煤礦中央水泵房自動化排水控制系統的研究

陳海亮

（晉能控股煤業集團趙莊二號井，山西 長治 047100）

引言

近年來，隨著我國裝備制造產業的不斷發展，智能化礦山[1-2]建設成為礦井的發展方向。但是，目前我國眾多中小礦井的生產自動化程度低，作業人員多且勞動強度大，礦井生產效率低，同時礦井的安全生產得不到保證。例如趙莊二號井目前泵房閥門均為手動閥門，需手動操作完成，過程繁瑣、啟泵時間長、設備故障難以被及時發現，給礦井安全排水帶來嚴重隱患。而運用礦井中央水泵房自動排水控制系統[3-4]，不僅能夠達到減人提效的目的，而且能夠保證礦井安全排水，及時提供設備故障信息，為智能化礦井建設奠定基礎。

1 自動排水系統的設計方案

中央水泵房自動化排水系統分為控制層、傳輸層和管理層三層結構，如圖1 所示。控制層以PLC為主控制器；傳輸層由環網交換機、光纖等組成，通過以太環網實現控制箱與網絡的對接；管理層即為地面監控中心，有2 套工控機，主要完成對控制器的參數傳遞與命令的傳達，同時可完成圖形、報表、曲線等信息的存儲與展示。控制系統采用主站+分站模式，每臺分站對應一臺水泵及附屬設備。各分站通過一根CAN 總線串接，各分站互不干擾。系統主要由流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器，電動閘閥、電動球閥等執行機構以及具備云臺和拾音功能的攝像儀組成。同時系統本安操作臺能實現水泵排水系統的遠程、就地自動啟停、自動輪換、故障智能切換、避峰填谷、自動診斷等功能。

圖1 系統框架圖

2 自動排水系統的設計

2.1 中央泵房系統的設計

2.1.1 數據采集

在中央泵房的主要部位安裝水位開關、管路流量開關、溫度開關、閘閥開關、壓力變送器等傳感器，通過傳感器采集關鍵數據，將其傳送到PLC 控制箱，由PLC 控制箱實現自動控制，水泵房系統設計如圖2 所示。主要改造位置有：對出水口閘閥的改造是，將中央水泵房水泵上的出水手動閘閥更換為電動閘閥；對排真空管的改造是，在每臺水泵上安裝2 臺礦用本安型電動球閥；在每臺水泵排氣口和出水口各安裝一臺壓力傳感器，進行壓力監測；在中央泵房主水倉內安裝2 臺不同原理的水位傳感器；在主排水管道上安裝2 臺礦用隔爆兼本安型數字超聲波流量計；在水泵預埋溫度采集接口安裝溫度傳感器，采集水泵電機的三相定子溫度和軸承溫度。

圖2 水泵房系統設計圖

2.1.2 系統控制方式

現場控制系統主要由PLC 控制箱、采集分站和外圍傳感器組成；遠程控制系統由監控室內計算機及控制軟件構成。中央水泵房排水監控系統具備遠程控制、就地控制以及自動控制三種操作方式。遠程控制功能是，通過地面監控中心，遠程開停單臺或多臺水泵；就地控制功能是，只有在自動和遠程控制故障時，方可人為就地啟停水泵，可以觀察水位、壓力等主要參數；自動控制功能是，根據水位和井下用電負荷“移峰填谷”原則，按照水泵工藝流程，自動執行單臺或多臺水泵的啟動停止，水泵可輪換工作。中央水泵房排水監控系統可將泵房現場的各種運行參數、設備狀態通過網絡傳到地面監控計算機。

2.1.3 系統故障保護

為了實現水泵房排水監控系統的安全可靠，設計有壓力保護、電動機故障保護、電動閘閥故障保護、流量保護和涌水異常報警燈多種保護功能，出現異常情況時系統可實時報警，并開啟停車等保護措施。同時在控制系統中加入帶云臺遠程控制的網絡高清視頻攝像儀（含拾音器），把整個水泵房的實時圖像及現場聲音傳輸至地面調度中心，能夠實時顯示水泵房內的情況，并通過上位機畫面選擇性查看視頻圖像，監聽泵房現場聲音，真正保證和實現泵房的無人值守。

