黔金煤礦井下水泵房遠程集控系統

摘 要：目前貴州大多礦井水泵房仍然采用傳統的人工操作排水方式，存在很大的安全隱患。黔金煤礦從水泵房生產實際出發，針對現有排水系統的弊端，利用以西門子PLC為核心的監控分站、保護傳感器、液位檢測裝置和音視頻對講云臺攝像儀對原有的排水系統進行改造，使井下水泵房遠程集控系統能夠根據實時水位及水泵運行時間，結合用電“避峰就谷”原則，按照“輪班工作制”自動啟動與停止水泵，實現了井下泵房排水的自動化控制和地面遠程集控。

關鍵詞：煤礦泵房；可編程控制器；音視頻

中圖分類號：TD442.2；TD67 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）11-0158-03

Remote Control System of Water Pump Room of Qianjin Coal Mine

CAO Guangxu1，REN Yongli1，HE Guangqiang2

（1.Qianxi Jin Po Coal Industry Co.，Ltd.，Bijie 551519，China；

2.Huayang Communications Technology Co.，Ltd.，Xuzhou 221116，China）

Abstract：At present，most of the pumping stations in Guizhou still use traditional manual operation and drainage methods，and there is a great potential safety hazard. In view of the disadvantages of the existing drainage system，the existing drainage system is reformed by using PLC control cabinet，protection sensor，liquid level detection device and audio-video camera，so that the remote set control system of the well sewer house can be rooted in the real-time water level and the running time of the pump. The remote centralized control system of underground pump house can automatically start and stop the pump according to the real-time water level and the running time of the pump，the principle of “avoiding peak and valley” and the principle of “working in shifts”，thus realizing the automatic control of underground pump house drainage and the remote centralized control of the ground.

Keywords：coal mine pumping station；programmable logic controller（PLC）；audio and video

0 引 言

目前貴州大多礦井水泵房仍然采用傳統的人工操作排水方式，這種排水系統由于自動化程度低，應急能力差，無法做到根據水位或其他參數自動開停水泵，存在很大的安全隱患。2017年貴州出臺了《省人民政府關于煤炭工業淘汰落后產能加快轉型升級的意見》（黔府發[2017]9號），目標之一就是智能機械化水平要顯著提升[1]。黔金煤礦從煤礦排水生產實際出發，針對現有排水系統的弊端，結合現代工業技術和控制理論，利用PLC控制柜、保護傳感器、液位檢測裝置和音視頻對講云臺攝像儀對原有的排水系統進行改造，使井下水泵房遠程集控系統能夠根據實時水位及水泵運行時間，結合用電“避峰就谷”原則，按照“輪班工作制”自動啟動與停止水泵，系統實現了井下泵房排水的自動化控制和地面遠程集控。地面集控室操作人員能夠通過上位機監視水泵房相關設備的實時工況，能夠在操作界面調用音視頻云臺攝像儀器，進行變焦、變倍操作，多角度視頻監控；利用音頻對講功能能夠和現場巡檢人員迅速溝通。系統的控制方式能夠在就地控制、檢修控制、自動控制、遠程控制等方式之間自由切換。系統的建設提高了水泵有效利用率，節約了電能，大大降低了生產成本；有效地保護水泵電機等設備，延長使用壽命，減少事故停機時間，提高排水能力。

1 系統結構及實現

系統主要由現場設備、監控分站、上位機、就地操作臺、顯示屏、電動閘閥、電磁閥和傳感器、攝像儀、系統軟件等組成。

1.1 地面集控中心

本部分主要由系統主機、上位機軟件、打印機、報警裝置組成，配置主備兩臺系統主機。上位機采用成熟的工業控制組態軟件，通過界面及功能設計來完成整個系統的動態、實時參數的采集顯示，動態圖形顯示，歷史數據記錄及語音報警、狀態趨勢圖等諸多功能；能遠程自動或單機方式控制主排水泵的啟動、運行、停止，并能實現對水泵視頻監控的嵌入。當系統產生報警信息時，地面的報警裝置自動語音播放，提醒操作人員。系統還可通過以太網接口及OPC協議與全礦綜合自動化網絡連接，實現信息共享。

