井下排水自動化監控系統

石國峰

摘 要：礦山井下作業時，排水系統具有重要作用，能創造安全穩定的開采環境，基于信息技術下設計一套自動化監控系統，成為學者的重要研究課題。文章介紹了井下排水監控的現狀和意義，分析了自動化監控系統的組成和功能，闡述了系統模塊設計，以供參考。

關鍵詞：井下排水；意義；自動化監控；模塊設計

中圖分類號：TD636 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0099-02

Abstract： The drainage system plays an important role in underground mine operation and can create a safe and stable mining environment. It has become an important research topic for scholars to design an automatic monitoring system based on information technology. This paper introduces the present situation and significance of underground drainage monitoring and control， analyzes the composition and function of automatic monitoring system， and expounds the design of system module for reference.

Keywords： underground drainage； significance； automatic monitoring； module design

礦井涌水是常見的事故之一，分析其原因，主要是巷道采空區漏水，水源除了采空區水以外，還包括地表水、大氣水等。礦體開采過程中，會改變圍巖應力場，打破了圍巖和地下水之間的平衡狀態，繼而形成過水通道、出現涌水事故。自動化監控系統的應用，可以對井下排水進行監測和預警，避免發生涌水事故，保證井下作業的安全性。以下對此進行探討。

1 井下排水自動化監控系統的組成和功能

1.1 系統組成

以PLC技術為依據，井下排水自動化監控系統的結構如圖1所示，主要包括兩個系統：一是水泵組控制系統，二是視頻監控系統。系統結構分為上下兩個部分，其中工控機在上、PLC在下，具體到控制系統的組成，包括：（1）工控機；（2）編程控制器；（3）溫度/壓力/振動/液位變送器；（4）EPS電源柜；（5）集中控制柜；（6）電動閥門。利用光纖信號，各種設備的運行數據可以傳輸到上一級。在水泵控制系統中，由檢測、控制、執行三個部分組成；在視頻監控系統中，由服務器、硬盤、網絡終端及各種設備（攝像、傳輸、顯示、存儲）組成。

1.2 系統配置

在軟件配置上，監控操作系統使用的是Window Professional，編程軟件使用的是STEP7，組態軟件使用的是WINCCV，數據庫使用的是SQLserver。在硬件配置上，PLC屬于S7-300系列，系統電源是EPS系統，變送器則沒有具體要求。監控系統的運行，分為以下三種模式：一是就地手動運行，根據水倉內的水位高低，利用手動控制柜對水泵進行啟動或停止。二是遠程手動運行，工作人員經授權后，可以使用計算機對水泵遠程控制，確定處于啟動狀態還是停止狀態。系統運行期間，可以采集現場排水參數，將設備運行狀態傳輸到調度室，實現統一管理。三是全自動運行，PLC實時監測水倉內的水位變化，結合水泵運行參數，確定啟動還是停止。

1.3 系統功能

（1）地面監控站。地面監控站能采集現場監測參數，和PLC之間保持實時通信狀態，然后記錄并顯示運行數據，為運行決策提供依據。

（2）現場控制站。現場控制站的功能較多，具體如下：監控各個子系統，保證系統正常運行；采集水泵的出水壓力，并調整電機的運行參數；采集水泵進水口的真空度，評估電機的運行狀態；采集開關部位的運行參數；通過就地控制箱，對系統運行進行調整等。

（3）視頻系統。視頻系統的應用具有以下特點：a. 結構靈活，擴展性強，直接利用網絡傳輸信息；b. 數字攝像機的可靠性高，不會受到外界干擾，對于攝像距離沒有限制；c. 工作人員獲得授權后，通過客戶端可以進行錄音、攝像，并查詢歷史數據，且沒有時間、空間的限制；d. 能定時錄像，針對過期影像資料定期自動清理；e. 支持錄像文件的切換與輸出，利用網絡客戶端，可以和主機同步進行錄像、播放等。

（4）輪換功能。水泵在長時間運行后，可能發生故障影響運行效率，對此系統內設計了自動輪換功能，可以記錄水泵的運行時間，決定開機順序，確保每一臺水泵都能夠工作，且工作時間相對均衡，從而延長水泵的使用壽命。

