基于KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)在水泵房自動化當中的應用研究

蔡先振，湯偉軍

電光防爆科技（上海）有限公司，上海，201112

0 引言

目前，在煤礦井下排水系統(tǒng)中，水泵房里的水泵數(shù)量配置一般以3臺至5臺為主，水泵配置要滿足1用1備1檢修的最低要求。由于很多煤礦都存在建礦時間早、水泵老化、運行年限長、電機功率大、維護困難、運行工況復雜等問題，由人工憑借經驗來保障排水設備的正常運轉是件非常困難的事情，這對于煤礦生產造成較大的安全隱患。另外，水泵的運行通常采用傳統(tǒng)的人工操作方式，例如水泵啟動前需要執(zhí)行射流泵抽真空、管路流量監(jiān)測、水倉水位監(jiān)測等動作指令。由于人工操作存在流程復雜、主觀因素多、高壓設備危險、開泵時間長、閘閥操作慢、自動化程度低等問題，再繼續(xù)采用人工操作的方式就不能滿足現(xiàn)代化礦井安全生產的需求。另外，人工操作方式存在人工用量大、高水平高素質人員較少、設備的隱蔽故障難以發(fā)現(xiàn)、突發(fā)故障難以及時解決等問題。突發(fā)故障時，值班人員不能快速、有效地解決這些故障，從而給煤礦的安全生產造成了一定的損失。如何避免水泵老舊設備事故的發(fā)生，以及如何快速有效地處理故障是目前亟需解決的問題。KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)就是針對這一系列的問題而提供了一整套的解決方案。

1 KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)應用研究分析

1.1 KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)是通過工程師站把PLC控制器、觸摸屏、視頻、高壓智能保護器等設備的各種數(shù)據和信息采集到數(shù)據庫中，上位機軟件平臺根據實際需要對采集到的各類數(shù)據進行分析處理，把抽象的數(shù)據信息以圖像、曲線或報表的形式展現(xiàn)出來；同時，工程師站發(fā)出控制指令（如啟動/停止命令、故障復位、參數(shù)整定命令等）傳送給現(xiàn)場的PLC控制器、高壓智能保護器等設備來執(zhí)行。

1.2 KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)的結構組成

KJ531煤礦排水系統(tǒng)采用工業(yè)以太網、CAN通信、RS485通信以及網絡視頻的結構模式，根據設備的不同功能，整個監(jiān)控系統(tǒng)的網絡構架分為數(shù)據控制層、數(shù)據傳輸層和現(xiàn)場設備層?？刂茖油ㄟ^服務器負責采集分析數(shù)據并根據現(xiàn)場實際需要發(fā)布相應的控制指令；數(shù)據傳輸層通過環(huán)網和交換機等設備實現(xiàn)數(shù)據轉換和數(shù)據傳輸；現(xiàn)場設備層負責執(zhí)行上位機服務器的命令并傳輸反饋現(xiàn)場設備的相關數(shù)據信息。整套系統(tǒng)的具體架構如下：

（1）控制層：冗余工程師站（Force control 7.2軟件）、SQL數(shù)據庫、視頻服務器、打印機、音響等。

（2）數(shù)據傳輸層：數(shù)據傳輸接口、千兆環(huán)網、光纜、光電轉換模塊等。

（3）設備層：PLC控制柜、操作臺、聲光信號器、閘閥控制箱、高壓智能保護器、電動閘閥、礦用真空泵、高清防爆攝像儀、環(huán)網交換機、正壓傳感器、負壓傳感器、振動傳感器、外貼溫度傳感器、管路流量傳感器、水倉液位傳感器、電機預埋溫度傳感器、控制屏蔽線纜、防爆接線盒等。

