采區水倉自動控制與集中監控系統應用實踐

范 文

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 晉中 030600）

1 概述

井下水泵是煤礦生產的重要設備之一。實現井下水泵的遠程控制與監測，是綜合自動化建設的重要組成部分[1]。新元煤礦井下中央水泵房有5 臺型號為MD 450-60×10 耐磨離心泵，8 個采區水倉，水倉有效容積50～200 m3不等。采用人工方法進行注水排空、開動閘閥、觸摸泵體溫度巡檢，泵的起停依賴工人的經驗。由于巷道內設置的小水倉較多，人工排水任務量大，且不安全可靠，建設采區水倉自動化控制及地面集中監控系統很有必要[2]。

2 自動控制與集中監控系統

2.1 監控調度層

為直觀查看井下水倉排水情況，調度室建設了地面監控主站，監測工控機、組態軟件、視頻管理和VOIP 音頻共同構成地面監控調度層[3]。監控主站可以實時掌握井下水倉排水狀況，一旦發現異常情況，立即啟動預警，停止生產，進行檢修，確保礦井排水系統安全。

2.2 區域控制層

在中央水倉控制室建設區域控制層[4]，采用KJD127 型井下防爆計算機，具體參數見表1。該計算機內嵌組態軟件，能與DXB1140/220 型礦用隔爆型電源箱接口配套使用，通過網口接入9～16 路視頻信號，組態畫面可切換顯示。

2.3 本機控制層

本機控制層采用KTC102+型控制器。該控制器具有集控、就地、手動、檢修控制四種方式，見圖1。該控制器性能參數見表2。當切換到就地控制模式時，系統將不再進行自動控制，可根據當時工況自由組合啟停泵號，西輔3#水倉自動化監控就地控制見圖2；當切到手動控制模式時，開啟和停止水泵由就地控制點的操作進行控制；檢修方式控制取消傳感器保護或故障的制約，手動操作泵和閘閥，此方式切換便于檢修等特殊情況。

表1 防爆計算機參數

圖1 KTC102+的四種控制方式

圖2 西輔3#水倉自動監控就地控制

2.4 設備層

排水系統主要設備包括電機、水泵、排水管道、管道閥門等。除在電機、水泵和管道上做部分機械結構的改動以滿足傳感器的安裝需要外，主要是將原排水閥門更換為電動可控閥門，采用多回轉礦用隔爆型（ZB 型）閥門電動裝置，實物見圖3，適用閥板做直線運動的閥門，如增加二級減速蝸輪箱后還可用于閥板做90 度回轉的閥門。

表2 KTC102+控制器性能參數

圖3 ZB 型閥門電動裝置

2.5 通訊網絡管理層

該層設備主要包含環網、環網交換機，擴展交換機、VOIP 語音終端，整個通訊網絡構成結構見圖4。

3 功能優化

3.1 水位自動監控功能優化

自動化控制系統根據水位的高低自動發出開、停水泵命令，選用高精度的超聲波液位傳感器作為水位傳感器，以確保水位監測的可靠、準確[5]。根據水倉深度和工況設定四個水位限值：H1/H2/H3/△h（水位值通過投入式傳感器送入控制器），再設定組態智能控制低電價階段和高電價階段，依據水位兩種智能邏輯，并實現智能切換，從而達到避峰就谷，節能降耗的目的。

3.2 參數傳輸及故障保護改造及功能

自動化控制系統中的前端采集設備收集水倉水位、水泵流量、水泵壓力等參數，并將所采集的參數及其設備工作狀態通過通訊網絡傳送給地面監控的控制中心，控制中心進行分析、判斷和處理。自動化控制與地面監控系統對排水設備安全性、可靠性設計了故障保護：

（1）流量保護：水泵啟動后或正常運行中，如流量達不到正常值，通過流量保護裝置使本臺水泵停車，轉為啟動另一臺水泵。

圖4 水倉監控、管網監測網絡結構

（2）電動閘閥故障：由電動機綜保監視閘閥電機的主要保護并參與控制。

（3）傳感器保護：針對當前壓力、水位傳感器容易損壞的現場特性，采用高可靠性、抗干擾防爆電源濾除電源干擾，增加傳感器的檢測精度和使用壽命。

3.3 水泵輪換自動控制改造及功能

水泵輪換控制是排水設備綜合自動化控制系統的關鍵環節，控制該環節的設施有區域控制器KJD127、中間繼電器、變頻器等，根據采區水倉水位變化自動控制水泵開啟和停止，以確保整個水倉的正常排水。水泵采用一用一備，若遇故障，自動化控制系統立即啟動備用水泵運行，故障水泵停止運行，檢修人員立即對其維修。

4 應用效果

采區水倉自動化控制與地面集中控制系統的地面監控見圖5，應用效果良好，達到了理想的狀態。

圖5 地面監控畫面

（1）技術效益

能夠采集水位、壓力、流量等各種數據，采用自動、就地集控和手動三種控制方式良好控制水泵安全可靠運行；針對采集的數據生成報表和分析曲線，按多種條件生成統計報表，為節能減排提供可靠準確的基礎數據，便于決策。

（2）經濟效益

該系統投入運行以來，水倉無需人工看守，無需人工進行水泵啟停的各種操作。水泵可以根據水倉的水位進行自動排水和停止，減少了水倉排水所用的人工工時。井下8 個采區小水倉每班減少8 個排水崗位工人，每天三班共減少24 人，按每個工人每年的平均應領工資7 萬算，每年能節省工資成本約168 萬。由于傳感器的智能性以及水泵運行動態的實時監控，水泵能夠及時啟停，明顯減少了水泵的事故率，從而降低了水泵的維修和采購成本。

（3）安全效益

降低了淹沒水倉的安全隱患，有效避免了因頻繁更換損壞設備搬運、安裝過程中可能出現的工傷等安全隱患，全面提高了礦井排水工作的效率和管理水平，為今后礦井生產綜合自動化打下良好基礎。

5 結語

1）采區水倉自動化控制系統主要由5 層組成，分別為監控調度層、區域控制層、本機控制層、設備層和通訊網絡管理層。

2）分別對水位自動監控、參數傳輸及故障保護和水泵輪換自動控制進行了改造優化，實現了自動化控制要求功能。

3）技術、經濟和安全性均達到了礦井生產要求。