KJ164 煤礦排水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 鵬

（大同煤礦集團(tuán)白洞礦業(yè)公司， 山西 大同 037001）

1 KJ164 煤礦排水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

大同煤礦集團(tuán)白洞礦業(yè)公司C5 號(hào)層主排水泵房擔(dān)負(fù)著將全礦井井下水排至地面的重任，布置有主、副水倉(cāng)，主副水倉(cāng)容積均為1 200 m3，通過一定高度的連通渠在吸水井處將主副水倉(cāng)聯(lián)通；主水倉(cāng)設(shè)置有兩個(gè)吸水井，吸水井底部通過連通渠直接相連；水泵房布置有3 臺(tái)水泵，水泵型號(hào)為MD280-65×7，水泵額定排水量280 m3/h；配套電機(jī)型號(hào)為YB2-4503-4，電動(dòng)機(jī)功率為630 kW；水泵房設(shè)有兩趟Φ200 排水管路，通過主排水泵房管子道、930 材料暗斜井、東404 聯(lián)絡(luò)巷及主立井排至地面礦井水處理廠。根據(jù)大同煤礦集團(tuán)公司智能化礦井的要求，為實(shí)現(xiàn)主排水泵房的無(wú)人值守，經(jīng)公司領(lǐng)導(dǎo)研究決定在C5 號(hào)層主排水泵房安裝KJ164 煤礦排水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)過2 年的使用，證明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主排水泵房無(wú)人值守功能，并且在地面控制機(jī)室將數(shù)據(jù)報(bào)表打印出來(lái)，用以分析水泵運(yùn)行情況及井下排水量變化情況，對(duì)指導(dǎo)和預(yù)防井下水災(zāi)具有一定意義。

2 KJ164 煤礦排水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理及功能

2.1 系統(tǒng)工作原理

KJ164 煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)的主站系統(tǒng)是基于B/S/C（browse/sever/client）三層結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其組成大致分為井下水泵控制站以及地面操作站兩部分，二者之間采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)相互連接[1]。其中PLC 控制為主站控制器，主要作用是對(duì)排水泵、管道閥門、水倉(cāng)水位、電動(dòng)機(jī)等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化控制與監(jiān)測(cè)，依據(jù)水泵運(yùn)行期間參數(shù)變化、水倉(cāng)水位變化、閘閥狀態(tài)及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵運(yùn)行的科學(xué)控制。而以太網(wǎng)模塊是井下水泵控制站進(jìn)行傳感器、控制器信號(hào)傳輸至地面操作站的主要途徑[2]。另外，地面操作站設(shè)有上位機(jī)，上位機(jī)通過組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與控制，實(shí)現(xiàn)地面控制水泵的啟動(dòng)與停止；井下水泵控制站設(shè)有就地控制操作臺(tái)，操作臺(tái)上設(shè)置有液晶觸摸屏，液晶觸摸屏使用TCP/IP 協(xié)議與上位機(jī)通訊，傳輸速率為10/100 Mbit/s 自適應(yīng)。同步顯示上位機(jī)上所用的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2.2 系統(tǒng)組成

1）控制箱及PLC 控制箱。KJ164 煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)使用的KXB660 礦用隔爆型控制箱可置于煤礦井下，用于監(jiān)測(cè)井下各種環(huán)境參數(shù)、設(shè)備開停狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控電氣設(shè)備的起動(dòng)、斷電以及閉鎖的控制。與KXJ127 礦用隔爆兼本安型PLC 控制器配接使用，PLC 控制器輸出開關(guān)控制信號(hào)給控制箱，控制箱接收到開關(guān)量信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器開閉，繼電器輸出端控制控制箱交流接觸器輸入端的有無(wú)繼而控制交流接觸器后級(jí)輸出端觸點(diǎn)的開閉，可實(shí)現(xiàn)低電壓DC24V 控制交流660 V 設(shè)備的開停。

2）操作臺(tái)。操作臺(tái)與KXJ127 礦用隔爆兼本安型PLC 控制器配接使用，配備有液晶顯示屏，可顯示水泵房所有設(shè)備的工作狀態(tài)及故障信息，同時(shí)操作臺(tái)具有按鈕式開關(guān)量輸出功能，實(shí)現(xiàn)操作臺(tái)就地控制水泵的功能。

3）電動(dòng)閘閥。將原來(lái)手動(dòng)閘閥更換為電動(dòng)閘閥。電動(dòng)閘閥具有手動(dòng)和電動(dòng)兩種操作模式，在電動(dòng)模式中，通過機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閘閥開到位、關(guān)到位及過力矩故障控制，配合PLC 和液晶顯示屏實(shí)現(xiàn)閘閥狀態(tài)顯示。

4）放風(fēng)球閥及引水球閥。在原來(lái)放風(fēng)球閥和引水球閥的管路上并聯(lián)接入了電動(dòng)的放風(fēng)球閥和引水球閥，從而實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種操作模式。

5）液位傳感器。采用投入式液位變送器，利用所測(cè)液體靜壓與該液體的高度成正比的原理，采用陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過線性修正轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)供PLC 使用。

6）壓力傳感器。壓力傳感器由供電電源、壓力傳感器、單片機(jī)、頻率信號(hào)輸出等部分組成。傳感器的電源部分向壓力傳感頭提供工作電源，壓力傳感器把壓力差變換成微弱的電信號(hào)，微弱的電信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)程序變換成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理，并且把壓力值以頻率信號(hào)輸出。

7）溫度傳感器。溫度傳感器的感溫元件為PT100鉑熱電阻，利用感溫部件PT100 其輸出電阻值與施加溫度成正比的工作原理來(lái)測(cè)量溫度，適用于對(duì)煤礦機(jī)電設(shè)備的溫度進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。