1.3 KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場采集和控制的各種信號

（1）監(jiān)控信號：通過采集各類傳感器的數(shù)據信息傳輸給PLC控制器[1]，PLC處理以后傳輸給人機界面或是上位機進行顯示；

（2）控制信號：根據采集到的各類監(jiān)控信號以及外部輸入的操作指令，PLC程序按照設定的工藝流程來執(zhí)行相關的動作命令；

（3）通信信號：PLC采集到的各類監(jiān)控信號以及執(zhí)行的相關控制命令均可以通過通信的方式傳給第三方設備，也可以把第三方設備的數(shù)據通過通信的方式采集到PLC中來。

具體的各種信號如下圖所示：

2 KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)的下位機與上位機功能

（1）PLC下位機多種控制模式：控制系統(tǒng)具有遠控和就地兩種控制模式。遠控模式具有自動輪換、一鍵啟停、遠控手動、液位自動、避峰填谷五種工作方式；就地模式具有就地自動、就地手動、就地檢修、避峰填谷四種工作方式。在所有工作方式中就地功能優(yōu)先。

（2）PLC下位機的自動輪換功能：在實際使用中，通常要求水泵是處于1用1備1檢修的狀態(tài)，往往存在1臺泵經常使用，而另外兩臺泵很少使用的情況[2]。為防止1臺泵因經常使用而導致使用壽命下降而其他泵由于長期不用且存在故障又未及時發(fā)現(xiàn)的情況發(fā)生，本系統(tǒng)特設計了多臺泵自動輪換控制的工藝流程。該工藝流程的原理是：PLC根據每臺水泵的啟停次數(shù)、運行時間、電流大小、避峰填谷、不同管路的使用次數(shù)等外部參數(shù)按照一定的工藝流程自動控制水泵和選擇相應的排水管路，盡量做到讓各臺水泵及管路的使用時間均衡統(tǒng)一。當某臺運行的水泵發(fā)生故障或是所屬閥門發(fā)生故障時，水泵系統(tǒng)現(xiàn)場會自動發(fā)出聲光報警信號同時把報警信息上傳給上位機，上位機會同步發(fā)出故障報警信號并做記錄，與此同時，發(fā)生故障的水泵會自動退出輪換工作，其余正常的水泵和管路會根據程序設定好的順序自動執(zhí)行輪換工作，做到故障盡早排除，確保煤礦安全生產。

（3）PLC下位機的避峰填谷功能：系統(tǒng)通過安裝的高精度液位傳感器實時采集水倉液位并傳遞給PLC，PLC在接收到水倉液位信號后并結合排水量以及水倉進水量，根據設定的程序流程計算出單位時間內水倉水位的上升速度，同時檢測水泵電機的電流大小，爭取把水泵的運行控制在一天當中的用電低峰或是一天中電價最低的時刻，在用電高峰和電價較高的時間段自動停止水泵運行，以達到水泵房用電避峰填谷的目的。

（4）PLC下位機的自動控制功能：現(xiàn)場的PLC控制器根據設定的程序功能，通過采集水倉液位的高低來判斷是否達到自動開泵要求、并結合井下用電負荷的高、低峰來實現(xiàn)避峰就谷的功能，PLC控制器會根據程序里已經建立的數(shù)學模型來控制水泵的啟停，并且做到出現(xiàn)險情時及時發(fā)出報警信號并上傳給上位機[3]。

（5）上位機3D界面顯示：上位機界面做成3D圖形的效果，可以形象顯示泵房里各種設備狀態(tài)，可以把水泵抽水的過程以三維動畫的形式顯示，可以把防爆電動閘閥的打開和關閉過程以動畫的形式顯示，可以把水倉液位的變化情況和管路排水的情況以動畫的形式顯示，可以把電機、配電柜、閘閥的運行狀態(tài)以3D圖形顯示。在3D界面上，可以直觀地顯示電動閥的開/閉位置，可以實時顯示正壓、負壓、流量、液位、電參數(shù)、水泵運行狀態(tài)、振動、電機溫度、泵體溫度等參數(shù)。