（5）自動控制。水泵在啟動之前，首先應該保證處于滿水狀態，利用真空度判斷灌水程度，當真空度指標達到特定值，水泵才能正常啟動；如果真空度不達標，說明水泵內有空氣，由于不能正常上水，會導致內部元件燒毀。水泵在運行時，運行狀態是否正常，依靠真空度、水流量、出水壓力三個數據判斷。

（6）故障警報。系統中裝設了震動檢測設備，一方面能加快檢測速度，另一方面可以提高數據傳輸能力，增強抗干擾能力。水泵一旦出現運行故障，系統就會發生聲光警報，提示工作人員及時維修；同時也會將警報信號顯示在工控機、觸摸屏上，對故障信息進行記錄保存。

1.4 應用優勢

（1）系統可靠。將就地控制、遠程控制結合起來，利用最佳程序實現系統的啟動或停止。即使因故障導致通訊信號切斷，也能夠從自動控制轉變為就地控制，不會影響系統的正常運行。而且，可以對各個子系統進行全方位監控，例如電機、水泵、啟動柜、真空系統等，一旦發生異常就會發出預警，避免造成嚴重的后果和損失。

（2）技術先進。技術上實現了兩個轉變：一是利用光纖環網通訊技術，取代了總線傳輸技術，能提高數據傳輸的效率和安全性；二是利用組態軟件控制技術，取代了NET編程技術，提高了系統的可靠性和通用性，為二次開發擴容提供了有利條件。

（3）運行經濟。在水泵的啟動算法上，利用了電價計算避峰填谷原則，保證水泵的能耗更加經濟。水泵運行期間，系統會記錄具體的運行時間，以及啟動時間最短的水泵，可以避免一臺水泵重復工作，保證所有水泵均勻磨損。另外，利用水位啟動、停機水位、水位報警等功能，保證水倉內的水位始終處于合理范圍，降低水泵的啟動頻率。

2 自動化監控系統的模塊設計

2.1 模擬量檢測模塊

該模塊中包含了多種傳感變送器，涉及電流、溫度、功率、水位等要素，可以檢測排水系統的模擬參數，了解水位高低，明確排水流量、水泵溫度、電能損耗等指標。通過這些信息的采集、分析，能判斷出模塊是否正常運行，一旦達到臨界值或超過預設值，系統就會調控設備，保證處于正常的排水狀態。

2.2 開關量檢測模塊

該模塊的檢測內容，主要是水泵高壓柜中的設備開關，例如真空斷路器、電動閥、真空接觸器等，此外還能檢測真空泵的運行狀態。采集數據信息后，通過分析了解開關是否正常工作；一旦數據信號異常，系統會采取保護措施，例如重啟開關，或者將開關信號、PLC連接在一起。

2.3 液位信息模塊

該模塊能采集水倉水位、排水流量信息，對數據分析后形成曲線，幫助工作人員了解排水情況。由于礦井作業環境惡劣，水源比較渾濁，使用普通的接觸式傳感器，會加快探頭損耗。對此，系統采用了超聲波液位傳感器，不僅測量精準度高，而且方便安裝，能輸出穩定的信號，能適應井下環境。

2.4 溫度采集模塊

該模塊能反映出水泵的工作狀態，不僅能采集水泵溫度信息，實現實時監控，還具備預警功能。首先模塊分析采集到的溫度數據，如果超過正常溫度范圍，就會發出警報，將信息反饋給工作人員。然后工作人員進行調整，促使水泵恢復正常運行。其中，鉑電阻的精度高，能準確反映出溫度變化。

2.5 開停機模塊

該模塊是系統的執行模塊，對信息采集分析后，系統會將指令傳輸給開停機模塊，依據排水系統的運行現狀，對水泵開關進行調節，促使系統良性運行。

2.6 數據庫模塊

該模塊是監控系統的核心，主要是對各類數據信息進行整合、保存，為各種操作執行提供依據。為了保證該模塊的安全性，應該設置訪問權限，并且對數據信息進行備份。

3 結束語

加強井下排水監控，能提高井下作業的安全性，排水自動化監控系統的應用，具有系統可靠、技術先進、運行經濟的優勢。該系統的設計，主要包括模擬量檢測、開關量檢測、液位信息、溫度采集、開停機、數據庫六個模塊，希望為類似工程提供經驗，促進礦山企業的健康發展。

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