具有故障自診斷功能的礦井節能排水控制系統

魏晶

(大同煤礦集團 軒崗煤電有限責任公司， 山西 大同 037000)

0 引言

水災事故是我國煤礦最嚴重事故之一，尤其是特別重大的水災事故，每年都會導致大量人員傷亡與財產損失。水災事故是僅次于瓦斯事故的、造成群死群傷煤礦事故的第二大殺手[1]。由于水災事故相對多發[2-3]、應急救援難度大以及事故后恢復生產困難等特點，長期以來，很多專家、學者對煤礦的水災事故原因與預防進行了研究,其中通過工程技術方法來改進設備、提高系統的安全性，是預防水災事故的主要技術手段之一，這種技術手段在實際應用中占了很大比重。文獻[4]實際應用了“無底閥水泵自動排”設施，文獻[5]介紹了計算保安煤柱距離的同時設計了雙套管探放水技術和水桿分離器裝置。

礦井排水系統是煤礦生產的四大件之一,擔負著將井下源源不斷的積水排出的重要任務,安全可靠的礦井排水系統是礦井工作人員的生命安全和煤礦安全生產的重要保障。本文提出一種具有故障自診斷功能的礦井節能排水控制系統,可達到優化礦井自動排水控制系統結構、提高節能效果、提升系統可靠性的目的。

1 礦井節能排水控制

1.1 主要組成

本系統主要由上位機監控系統、S7-300 PLC控制器、ET200分布式IO工模塊、排水設備系統、信號實時采集與處理系統和故障診斷與優化系統等幾個模塊組成。其中，信號采集與處理系統包括信號隔離與處理單元、震動傳感器、閘閥上端管路壓力傳感器、閘閥下端管路壓力傳感器、泵腔負壓傳感器、超聲波液位傳感器和浮球式液位傳感器；故障診斷與優化系統包括采集板卡、通信板卡和Labview故障診斷軟件平臺；排水設備系統包括電動機、排水泵、電動閘閥、抽真空電磁閥和射流電磁閥。

1.2 各模塊之間的連接方式

上位機監控系統通過PROFIBUS接口與PLC控制器相連；PLC控制器通過PROFIBUS接口與分布式IO模塊相連；信號采集與處理系統中的信號隔離與處理單元輸入端分別與震動傳感器、閘閥上端管路壓力傳感器、閘閥下端管路壓力傳感器、泵腔負壓傳感器、超聲波液位傳感器和浮球式液位傳感器相連；故障診斷與優化系統采集板卡的輸入端與信號隔離與處理單元的輸出端相連，通信板卡與PLC控制器通過總線方式相連；排水設備系統中的電動機、排水泵、電動閘閥、抽真空電磁閥和射流電磁閥的控制端子分別連接到分布式工IO模塊的輸入輸出端上。

2 系統工作原理及工作過程

2.1 工作原理

該系統的結構原理如圖1所示。

圖1 系統結構原理

信號采集與處理系統同時使用超聲波液位傳感器和浮球式液位傳感器監測水位,超聲波水位傳感器用于檢測實時水位信號,以計算水位變化率,浮球式液位傳感器用于檢測上下極限水位和關鍵水位,雙傳感器冗余檢測,以提高系統可靠性。

泵腔負壓傳感器用于射流抽真空過程中檢測水泵泵腔真空度,判斷水泵是否可以正常自吸排水,以控制電動機的啟動時機。

電動閘閥接于水泵出水口管路上,上下方均設置有壓力傳感器,在水泵電動機啟動后,在判斷出水口壓力大于閘閥上方管路壓力的條件下,打開電動閘閥進行正常排水,以避免因出水口壓力不足造成的水錘事故。

電動機、水泵、管路上均布置震動傳感器采集震動頻率,震動頻率經采集板卡進入故障診斷與優化系統與典型故障震動頻率特征信號進行比對分析,進行故障診斷,診斷結果通過總線傳輸給控制器,控制器響應執行相應的安全動作輸出,保證系統安全。

2.2 工作過程

PLC根據當前水位、水位變化率、當前時間和階梯電價時間綜合分析處理后,決策開啟排水系統進行排水時,PLC控制通過總線將啟動命令傳輸給分布式IO模塊,分布式IO模塊輸出具體控制信號,打開射流電磁閥和真空電磁閥,進行抽真空過程,通過泵腔負壓傳感器檢測泵腔內部真空度,當真空度達到設定值后,PLC控制器輸出信號控制電動機啟動運行,水泵正常吸水同時關閉射流電磁閥和真空電磁閥,并通過電動閘閥下方管路壓力傳感器檢測水泵出水口壓力,通過與閘閥上方管路壓力傳感器的值相比對,在下方壓力傳感器的值大于上方壓力傳感器的值時,再開啟電動閘閥,接通出水管路,進行正常排水。

3 故障診斷過程

1) 參數設定與優化過程。各傳感器信號通過信號隔離與處理單元進入故障診斷與優化系統,故障診斷與優化系統結合當前的實時傳感器信號,結合歷史積累的季節性水文記錄進行處理,推測未來一段時間內的水位變化量和變化趨勢,制定開啟水泵進行排水的水位和水位變化率的參數值,并將此參數值通過總線傳輸給PLC控制器,作為決策開泵排水的依據。

2) 故障診斷與處理過程。將當前狀態信號、壓力信號、震動頻率信號等通過采集板卡輸入故障診斷與優化系統,故障診斷與優化系統的Labview軟件將數據與典型故障震動頻率特征信號進行比對分析,診斷結果通過總線傳輸給PLC控制器,PLC控制器按照預先設定好的故障應對策略,響應執行相應的安全動作邏輯輸出,保證系統安全。

4 結論

本故障自診斷功能的礦井節能排水控制系統能根據實時的檢測數據和歷史記錄,自動優化關鍵控制參數,并傳輸給控制器作為控制依據,不僅能優化礦井自動排水控制系統結構、提高節能效果,而且可以在系統運行過程中進行故障自診斷,并根據診斷結果自動執行相應的應對方案,提升系統的可靠性。通過實際應用表明,該排水控制系統已取得了良好的效果。