2.1.4 控制功能

排水控制系統可根據水倉水位高低、水泵狀態和用電峰谷等因素，自動控制水泵的開、停及水泵的輪換。系統可記錄水泵的啟停次數和運行時間以及管路使用次數和流量等參數，并且根據這些運行參數按一定的規律自動啟停相應的水泵，使各個水泵及其管路的工作時間均等，可防止長期停用備用泵、電氣設備和備用管路而導致設備受潮或出現其他故障，影響礦井排水安全。同時系統可根據水倉水位高低，井下用電負荷的高峰低谷以及供電部門所規定的平段、谷段、峰段供電電價等因素，合理啟停水泵。

2.2 上位機的設計

在地面控制中心安裝有上位機軟件，可以實現遠程監控井下設備。將地面監控中心的監控主機接入全礦井安全生產自動化控制網，使礦方技術主管人員在地面即可掌握井下主排水系統設備的所有檢測數據及工作狀態。

2.2.1 實時監控

實時監控分為排水界面和遠程控制模式。排水界面顯示井下所有設備的運行狀態、礦井水的流動效果、井下排水作業情況；在遠程控制模式界面，工作人員在授權條件下可以啟停井下設備，實現遠程控制功能。

2.2.2 報警

報警按實時性可分為實時報警和歷史報警。實時報警以燈光閃爍的方式予以提示，并顯示當前報警信息；歷史報警是將實時報警信息存儲到歷史數據庫中，然后可以根據不同的查詢條件進行查詢，可以永久保存報警信息，為監控人員分析故障提供依據。

2.2.3 報表及曲線

上位機可將現場信息以電子表格形式存儲，可以便捷地匯總流量、軸溫、液位等信息，同時可將現場信息以歷史曲線、折線的形式進行儲存，供相關人員查詢任意變量在過去任意時刻的數值，提取有用的歷史信息。

3 水泵房自動排水控制系統主要設備

1）TH24 礦用本安型操作臺，配有工控操作顯示屏和指示燈，可實時顯示多種運行狀態及故障狀態、報警信息、參數設置以及電機電流等，具有多種模式切換和控制功能；

2）KXJ-127 礦用隔爆兼本質安全型可編程控制箱，通過輸入口監測設備的運行狀態及參數，通過輸出口控制設備的啟動與停止以及報警等，通過以太網電接口進行監測數據的傳輸，有16 路開關量輸入、8 路開關量輸出、2 路模擬量輸入、1 個以太網電接口和1 個以太網光接口。KXJ-127 礦用隔爆兼本質安全型可編程控制箱與F2 分站安裝在一起，同內部PLC 實現通訊；

3）KTC155-F2 礦用隔爆兼本安型監控分站，具有采集水泵傳感器數據、控制閘閥和球閥等功能；

4）礦用本安云臺攝像儀；

5）GUY5 礦用液位傳感器；

6）LCZ-803 礦用隔爆兼本安型數字超聲波流量計；

7）礦用隔爆兼本安型直流穩壓電源；

8）礦用本質安全型壓力傳感器GYD10。

4 水泵房自動排水控制系統的應用效果

趙莊二號井對該系統進行了安裝調試并進行了試運行，通過近一年的運行情況來看，系統運行穩定，能夠實現對中央水泵房就地控制、自動控制及遠程控制等功能，泵體的各種保護參數顯示準確，視屏聯動畫面清晰，系統故障率較低，技術人員可根據系統提示故障位置進行設備檢修維護，減少了作業人員，提高了工作效率，達到減人提效的目的。

5 結論

井下水泵房自動排水系統可以實現排水系統的集成化、數字化、智能化、信息化，實現中央泵房的無人值守，有效降低排水作業人員的勞動強度、減少設備故障率、減少設備和人員的投入，可達到減員增效的目的，為礦井實現自動化、智能化奠定基礎。