煤礦井下排水自動化系統(tǒng)的研究與設(shè)計

張獻龍 王 嬌 孔二偉,3

（1.平頂山天安煤業(yè)股份 六礦，河南 平頂山467000；2.平頂山天安煤業(yè)股份 二礦，河南 平頂山467000；3.河南理工大學(xué)，河南 焦作454003）

0 引言

隨著國家的科技投入，煤礦礦山數(shù)字化建設(shè)日益迫切，如何實現(xiàn)地面遠程控制監(jiān)測井下大型機電設(shè)備、減員增效、節(jié)約能源等需求日益迫切。目前，絕大部分的煤礦均建設(shè)有千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，這么寬的帶寬如何有效的利用，發(fā)揮其更大的作用，也越來越被研究。

全國自動化程度較高的煤礦，如神話神東公司、兗礦集團、徐礦集團、平煤集團都已經(jīng)把井下的泵房集控、皮帶集控、工業(yè)電視、環(huán)網(wǎng)平臺等系統(tǒng)進行了綜合集成，極大的提高了生產(chǎn)、安全水平，為煤礦安全高效生產(chǎn)、減人提效提供了技術(shù)保障。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

排水自動化系統(tǒng)主要由以下五部分組成。

1.1 地面自動化控制中心

地面監(jiān)控站設(shè)置在集中控制中心，通過工作站對井下泵房相關(guān)設(shè)施進行集控和監(jiān)視。主要設(shè)備、設(shè)施包括工作站、顯示器、不間斷電源、語音報警裝置等。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸線路

單泵、現(xiàn)場操控及顯示裝置與主控設(shè)備之間通過現(xiàn)場總線完成實時數(shù)據(jù)雙向傳輸。

主控設(shè)備與礦井機房及調(diào)度中心通過環(huán)網(wǎng)或光纜實現(xiàn)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)雙向傳輸。

1.3 泵房監(jiān)控單元

泵房監(jiān)控單元由礦用隔爆兼本安型監(jiān)控分站、 信號采集裝置、傳感器等組成，主控制站作為井下控制部分的通信核心，完成分站監(jiān)控信息與地面控制中心的監(jiān)控信息交互傳遞。 同時，通過在現(xiàn)場的操作顯示屏，為井下巡檢人員提供整個系統(tǒng)的運行情況。

井下監(jiān)控單元結(jié)構(gòu)如圖所示，對于需控制的中央泵房系統(tǒng)，中央泵房電控柜已具備微機綜合保護器， 現(xiàn)已有手動操作的電控系統(tǒng)，實現(xiàn)自動控制需再增設(shè)控制單元。信息化整體設(shè)計在每個泵房設(shè)置了一個通訊主站，每個泵設(shè)置一個通訊分站，該監(jiān)控主站可兼作本泵房設(shè)備的控制單元，地面控制中心的控制指令通過以太網(wǎng)或?qū)Ｓ猛ㄓ嵐饫|下達到通訊主站與分站，由其控制泵系統(tǒng)的相應(yīng)動作。

1.4 語音預(yù)警

語音報警包含地面集控中心實時語音報警、泵房現(xiàn)場實時語音報警。

地面集控中心語音報警： 能夠全面實時完成系統(tǒng)內(nèi)各種報警，通過工程師站驅(qū)動對應(yīng)的報警裝置，實現(xiàn)實時報警。

泵房現(xiàn)場語音報警：依據(jù)泵房實際需求，預(yù)先定制好語音報警內(nèi)容，系統(tǒng)控制主站綜合采集的實時數(shù)據(jù)進行及時判斷，確定符合程序設(shè)定報警條件，由系統(tǒng)程序驅(qū)動相對應(yīng)的報警內(nèi)容。 同時能夠?qū)崿F(xiàn)定制泵房簡介播報及各種歡迎用語等。

1.5 視頻巡檢

主要由攝像儀、專用導(dǎo)軌、驅(qū)動電機、主控設(shè)備等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)就地控制攝像儀按照預(yù)設(shè)目標(biāo)移動、能夠?qū)崿F(xiàn)圖像遠傳存儲及實時監(jiān)視、能夠依據(jù)預(yù)設(shè)程序要求自動移動到對應(yīng)目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像拉遠拉近、變焦等功能，能夠隨時顯示攝像儀當(dāng)前位置。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1：

