煤礦自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)研究

【摘 要】本文采用 PLC 與上位機(jī)相結(jié)合的井下主排水自控系統(tǒng)代替原有的手動(dòng)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煤礦井下主排水系統(tǒng)的就地和遠(yuǎn)程監(jiān)控，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)繼電器控制的不足，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，具有操作方式簡(jiǎn)單，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)和安裝、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】煤礦；排水；監(jiān)控

0 引言

我國(guó)是一個(gè)產(chǎn)煤大國(guó)，但同時(shí)煤炭也是我國(guó)的主要能源，隨著人們生活水平的日益提升，對(duì)煤炭的需求量也在日益增加，如何保障煤礦安全有效的生產(chǎn)則成了一個(gè)十分重要的問(wèn)題?，F(xiàn)階段，我國(guó)煤礦安全事故時(shí)常發(fā)生，其中以瓦斯爆炸和水災(zāi)害最為頻繁和嚴(yán)重。井下排水系統(tǒng)作為煤礦生產(chǎn)的六大系統(tǒng)之一，其最重要的任務(wù)就是排除井下積水，即是把流入井下巷道和工作面的礦井水排送至地表，及時(shí)有效地排出井下積水對(duì)保障煤礦安全、正常生產(chǎn)具有十分重要的意義。

1 煤礦自動(dòng)排水監(jiān)控系數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以礦用可編程控制防爆箱為核心，采集包括水倉(cāng)水位、真空度、壓力、溫度、電流、電壓等機(jī)械和電氣參數(shù)，對(duì)水泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)接收到來(lái)自顯示操作臺(tái)的控制命令時(shí)，可對(duì)水泵等相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)、停止等控制操作，還可以將運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳送至上位機(jī)，并通過(guò)上位機(jī)對(duì)井下排水設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。礦井下主排水自控系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)、PLC 控制箱、顯示操作臺(tái)、交換機(jī)、閥門(mén)、傳輸光纜、傳感器和礦用攝像儀等設(shè)備組成，根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)可分為現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和管理層三級(jí)網(wǎng)絡(luò)體系。

控制層包括 PLC 防爆控制箱和顯示操作臺(tái)。PLC 防爆控制箱作為主排水自控系統(tǒng)的控制核心和數(shù)據(jù)采集中心，用于采集水泵及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，并與管理層的上位機(jī)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交換實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)各設(shè)備集中監(jiān)控；顯示控制臺(tái)由文本顯示器、指示燈、按鈕和開(kāi)關(guān)組成，可以顯示各設(shè)備狀態(tài)，并對(duì)水泵和關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行就地控制。

現(xiàn)場(chǎng)層包括水泵和與其相關(guān)聯(lián)的設(shè)備，還有防爆攝像儀。其中防爆攝像儀安裝在水泵房中，用于監(jiān)控水泵房的情況；水泵關(guān)聯(lián)設(shè)備則包括各類傳感器和電動(dòng)閥門(mén)等等，例如設(shè)備開(kāi)停傳感器用于檢測(cè)水泵、真空泵的啟停狀態(tài)；水泵出水口的壓力用壓力傳感器來(lái)檢測(cè)；水泵真空度用真空度檢測(cè)傳感器檢測(cè)；液位傳感器用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)水倉(cāng)水位；流量傳感器用來(lái)檢測(cè)排水管道流量；溫度傳感器檢測(cè)電機(jī)軸溫和水泵軸溫；用水泵開(kāi)停傳感器來(lái)檢測(cè)水泵的開(kāi)停狀態(tài)；用真空閥控制水泵啟動(dòng)的真空度；用電動(dòng)閘閥和電磁閥替換原手動(dòng)操作系統(tǒng)的手動(dòng)閥門(mén)和排空閘閥，實(shí)現(xiàn)出水閘閥和真空閥的自動(dòng)控制。