1.2 現場設備

系統現場主要由監控分站、本安操作臺、示屏（嵌裝）、高爆開關、音視頻對講云臺攝像儀、應急手動控制裝置、電動閘閥、電動球閥、射流系統、傳感器等組成。

監控分站主要由可編程控制器（PLC）、信號變送器、中間繼電器等組成[2]，完成對信號的接收、放大、運算、判斷發出各種指令，監控水泵的運行工況，實現遠程控制和根據現場水位及其他信號自動控制。

本安操作臺主要由顯示屏、按鈕、邏輯運算模塊組成，就地顯示水泵運行工況，通過給監控分站發送信號的方式控制水泵、閘閥、球閥，實現系統的檢修和就地集中控制。

水泵電機由現場的高爆開關供電和控制，高爆開關有電壓斜坡、電流閉環控制、轉矩閉環控制、功率閉環控制、速度閉環控制等功能。同時對水泵運行時的電流、電壓、頻率、功率因數、有功功率、無功功率、電度、運行時間、熱過載程度、RTD溫度進行監視。

音視頻對講云臺攝像儀主要實現泵房內的視頻監控及無人值守時與現場巡檢、檢修人員雙向對講。

閘閥和球閥作為系統的輔助設備，開啟水泵前通過對球閥操作，啟動射流系統，將水泵內的氣體抽出，保證水泵內注滿水，防止水泵空轉，同時水泵啟動后當泵體內壓力達到預設壓力時才將電動閘閥打開，降低水泵啟動階段的電流，減少倒流水對水泵的沖擊。

現場傳感器主要包括水位傳感器、正負壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、開停傳感器、到位開關等，完成水泵各類參數的采集和處理，包括電流、溫度、流量、壓力、真空度等，實時顯示水泵的運行狀態。

1.3 數據傳輸

采取了工業現場總線/智能設備相結合的基于交換式工業以太網的煤礦工業控制網絡模型[3]，放置在水泵房內的監控分站與就地操作臺、顯示屏及現場的高爆開關內的綜合保護器之間的通訊采用總線通訊，監控分站與現場電動閘閥、電磁閥和傳感器采用硬接線連接，實現設備狀態采集及控制，監控分站、攝像儀、上位機之間采用礦井工業以太網實現數據傳輸。

1.4 視頻巡檢及語音對講

考慮系統投入后泵房自動控制和無人值守的需要，在泵房內安裝了兩套200W像素，20倍變焦，360度旋轉監視，自帶64個預置位，云臺自動巡航，具備雙向對講、報警輸出功能的礦用本安型球型攝像儀。攝像儀根據預先設置的監視點定時自動進行巡航監測，發現異常輸出報警，地面人員可以調看錄像，找出異常點。此時可以調出攝像儀的操作界面，利用云臺調整攝像儀角度，利用變焦功能調整畫面大小，觀察故障點的實際情況，安排人員巡查檢修。若地面操作人員需要和現場檢修人員溝通，可以直接在集控界面上點擊通話按鈕，實現雙向對講。井下檢修人員可以直接在檢修地點和地面人員溝通，而不用再走到井下的調度電話處，使交流更為順暢。同時，井下檢修時，地面人員可以操作攝像儀將圖像調整為最佳角度和最佳倍率，實時觀察檢修點情況，提醒現場人員注意安全；觀察傳感器反饋，輔助檢修人員。視頻巡檢及語音對講功能的實現大大提高了系統的安全性和可用性。

2 系統控制方式

水泵房集控系統可以選擇的控制模式有：自動控制、檢修控制、就地控制、遠程控制。系統在任何工作方式下，泵房現場的各種運行參數、設備狀態均通過工業以太網傳到地面監控計算機。

2.1 自動控制

根據水倉水位，PLC按照設定參數，自動選擇運行水泵，并按照控制流程，完成單臺或多臺水泵的開停。下位機在自動控制模式中，可以脫離上位機的通訊仍能正常運行。

2.2 就地控制

系統設置為就地模式時，根據一臺水泵的啟停控制流程，程控水泵的啟動與停止，實現一鍵啟/停。

2.3 檢修控制

控制臺上的切換開關和控制按鈕，啟停任何一臺設備或多臺設備。

2.4 遠程控制

系統設置為遠程模式時，在地面計算機監控畫面上，授權人員登錄后，根據水倉水位情況、水倉液位變化速率，通過計算機來控制相應水泵的啟停。

3 系統遠程集控流程

為了確保系統的安全可靠運行，系統在遠程集控時遵循以下流程：

3.1 指令下發前狀態判斷

系統接收到開泵請求后，系統后臺判斷液位的高度是否達到，液位變化率是否正常，待開水泵供電是否正常，配套設施是否正常，水泵的狀態是否正常，是否在規定的時間段內。上述指標均滿足時，系統下發啟動指令給PLC。