圖1

2 系統(tǒng)具體設(shè)計

2.1 主控設(shè)備

泵房排水自動化系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，在井下泵房設(shè)立一套礦用隔爆見本安型可編程控制主站， 配套一個礦用本安型集中控制操作臺，完成對泵房內(nèi)各受控設(shè)備的集中控制；每臺泵設(shè)立一臺礦用隔爆兼本安型綜合接入網(wǎng)關(guān)，配套礦用本安型顯示控制箱完成就地單泵控制；地面設(shè)立工程師站，雙機熱備，遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)備，實時顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，及時播報系統(tǒng)故障及報警點，形成歷史記錄，供后期查詢及打印報表等。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

井下控制主站作為整個系統(tǒng)的核心， 向上實現(xiàn)實時全雙工通信，接受遠程工程師站控制命令及各參數(shù)設(shè)置， 及時反饋現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)；通過井下集中控制操作臺向控制主站向發(fā)送主控命令，由控制主站執(zhí)行各程序流程，同時在集中控制操作臺實現(xiàn)顯示系統(tǒng)信息；向下與各泵網(wǎng)關(guān)進行總線通信，主站與各泵網(wǎng)關(guān)之間實時數(shù)據(jù)雙向傳輸。

2.3 系統(tǒng)供電

系統(tǒng)配套礦用隔爆型不間斷電源，為系統(tǒng)主控設(shè)備提供不間斷電源。

3 系統(tǒng)控制方式

系統(tǒng)有四種控制方式：就地手動、就地自動、遠程控制、無人值守。

3.1 就地手動

采用手動操作時， 由井下操作人員根據(jù)生產(chǎn)需要以及設(shè)備狀況，通過操作操作臺上的按鈕，實現(xiàn)設(shè)備的啟動、停止。

3.2 就地自動

在操作臺上發(fā)出啟動命令，水泵的電動球閥、電動閘閥及電機等設(shè)備，按照設(shè)定流程啟動。當(dāng)集控操作臺發(fā)出停止命令后，水泵系統(tǒng)將關(guān)閉閘閥后，停止電機。

3.3 無人值守

系統(tǒng)根據(jù)水倉水位個高低及用電時間，實現(xiàn)水泵自動啟停。

3.4 遠程控制

水泵的啟停由地面控制， 同時可以實現(xiàn)無人值守與遠程自動、遠程手動間的切換。

4 系統(tǒng)功能

4.1 故障停泵

1）水泵在自動控制工作方式下運行發(fā)生故障時，計算機將按照所設(shè)定的停泵程序自動停止運行水泵。

2）水泵在“檢修”工作方式下運行，當(dāng)發(fā)生故障需要停泵時，應(yīng)按下列順序操作：

同時關(guān)閉管路的手動閘閥，嚴禁閥門在開通位置停機；

待閥門關(guān)閉到位后，停電動機；

不論水泵在哪一種工作方式下運行， 當(dāng)發(fā)生故障需要緊急停泵時，司機可按下“急?！卑醇~(帶機械自鎖)。

3）故障停泵后，查明故障原因，立即向有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)匯報。

4）按下“故障復(fù)位”按紐，使系統(tǒng)恢復(fù)正常，為啟動備用水泵做好準(zhǔn)備。

4.2 水泵自動輪換

為了防止備用泵、電氣設(shè)備和備用管路長期不用而導(dǎo)致設(shè)備受潮或出現(xiàn)其他故障未經(jīng)及時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時，而不能及時投入以至影響礦井排水安全，控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運行時間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動記錄累計，系統(tǒng)根據(jù)這些運行參數(shù)按一定規(guī)律自動啟停水泵，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當(dāng)水泵在啟動或運行過程中出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動停止故障水泵、投入新的水泵排水，實現(xiàn)水泵自動輪換工作，同時系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警，并在操作屏和地面操作站上動態(tài)閃爍顯示，記錄事故，達到有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理。

