煤礦井下排水控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

李 冰

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400）

引言

在煤礦開采過程中經(jīng)常會有大量的地下水涌出，若地下水位超過一定的安全閾值，不僅會使井下工作面出現(xiàn)嚴(yán)重的積水現(xiàn)象，也極容易使煤礦開采設(shè)備出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，這將給井下作業(yè)安全及煤礦開采效率造成嚴(yán)重影響[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)每年約有15%的礦井都會出現(xiàn)一定程度的漏水現(xiàn)象[2]。目前，國內(nèi)煤礦普遍采用的井下排水控制系統(tǒng)存在控制精度較低、系統(tǒng)響應(yīng)較慢、智能化控制水平較弱等問題，無法滿足當(dāng)前智能化井下排水遠(yuǎn)程控制的使用需求[3]。因此，將更加先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到井下排水控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)井下排水控制系統(tǒng)的升級優(yōu)化，是有效保障井下作業(yè)安全的重要方向。

1 目前井下排水控制系統(tǒng)存在的問題

通過對煤礦領(lǐng)域井下排水系統(tǒng)的綜合調(diào)研，結(jié)合新元煤礦主井中現(xiàn)有的排水控制系統(tǒng)特點(diǎn)，分析當(dāng)前井下排水控制系統(tǒng)在使用過程中存在的諸多問題[3-4]，主要包括如下幾點(diǎn)：

1）僅實(shí)現(xiàn)了對水泵的現(xiàn)場控制，未有效將水泵作業(yè)狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)通過通訊方式傳輸至相應(yīng)的監(jiān)控平臺上，整體自動(dòng)化、智能化程度相對較低；

2）各類檢測傳感器精度相對較低，且為幾年前的產(chǎn)品，存在響應(yīng)速度較慢、異常故障明顯、數(shù)據(jù)信息不準(zhǔn)確等問題；

3）數(shù)據(jù)通訊接口是傳統(tǒng)的RS232，與RS485通訊接口相比，存在信息傳輸速度慢、信息傳輸量少等問題；

4）整個(gè)控制過程需手動(dòng)操作控制，未實(shí)現(xiàn)對井下排水設(shè)備的自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制，也無法實(shí)現(xiàn)對排水過程及狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制；

5）由于未實(shí)現(xiàn)智能化控制，導(dǎo)致排水過程的電量消耗相對較高。

為此，設(shè)計(jì)一套智能化井下排水控制系統(tǒng)，以提高井下排水效率及作業(yè)安全，降低企業(yè)的費(fèi)用支出。

2 智能化井下排水控制系統(tǒng)總體框架的設(shè)計(jì)

以新元煤礦主井控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進(jìn)行升級優(yōu)化設(shè)計(jì)。如圖1所示，整套控制系統(tǒng)包括執(zhí)行層、運(yùn)算層、監(jiān)控層等。其中：執(zhí)行層中檢測單元部分有液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、流量傳感器、電壓傳感器等，可實(shí)現(xiàn)對井下排水過程的相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集[5]；執(zhí)行單元主要由水泵電機(jī)、出水閥、真空閥、射流閥等組成，在接收來自PLC的執(zhí)行命令后，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對井下排水過程的相關(guān)控制操作；運(yùn)算層包括PLC控制器、水泵調(diào)度和控制單元等，結(jié)合采集的相關(guān)信號，可完成排水過程的自動(dòng)運(yùn)行、模式切換、水泵自動(dòng)輪換、水泵啟停等操作，對相關(guān)數(shù)據(jù)分析判斷處理后將其傳輸至監(jiān)控平臺實(shí)時(shí)顯示，其中，PLC控制器為西門子S7-300，內(nèi)部控制程序的編程設(shè)計(jì)軟件為STEP7，調(diào)度控制系統(tǒng)的控制器為KXJ600型礦用防爆型控制器，可有效保證整套系統(tǒng)的高效計(jì)算；監(jiān)控層主要包括上機(jī)位PC主機(jī)、液晶顯示器、服務(wù)器等，對整套控制系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)分析及執(zhí)行命令操作等。整套系統(tǒng)基于以太網(wǎng)和RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)信號的傳遞，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)排水過程的自動(dòng)化遠(yuǎn)程操作。

圖1 排水控制系統(tǒng)總體框架圖

3 排水控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)

3.1 硬件部分的設(shè)計(jì)