井下主排水管路主要硬件選型。

每臺(tái)水泵均與 1#主排水管路和 2#副排水管路連接，并分別在支路上安裝有排水閘閥，在排空管路上安裝有主、副真空閥。另外，主副排水管路均安裝有流量傳感器，每臺(tái)水泵出水口安裝有正壓力傳感器，水泵吸水口安裝有負(fù)壓力傳感器來(lái)檢測(cè)水泵的真空度，在水泵電機(jī)安裝 PT100溫度傳感器，檢測(cè)電機(jī)軸溫和水泵軸溫，所有傳感器的信號(hào)電流均為 4mA～20mA。在水倉(cāng)中安裝有兩套液位傳感器，一套為超聲波傳感器，用來(lái)檢測(cè)水倉(cāng)水位的細(xì)微變化，可在文本顯示器和上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)顯示具體的數(shù)值，主要用來(lái)判斷水位的上升、下降趨勢(shì)，另一套為本安式數(shù)字液位開(kāi)關(guān)，即是3 套浮球液位開(kāi)關(guān)，根據(jù)浮球的浮沉情況設(shè)置了 4個(gè)液位高度，使系統(tǒng)能根據(jù)水位變化情況自動(dòng)開(kāi)停水泵等。礦井下主排水系統(tǒng)采用了3臺(tái)礦用隔爆型三相異步電機(jī)分別作為三臺(tái)水泵的驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的主要參數(shù)：功率450kW，電壓6kV。3臺(tái)水泵均為礦用耐磨型離心泵，其揚(yáng)程為210m，流量為 85m3/h，正常情況下一臺(tái)工作，一臺(tái)備用，一臺(tái)檢修。

根據(jù)系統(tǒng)需求，井下主排水自控系統(tǒng)的 PLC 信號(hào)主要包括三種：數(shù)字量輸入信號(hào)、數(shù)字量輸出信號(hào)和模擬量輸入信號(hào)。其中數(shù)字量輸入信號(hào)主要包括各水泵工作方式的選擇、水泵的啟動(dòng)和停止信號(hào)、水泵控制方式的選擇、主副真空泵的選擇、真空泵的啟動(dòng)停止、急停、復(fù)位、浮球液位開(kāi)關(guān)和排水閘閥、電磁閥的開(kāi)關(guān)到位信號(hào)等；數(shù)字量輸出信號(hào)則包括水泵的啟動(dòng)停止控制信號(hào)、故障指示、急停指示、水泵運(yùn)行指示、水位超限指示、排水閘閥和電磁閥開(kāi)關(guān)控制信號(hào)等；而模擬量輸入信號(hào)則有水泵出水口正壓力、水泵吸水口負(fù)壓力（即真空度）、水泵軸溫、電機(jī)軸溫、主副排水管路流量、水泵電機(jī)的開(kāi)停檢測(cè)和水倉(cāng)水位等。因此，PLC 各模塊具體的信號(hào)連接方式如上圖B所示：

根據(jù)系統(tǒng)的 I/O 點(diǎn)數(shù)我們選擇西門(mén)子公司的S7-200系列 PLC作為控制核心，包括1個(gè) CPU226CN模塊，1個(gè)EM223CN數(shù)字量I/O擴(kuò)展模塊，5個(gè)EM231模擬量輸入擴(kuò)展模塊，1 個(gè)CP243-1 通訊模塊，所有模塊總共有56個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)，48個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，20個(gè)模擬量輸入點(diǎn)，系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)仍有余量，可作為以后擴(kuò)展功能用。

（2 結(jié)論

井下自動(dòng)排水自控系統(tǒng)以西門(mén)子的S7-200系列PLC為控制核心，采用PLC上位機(jī)相結(jié)合的方式，成功實(shí)現(xiàn)了煤礦井下主排水系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)水倉(cāng)水位和系統(tǒng)其它參數(shù)的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水泵啟停的自動(dòng)控制和合理調(diào)度等，并從程序上實(shí)現(xiàn)了水泵的輪換工作、避峰就谷等功能。實(shí)現(xiàn)了煤礦井下主排水系統(tǒng)的就地和遠(yuǎn)程監(jiān)控，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)繼電器控制的不足，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，具有操作方式簡(jiǎn)單，設(shè)備使用壽命長(zhǎng)和安裝、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

[責(zé)任編輯：楊玉潔]