（6）上位機抽象數(shù)據直觀顯示功能：上位機軟件把現(xiàn)場采集的各類抽象數(shù)據通過用圖形、曲線、報表等形式顯示出來。對現(xiàn)場采集到的管路瞬時流量及累計流量、開關柜的電參數(shù)、水泵軸溫、電機溫度、正壓、負壓、液位、閘閥開度等數(shù)據信息進行動態(tài)顯示。對于各類超限報警數(shù)據、設備運行故障數(shù)據，系統(tǒng)可以自動記錄故障類型、故障時間并保存在歷史數(shù)據庫中。上位機以聲光報警形式提醒工作人員及時檢修，避免設備損壞。上位機用圖形填充及趨勢曲線形象、準確、實時地顯示水倉水位，并根據設定的相關報警限值發(fā)出預警信號，對于水倉的低位、超低位、高位、超高位分段報警，可以用不同報警語音提醒現(xiàn)場工作人員注意并把報警信息上傳給上位機記錄保存。

（7）系統(tǒng)可以顯示和記錄管路的工作時間、電機啟/停次數(shù)，可以自動、準確匯總各臺泵的排水量并生成報表，有利于開展目標成本管理、節(jié)能降耗。

（8）上位機顯示、記錄各臺水泵的電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、開關分/合狀態(tài)，為水泵負荷合理分配、線路布置、無功補償、節(jié)能降耗、避峰填谷提供數(shù)據依據。

（9）可以通過上位機的實時數(shù)據、歷史數(shù)據、事件記錄、故障記錄等查詢功能，準確查找出水泵系統(tǒng)的故障原因。

（10）上位機具有WEB發(fā)布功能、開放OPC接口功能，可以實現(xiàn)遠程發(fā)布、遠程登錄、遠程瀏覽、遠程操作等功能；也可以通過不同權限的設定，管理員根據自己的權限只在局域網內進行訪問、瀏覽、查詢、操作和指揮調度生產工作。系統(tǒng)可以通過OPC接口，可以將上位機數(shù)據上傳給綜合自動化平臺。

（11）高清晰度的視頻畫面，可以上傳到調度室，實時了解水泵房現(xiàn)場信息。

（12）工程師站采用冗余配置，運行主機出現(xiàn)故障后可以保證1min內切換到冗余站上，數(shù)據庫的數(shù)據存儲時間長達1年以上。

（13）打印功能：上位機軟件提供打印預覽及打印功能，可以打印數(shù)據報表、數(shù)據曲線、報警記錄、事件記錄等。

（14）遠程數(shù)據修改功能：用戶可根據自己的權限，通過上位機界面或是在現(xiàn)場通過面板上的鍵盤對程序的參數(shù)進行修改設定；用戶也可以根據現(xiàn)場的實際工況及時調整報警值的上/下限設定值、調整時間參數(shù)、修改保護投退等功能，以便系統(tǒng)運行更加貼近實際工況。

3 系統(tǒng)的檢測與保護功能應用分析

水泵系統(tǒng)在檢測和保護功能方面上，要實時注意水倉的水位情況，注意真空泵的壓力情況，注意水泵出水的口的正壓情況，要注意主排水管路的流量以及電機軸承的溫度和高壓柜的起/停狀態(tài)等。系統(tǒng)主要的檢測與保護功能如下：

3.1 水倉和水位的檢測

可以利用超聲波液位傳感器進行實時檢測兩個水倉水位，同時把液位信號傳給PLC作為主要控制信號，PLC根據程序設定取1分鐘內的平均值，以此來實現(xiàn)高水位起泵、低水位停泵的液位自動控制功能。系統(tǒng)根據水倉單位時間內涌水量的大小來判定是否進行涌水報警。

3.2 射流管路的負壓檢測

利用負壓傳感器在水泵抽真空時檢測水泵內部的真空度。當負壓值達到穩(wěn)定的數(shù)值以后就不再上升，此時認為泵體的主引水管路已注滿水，PLC以此發(fā)出開泵的啟動命令，如果負壓長時間達不到設定值，系統(tǒng)會自動停止啟泵流程并發(fā)出報警信息。