硬件模塊是整個(gè)排水控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，如圖2所示，包括檢測單元、水泵控制單元、PLC控制器、通訊線路等。硬件模塊中的PLC為西門子S7-300型控制器，可有效保證整套系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，并提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的計(jì)算速度。檢測單元包括GUCS10型液位傳感器、PT-100溫度傳感器、GYD10壓力傳感器、JSZW3-10電壓互感器等檢測元件，具有采集精度高、性能穩(wěn)定可靠、抗爆性較高等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)對井下關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過RS485通訊接口和以太網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳輸至PLC進(jìn)行分析判斷處理[6]，PLC經(jīng)過分析處理后，將相關(guān)信息通過交換機(jī)傳輸至地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心根據(jù)實(shí)際情況發(fā)出相應(yīng)的控制命令，PLC則經(jīng)過分析轉(zhuǎn)換后發(fā)出電機(jī)啟停、報(bào)警、復(fù)位、控制方式等相關(guān)執(zhí)行控制命令，以實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作控制。

圖2 控制系統(tǒng)硬件模塊框架圖

3.2 監(jiān)控模塊的設(shè)計(jì)

監(jiān)控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，對井下排水過程及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。如圖3所示，此監(jiān)控模塊的開發(fā)設(shè)計(jì)軟件為iFix組態(tài)軟件，其功能主要包括系統(tǒng)管理模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、報(bào)表模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊等。其中，實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊主要對水泵的運(yùn)行狀態(tài)、排水中相關(guān)參數(shù)等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)信號傳輸后，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)控中心，供操控人員通過監(jiān)控界面對井下排水狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測和操作控制，同時(shí)生成年/月/日的報(bào)表，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以便后期對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。

圖3 監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)框架圖

3.3 水泵控制模塊的設(shè)計(jì)

水泵是實(shí)現(xiàn)井下水的快速排放并將其控制在安全范圍內(nèi)的重要設(shè)備。因此，對水泵的運(yùn)行進(jìn)行控制模塊設(shè)計(jì)。在此控制模塊中，分為參數(shù)顯示、控制模式的顯示及啟停控制等部分。其中：參數(shù)顯示部分主要對水泵運(yùn)行過程中的電流、電壓、流量、出水口壓力等參數(shù)進(jìn)行檢測及界面顯示，當(dāng)某一個(gè)參數(shù)超過相應(yīng)閾值時(shí)，該控制模塊則會發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示和異常情況顯示，以供相關(guān)人員根據(jù)報(bào)警提示對水泵進(jìn)行有針對性的檢查和維修；控制模式部分則主要對水泵進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制，并通過界面進(jìn)行控制模式顯示；啟停控制部分對手動(dòng)控制模式下水泵的每一步操作進(jìn)度以綠燈方式進(jìn)行狀態(tài)顯示。

3.4 傳感器屏蔽模塊的設(shè)計(jì)

由于井下環(huán)境復(fù)雜，會經(jīng)常出現(xiàn)某一個(gè)指標(biāo)雖超過相應(yīng)閾值但不會影響控制系統(tǒng)的整體性能，此時(shí)，可對相關(guān)傳感器進(jìn)行屏蔽操作，而傳感器閾值的設(shè)置一般是二級閾值設(shè)置。在進(jìn)行傳感器屏蔽功能設(shè)計(jì)時(shí)，主要是對傳感器的檢測參數(shù)進(jìn)行一級閾值屏蔽，包括電壓、電流、電機(jī)軸承溫度、排水量、井下水位等參數(shù)，需人員進(jìn)行判斷后手動(dòng)屏蔽，但此時(shí)系統(tǒng)仍會發(fā)出一級聲光報(bào)警提示。此功能不僅可實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的預(yù)警提示，也可保證排水過程不間斷操作，提高排水效果。

4 系統(tǒng)測試的評價(jià)

為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的井下排水控制系統(tǒng)的綜合性能，在新元煤礦主井進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證，測試周期為6個(gè)月。經(jīng)過對該系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用測試，表明該排水控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，各項(xiàng)數(shù)據(jù)檢測功能、數(shù)據(jù)顯示及分析功能等均正常，能清晰、高精度地實(shí)時(shí)顯示井下排水過程的相關(guān)參數(shù)，當(dāng)井下水位超過閾值或水泵出現(xiàn)異常現(xiàn)象時(shí)，該系統(tǒng)也能夠及時(shí)發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警提示，并執(zhí)行相應(yīng)的控制操作命令，并通過顯示界面顯示所有異常現(xiàn)象類型及發(fā)生位置，有關(guān)人員只需通過顯示界面提示，有針對性地對井下異常情況進(jìn)行檢查、維修等操作，正常排水過程無需人工干預(yù)和操作。由此實(shí)現(xiàn)了整個(gè)排水過程的自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制，大大提高了井下作業(yè)的安全性，降低了人員的作業(yè)危險(xiǎn)程度。顯然，該系統(tǒng)具有重要的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。