煤礦中央水泵房自動化排水控制系統(tǒng)的研究

陳海亮

（晉能控股煤業(yè)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(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，智能化礦山[1-2]建設成為礦井的發(fā)展方向。但是，目前我國眾多中小礦井的生產(chǎn)自動化程度低，作業(yè)人員多且勞動強度大，礦井生產(chǎn)效率低，同時礦井的安全生產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，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(tǒng)[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(tǒng)的設計方案

中央水泵房自動化排水系統(tǒng)分為控制層、傳輸層和管理層三層結(jié)構，如圖1 所示。控制層以PLC為主控制器；傳輸層由環(huán)網(wǎng)交換機、光纖等組成，通過以太環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)控制箱與網(wǎng)絡的對接；管理層即為地面監(jiān)控中心，有2 套工控機，主要完成對控制器的參數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(zhí)行機構以及具備云臺和拾音功能的攝像儀組成。同時系統(tǒng)本安操作臺能實現(xiàn)水泵排水系統(tǒng)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(tǒng)框架圖

2 自動排水系統(tǒng)的設計

2.1 中央泵房系統(tǒng)的設計

2.1.1 數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，將其傳送到PLC 控制箱，由PLC 控制箱實現(xiàn)自動控制，水泵房系統(tǒng)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(jiān)測；在中央泵房主水倉內(nèi)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(shù)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(tǒng)設計圖

2.1.2 系統(tǒng)控制方式

現(xiàn)場控制系統(tǒng)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(tǒng)由監(jiān)控室內(nèi)計算機及控制軟件構成。中央水泵房排水監(jiān)控系統(tǒng)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(jiān)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(shù)；自動控制功能是，根據(jù)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(zhí)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(jiān)控系統(tǒng)可將泵房現(xiàn)場的各種運行參數(shù)、設備狀態(tài)通過網(wǎng)絡傳到地面監(jiān)控計算機。

2.1.3 系統(tǒng)故障保護

為了實現(xiàn)水泵房排水監(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)異常情況時系統(tǒng)可實時報警，并開啟停車等保護措施。同時在控制系統(tǒng)中加入帶云臺遠程控制的網(wǎng)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(xiàn)場聲音傳輸至地面調(diào)度中心，能夠?qū)崟r顯示水泵房內(nèi)的情況，并通過上位機畫面選擇性查看視頻圖像，監(jiān)聽泵房現(xiàn)場聲音，真正保證和實現(xiàn)泵房的無人值守。

2.1.4 控制功能

排水控制系統(tǒng)可根據(jù)水倉水位高低、水泵狀態(tài)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(tǒng)可記錄水泵的啟停次數(shù)和運行時間以及管路使用次數(shù)和流量等參數(shù)，并且根據(jù)這些運行參數(shù)按一定的規(guī)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(xiàn)其他故障，影響礦井排水安全。同時系統(tǒng)可根據(jù)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(guī)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(xiàn)遠程監(jiān)控井下設備。將地面監(jiān)控中心的監(jiān)控主機接入全礦井安全生產(chǎn)自動化控制網(wǎng)，使礦方技術主管人員在地面即可掌握井下主排水系統(tǒng)設備的所有檢測數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)。

2.2.1 實時監(jiān)控

實時監(jiān)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(tài)、礦井水的流動效果、井下排水作業(yè)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(xiàn)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(shù)據(jù)庫中，然后可以根據(jù)不同的查詢條件進行查詢，可以永久保存報警信息，為監(jiān)控人員分析故障提供依據(jù)。

2.2.3 報表及曲線

上位機可將現(xiàn)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(xiàn)場信息以歷史曲線、折線的形式進行儲存，供相關人員查詢?nèi)我庾兞吭谶^去任意時刻的數(shù)值，提取有用的歷史信息。

3 水泵房自動排水控制系統(tǒng)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(tài)及故障狀態(tài)、報警信息、參數(shù)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(zhì)安全型可編程控制箱，通過輸入口監(jiān)測設備的運行狀態(tài)及參數(shù)，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(wǎng)電接口進行監(jiān)測數(shù)據(jù)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(wǎng)電接口和1 個以太網(wǎng)光接口。KXJ-127 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型可編程控制箱與F2 分站安裝在一起，同內(nèi)部PLC 實現(xiàn)通訊；

3）KTC155-F2 礦用隔爆兼本安型監(jiān)控分站，具有采集水泵傳感器數(shù)據(jù)、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(shù)字超聲波流量計；

7）礦用隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源；

8）礦用本質(zhì)安全型壓力傳感器GYD10。

4 水泵房自動排水控制系統(tǒng)的應用效果

趙莊二號井對該系統(tǒng)進行了安裝調(diào)試并進行了試運行，通過近一年的運行情況來看，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)顯示準確，視屏聯(lián)動畫面清晰，系統(tǒng)故障率較低，技術人員可根據(jù)系統(tǒng)提示故障位置進行設備檢修維護，減少了作業(yè)人員，提高了工作效率，達到減人提效的目的。

5 結(jié)論

井下水泵房自動排水系統(tǒng)可以實現(xiàn)排水系統(tǒng)的集成化、數(shù)字化、智能化、信息化，實現(xiàn)中央泵房的無人值守，有效降低排水作業(yè)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(xiàn)自動化、智能化奠定基礎。