3.2 啟動

系統接收到開泵命令后，將自動選定排水管路、射流管路和待開水泵。首先打開射流閥門抽真空，監測真空表，當發現泵體內水已經充滿時，啟動電機，同時關閉射流閥。此時監測泵體內的壓力變化，當壓力值達到預設壓力時，打開出水口電動閘閥，閘閥開度100%時，停止電動閘閥。

3.3 運行監測

水泵在運行（包括啟動）期間，應進行實時監測，發現問題及時采取措施。監測內容主要有：監測電壓、電流情況，系統工藝要求電壓波動不得超過額定值的正負5%，電流不得超過報警值；監測壓力、真空和流量指示的變化情況，不得出現跳變現象；監測水倉水位的變化情況，若水泵開啟后，液位仍持續上升，此時要求開啟第二臺水泵；監測水泵的震動情況，當發現水泵不上水或者電機超溫時系統會采取應急停泵措施。

3.4 正常停泵

當水倉水位低于下限水位時系統會自動停止運行水泵。首先關閉出水管路電動閘閥，然后關閉水泵出水口電動閘閥，待閥門關閉到位后，停泵。

3.5 故障停泵

當發生故障時，系統將根據故障類型和程度，自動調用相應的程序自動停止運行水泵，并分析當前水倉液位情況，確認是否開啟另一臺水泵。

4 系統功能

4.1 保護功能

保護功能主要包括電壓異常報警、電流異常報警、流量保護、壓力異常保護、電動閘閥故障保護、水位超限及水位傳感器故障報警、水位突變報警、排水量異常報警、溫度異常報警、震動異常時報警。

4.2 故障停泵功能

當系統異常狀況達到停泵條件時，系統將自動停泵，等待維修，且“故障復位”按紐未復位前，當前水泵將無法啟動。

4.3 水泵自動輪換功能

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其他故障未經及時發現，當工作泵出現緊急故障需投入備用泵時，而不能及時投入以致影響礦井排水安全，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，系統根據這些運行參數按一定規律自動啟停水泵，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故障時，系統自動停止故障水泵，投入新的水泵排水，實現水泵自動輪換工作，延長水泵的使用壽命。

4.4 控制功能

系統具有自動控制、檢修控制、就地控制、遠程控制四種控制功能。

4.5 監測功能

地面控制中心能通過以太網絡遠程監控各個水泵的運行情況及主要的運行參數，就地利用顯示屏顯示水泵的運行情況及主要參數，系統通過圖形動態顯示水泵、真空泵、電磁閥和電動閘閥的運行狀態，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，實時顯示水泵及附屬設備的運行情況及參數。

4.6 遠程調試功能

可以地面遠程設定和修改水泵的運行條件、工況參數和控制程序。

4.7 報警功能

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各管路的瞬時流量及累計流量、水泵軸溫、電機溫度等動態值，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。

4.8 數據共享功能

系統能與礦井綜合調度系統無縫連接，實現數據的共享。

4.9 視頻巡檢功能

攝像儀可以根據預先設置的監視點自動進行巡航監測，發現異常自動報警，自帶語音對講功能。

5 結 論

黔金煤礦井下水泵房遠程集控系統的實施，實現了在井下水泵的地面遠程控制并具備自動運行功能，完成了智能化建設的一小步，對降低工人勞動強度、減人提效及提高黔金礦的信息化水平都起到了積極作用，提高了黔金煤礦的安全生產水平。系統投運后，滿足了黔金煤礦的實際需要，效果良好。

參考文獻：

[1] 貴州省人民政府.省人民政府關于煤炭工業淘汰落后產能加快轉型升級的意見 [J].貴州省人民政府公報，2017（7）：28-44.

[2] 李洋.林南倉礦井下泵房無人值守自動化控制系統 [J].煤礦機械，2010，31（7）：138-140.

[3] 李世銀，錢建生，孫彥景，等.煤礦工業以太網網絡模型研究及應用 [J].華中科技大學學報（自然科學版），2007（S1）：213-216.

作者簡介：曹光緒（1985-），男，河南開封人，助理工程師。從事煤礦機電、自動化系統的管理工作。