8）流量計(jì)。采用超聲波流量計(jì)是唯一能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量的流量計(jì)。超聲波在流體中傳播時(shí)會(huì)承載流體流速的信息，通過接收穿過流體的超聲波就可以檢測(cè)出流體的流速，從而計(jì)算出流量。

9）光纖攝像儀。攝像機(jī)由本安外殼、鏡頭、CCD、光發(fā)射板以及接線端子組成。外界景物的光線通過玻璃視窗進(jìn)入鏡頭，聚焦在攝像頭的CCD 芯片上，由CCD 攝像頭輸出全電視信號(hào)，將采集到的實(shí)時(shí)圖像轉(zhuǎn)換為視頻電信號(hào)、視頻光信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)電信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)光信號(hào)輸出。配合硬盤錄像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)水泵房的實(shí)時(shí)監(jiān)控和錄像，方便了水泵房無(wú)人職守的管理。

2.3 系統(tǒng)控制功能及保護(hù)功能

2.3.1 控制功能

KJ164 煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)分為上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制、就地自動(dòng)控制、就地手動(dòng)控制[3]。上位機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制時(shí)，需將水泵房操作臺(tái)選擇遠(yuǎn)控位置處，然后上位機(jī)管理員登錄后可按照水泵工操作規(guī)程對(duì)水泵控制，完成水泵的啟動(dòng)和停止。就地自動(dòng)控制，需將水泵房操作臺(tái)選擇近控位置處，然后按照水泵工操作規(guī)程通過操作臺(tái)按鈕對(duì)水泵控制，完成水泵的啟動(dòng)和停止。就地手動(dòng)控制則水泵工按照以前的操作方法，完成水泵的啟動(dòng)和停止。

2.3.2 保護(hù)功能

1）超溫保護(hù)：水泵長(zhǎng)期運(yùn)行，當(dāng)軸承溫度或定子溫度超出允許值時(shí)，通過溫度監(jiān)測(cè)裝置及PLC 實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警。

2）電動(dòng)機(jī)故障：當(dāng)軟啟動(dòng)開關(guān)因過電流、漏電、低電壓等電氣故障無(wú)法合閘時(shí)，PLC 將會(huì)把開關(guān)故障傳送至上位機(jī)及觸摸屏。

3）電動(dòng)閘閥故障：電動(dòng)閘閥設(shè)置有過力矩保護(hù)，當(dāng)電動(dòng)閘閥扭轉(zhuǎn)力矩超過固定值時(shí)，將顯示過力矩故障，閘閥電動(dòng)機(jī)將不能開閉閘閥，從而達(dá)到保護(hù)閘閥電動(dòng)機(jī)的目的。同時(shí)，PLC 將故障信息顯示至上位機(jī)及液晶顯示屏，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障。

4）液位保護(hù)：當(dāng)液位超出設(shè)置的液位上限和下限時(shí)，PLC 會(huì)在上位機(jī)及液晶顯示屏上顯示液位高和液位低，從而讓工作人員得知何時(shí)開泵，何時(shí)停泵。

2.3.3 預(yù)警報(bào)警功能

KJ164 煤礦排水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行過程中的水泵出現(xiàn)的故障分為“預(yù)警”和“報(bào)警”。其中預(yù)警信息僅通過報(bào)警對(duì)話框提示用戶預(yù)警信息，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任何操作。故障報(bào)警對(duì)運(yùn)行中的水泵出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)停止運(yùn)行中的水泵，并報(bào)警提示用戶[4]。

3 KJ164 煤礦排水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1）先進(jìn)性。該系統(tǒng)采用PLC 控制程序模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可按程序模塊分段調(diào)試，分布運(yùn)行。該程序結(jié)構(gòu)具有清晰、簡(jiǎn)捷、易懂，便于模擬調(diào)試，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。同時(shí)可以根據(jù)客戶的需求對(duì)內(nèi)部程序進(jìn)行編程，來(lái)滿足不同設(shè)備的需求，具有良好的設(shè)備兼容性。

2）可靠性。該系統(tǒng)內(nèi)部電氣元件、電纜及防爆外殼嚴(yán)格按照防爆及防水設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，具有防爆、防火、防水、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，保證設(shè)備在水泵房潮濕環(huán)境等惡劣條件下仍然正常運(yùn)行。

3）安全性。該系統(tǒng)中的操作臺(tái)、電動(dòng)球閥、攝像頭、溫度傳感器、壓力傳感器及液位傳感器采用本質(zhì)安全性設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在井下各地點(diǎn)安裝都具有本質(zhì)安全保障，大大提高其使用安全性。

4）實(shí)用性。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水泵房的無(wú)人值守功能，提高了水泵房的自動(dòng)化管理水平，消除了水泵運(yùn)行噪聲對(duì)水泵工的職業(yè)危害。

3.2 系統(tǒng)缺點(diǎn)

KJ164 煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)的唯一不足是缺少對(duì)水泵和電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，不能預(yù)防因震動(dòng)引起的固定螺栓松動(dòng)進(jìn)而造成水泵聯(lián)軸節(jié)損壞的事故。

4 結(jié)語(yǔ)

主排水泵房作為煤礦井下安全生產(chǎn)的重點(diǎn)部位，KJ164 煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)在主排水泵房的成功安裝使用，提高了水泵房的自動(dòng)化控制水平，減少了噪聲對(duì)煤礦工人的職業(yè)危害，減少了水泵房的人工成本，為礦井智能化奠定了基礎(chǔ)。