3.3 水泵主出水口處正壓檢測

正壓傳感器和正壓表安裝在水泵主出水口處。正壓信號輸出給PLC控制器，PLC根據正壓是否達到設定值來決定是否開啟電動閘閥進行排水、來決定是否關閉射流球閥[4]，如果正壓長時間內無法達到設定值，系統(tǒng)會自動停止啟泵流程并發(fā)出報警信息。

3.4 動力柜的電壓、電流檢測

系統(tǒng)通過RS485通信的方式采集動力柜的電壓、電流信息，觸摸屏可以實時顯示各電參數(shù)。PLC把讀取到的實時數(shù)據與程序里的報警設定值作比較，判斷動力柜中是否有過壓、過流、漏電、三相不平衡等故障發(fā)生。

3.5 電機溫度、泵體溫度檢測

通過電機預埋的溫度傳感器來檢測電機前軸、后軸以及定子溫度，通過外貼溫度傳感器檢測泵體溫度，系統(tǒng)將檢測到的溫度信號傳輸給PLC控制器，作為判斷電機及水泵是否正常工作的重要依據。當溫度異常時，PLC發(fā)出實時報警信息并傳輸給上位機保存。

3.6 電動機故障檢測

通過RS85的通信方式把動力柜里的保護器中的數(shù)據信息和事件記錄實時采集到PLC中，并通過觸摸屏的界面進行實時顯示。在水泵運行期間，如果電動機異常，則PLC會自動執(zhí)行停機命令并發(fā)出故障報警信息。

3.7 電動閘閥故障檢測

電動閘閥的各控制信號、限位信號、過力矩信號、開度信號均采集到PLC中，當采集到的信號和PLC程序中的邏輯順序不一致時，則判定電動閘閥故障。

3.8 排水管路流量檢測

在主排水管路的平滑段上安裝有超聲波流量計，通過流量計對排水管路流量進行實時檢測。正常排水后，PLC根據設定值來判斷水泵排水是否達到預期效率，如果流量異常，PLC則執(zhí)行停泵指令并報警，同時PLC將流量數(shù)據送至上位機實時顯示并保存。本系統(tǒng)具有通過流量保護報警使本臺水泵停止運行并自動啟動另一臺水泵的功能，可以有效實現(xiàn)水泵房的無人值守功能。

3.9 電機的起/停檢測

通過采集動力柜內部的接觸器輔助觸點，并結合啟/停傳感器來綜合判斷電機的啟/停狀態(tài)，如檢測到狀態(tài)異常則PLC進行停機保護。

3.10 語言報警功能

水泵啟/停時的每一步操作都有聲光語音箱進行語音提示或報警，系統(tǒng)能使用語音功能進行準確播報，同時把報警信息傳給上位機保存。

3.11 泵體振動檢測

利用振動傳感器檢測泵體和電機的橫向振動與縱向振動。當電機振動異常時，為防止故障損壞進一步擴大，系統(tǒng)會及時發(fā)出停泵指令并播報故障語音，所有故障信息均會由PLC傳給上位機保存。

4 結語

KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)是結合當前先進的以太網技術、通信技術、視頻技術和軟件技術對礦井水泵系統(tǒng)進行實時監(jiān)控分析和綜合管理，對水泵系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的電氣設備運行、維護和管理帶來重大變革。監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地提高礦井排水系統(tǒng)的自動化水平；可以有效實現(xiàn)水泵房的無人值守功能；可以有效提高水泵系統(tǒng)全生產系數(shù)；可以有效提高水泵的利用效率；可以達到避峰填谷、自動控制、減員增效的功能；可以有效降低排水系統(tǒng)的生產運營成本。因此，該技術的研究與推廣應用是具有現(xiàn)實意義和使用價值。