒng)具備了基礎數(shù)據(jù)管理功能，可用于數(shù)據(jù)采集點、邏輯模型及控制數(shù)據(jù)維護，進一步降低了系統(tǒng)故障率；系統(tǒng)具備了人員管理功能，可將相關人員信息輸入于系統(tǒng)當中，對人員進行合理分配，并且系統(tǒng)會將用戶權限賦予相關人員，保證系統(tǒng)操作的安全性。

3 系統(tǒng)設計分析

3.1 系統(tǒng)整體架構

系統(tǒng)整體架構主要包括四個部分：（1）地面控制中心。地面控制中心是整個自動化監(jiān)控系統(tǒng)的樞紐，其中包括操作系統(tǒng)軟件、組態(tài)軟件及數(shù)據(jù)庫等部分。（2）水泵房監(jiān)控裝置。水泵房監(jiān)控動態(tài)主要由電控箱、模擬量檢測模塊、開關量檢測模塊及操作臺構成。模擬量檢測模塊中又含有模擬量傳感器、數(shù)字量傳感元件、電纜及相關附件。（3）遠程控制網(wǎng)絡。遠程控制網(wǎng)絡由以太環(huán)網(wǎng)所構建。水泵房監(jiān)控平臺利用遠程控制網(wǎng)絡與地面監(jiān)控中心相連接，并可實時通訊，以實現(xiàn)遠程操控。（4）執(zhí)行機構。執(zhí)行機構主要包括閥門控制箱與高壓啟動器，其控制對象主要包括高壓電機與電動閥門。

3.2 子模塊設計分析

礦井排水自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括以下模塊：

（1）模擬量檢測模塊。模擬量檢測模塊當中含有各類模擬量傳感器，具體包括功率變送器、電流傳感變送器、溫度傳感變送器、流量傳感變送器及水位傳感變送器。利用這些傳感器可對主排水系統(tǒng)的各種模擬量參數(shù)進行檢測，以獲取水位、主排水管路流量、水泵運行電流、水泵溫度、電機溫度計及電能損耗等信息[3]。模塊獲取這些信息后將其傳遞至系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，以判斷模塊是否正常工作。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)達到預設值范圍或達到臨界闕值，便會由系統(tǒng)對相關設備進行調(diào)控，以保持正常排水狀態(tài)。

（2）開關量檢測模塊。開關量檢測模塊主要檢測對象為排水泵高壓柜中的相關設備開關，包括真空斷路器、真空接觸器、電動閥等設備的開關，還可對真空泵工作狀態(tài)進行檢測。所得到的數(shù)據(jù)也會反饋至分析模塊進行判斷。利用開關量檢測模塊可判斷開關是否正常工作，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)或信號異常，系統(tǒng)會采取保護措施，重啟開關或?qū)㈤_關信號接入PLC。

（3）液位信息模塊。液位信息模塊主要是對水倉液位、排水管流量等信息進行采集、分析，并可將相關數(shù)據(jù)整合為曲線，以便于用戶觀察實際排水狀況[4]。考慮到礦井排水現(xiàn)場環(huán)境較為特殊，水體渾濁度較高，如果只是使用一般的接觸式傳感器，礦井水體易造成探頭損壞。因此，應選用超聲波液位傳感器對液位信息數(shù)據(jù)進行采集。該類型傳感器不僅測量精度較高，而且安裝便捷、輸出信號較為穩(wěn)定，在井下環(huán)境中具有良好的適用性。

（4）溫度采集模塊。通過溫度信息可將水泵的工作狀態(tài)反映出來，以判斷水泵是否處于良性狀態(tài)。溫度采集模塊主要負責水泵溫度信息采集，并可進行實時監(jiān)控，具備了預警功能。此模塊先會采集溫度信息數(shù)據(jù)，并將其傳遞至系統(tǒng)進行分析，若發(fā)現(xiàn)溫度值超過正常范圍，則會由系統(tǒng)發(fā)出警報，并將異常溫度信息反饋至用戶，以便于及時調(diào)整水泵工作狀態(tài)，保證水泵正常運行[5]。溫度采集模塊當中，溫度傳感器選用鉑電阻，其電阻值能跟隨溫度變化而發(fā)生改變，性能較為穩(wěn)定，靈敏性好，且具備較高的精度。

（5）數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析模塊在整個礦井排水自動化監(jiān)控系統(tǒng)起到了中樞作用，可對各類采集數(shù)據(jù)進行分析，以此來判斷水泵具體運行狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息異常，則會引導系統(tǒng)調(diào)試，直至系統(tǒng)恢復至正常工作狀態(tài)為止。

（6）開停機模塊。開停機模塊是系統(tǒng)的執(zhí)行模塊。數(shù)據(jù)分析模塊對采集信息進行分析后，便會將相關指令發(fā)送至開停機模塊，開停機模塊便可根據(jù)排水系統(tǒng)實際運行狀況，對泵開關進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)開、停機動態(tài)化監(jiān)控，讓系統(tǒng)始終保持良性運行狀態(tài)。

（7）數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成，其會對所有采集信息數(shù)據(jù)進行整合，并為相關操作執(zhí)行提供基礎。

整個系統(tǒng)以PLC為基礎，并在PLC上添加了一個以太網(wǎng)模塊。利用以太網(wǎng)模塊可將設備信息、運行狀態(tài)信息、故障信息等設備模擬量及開關信息數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至地面控制中心，而地面控制中心可將相關反饋指令通過以太網(wǎng)傳輸至PLC，即完成指令調(diào)控。

4 結(jié)束語

利用礦井排水自動化監(jiān)控系統(tǒng)可實現(xiàn)排水自動化操作，為排水泵安全運行提供基礎，有利于促進企業(yè)安全生產(chǎn)，為企業(yè)整體效益提供保障。

參考文獻

[1]王盛杰，李小喜，許春雨.礦井主排水自動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)[J].中國礦業(yè)，2014（12）：147-151.

[2]李順，巨明偉.基于PLC的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].工礦自動化，2011（10）：89-91.

[3]李春華，夏國良，魏超全.礦井排水智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構設計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2014（1）：57-59+63.

[4]寇彥飛，楊潔明，寇子明.基于安全節(jié)能的礦井自動化排水控制系統(tǒng)設計[J].煤炭工程，2016，（1）：31-34.

[5]于圣濤.淺談礦井排水自動化監(jiān)控系統(tǒng)的應用[J].科協(xié)論壇（下半月），2013（9）：53-54.