4.3 自動控制

系統(tǒng)控制設(shè)計選用了西門子300 系列為控制主機， 該PLC 為模塊化結(jié)構(gòu)，由數(shù)字量I/O、模擬量輸入、通訊口等模塊構(gòu)成。PLC 自動化控制系統(tǒng)根據(jù)水倉水位的高低或者根據(jù)井下用電負荷的高、低峰和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價時間段等因素，建立數(shù)學(xué)模型，合理調(diào)度水泵，自動準(zhǔn)確發(fā)出啟、停水泵的命令，控制水泵運行。

為了保證井下安全生產(chǎn)，系統(tǒng)可靠運行，水位信號是水泵自動化一個非常重要的參數(shù)，因此，系統(tǒng)設(shè)置在不同水艙的兩套超聲波水位傳感器，PLC 將接受到的模擬量水位信號分成若干個水位段， 計算出單位時間內(nèi)不同水位段水位的上升速率， 從而判斷礦井的涌水量，也本系統(tǒng)可以同時檢測井下供電電流值，計算用電負荷率，根據(jù)礦井涌水量和用電負荷， 控制在用電低峰和一天中電價最低時開啟水泵，用電高峰和電價高時停止水泵運行，以達到避峰填谷及節(jié)能的目的。

4.4 動態(tài)顯示

就地動態(tài)模擬顯示選用操作屏，地面操作站系統(tǒng)動態(tài)模擬顯示采用組態(tài)王組態(tài)軟件開發(fā)，系統(tǒng)通過圖形動態(tài)顯示水泵、真空泵、電磁閥和電動閘閥的運行狀態(tài)， 采用改變圖形顏色和閃爍功能進行事故報警，直觀地顯示電磁閥和電動閘閥的開閉位置，實時顯示水泵抽真空情況和出水口壓力值。

用實時趨勢圖方式和數(shù)字形式準(zhǔn)確實時地顯示水倉水位，并在啟停水泵的水位段發(fā)出預(yù)告信號和低段、超低段、高段、超高段水位分段報警，用事先錄制的語音提示形式提醒操作人員注意。

采用圖形、趨勢圖和數(shù)字形式直觀地顯示趟管路的瞬時流量及累計流量、水泵軸溫、電機溫度等動態(tài)值，超限報警，自動記錄故障類型、時間等歷史數(shù)據(jù)， 并通過每臺水泵的流量計算出水泵的有效功率，以提醒巡檢人員及時檢修或更換水泵。

4.5 現(xiàn)場編程

用戶可在現(xiàn)場通過面板上的鍵盤對系統(tǒng)參數(shù)進行修改。

4.6 組網(wǎng)功能

該分站掛接在中央變電所的交換機上，通過交換機與全礦綜合自動化系統(tǒng)連接。

4.7 水泵運行計量/時間/運行統(tǒng)計

圖2 動態(tài)顯示圖

在地面控制站上應(yīng)可分別對每臺水泵的運行電耗、工作時間等進行統(tǒng)計，便于管理人員及時掌握每臺水泵的工況。

4.8 圖形曲線顯示

在地面控制站上應(yīng)可實時顯示各設(shè)備運行圖。并提供開放式的圖形制作軟件，用戶可描繪各種動態(tài)圖形、靜態(tài)圖形，同時支持多種圖形格式，圖形畫面具有鏈接功能，可以很方面地切換其它畫面顯示?？娠@示實時曲線，可顯示年、月、日個時間段的歷史曲線和具體數(shù)據(jù)表。

4.9 實時報警/報警記錄

在現(xiàn)場PLC 控制器上可漢字顯示各故障信息并報警， 在地面控制站上可顯示現(xiàn)場單元當(dāng)前的報警信息以及保存的報警記錄。

圖3 報警信息查詢

5 結(jié)語

煤礦井下排水系統(tǒng)在煤礦的應(yīng)用越來越廣泛，切實提高了礦井的生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了減員增效，提高了安全生產(chǎn)的可靠性，通過管理制度的調(diào)整，最終實現(xiàn)了無人值守作業(yè)，對煤礦科技水平的提高和新型生產(chǎn)工藝的探索有重要的意義。

［1］付鐵斌,王洪林.礦井排水系統(tǒng)監(jiān)測裝置的研制[J].煤礦安全,2004.

［2］宋杰,肖興明,張憲鋒,馬馳.PLC 在煤礦井下主排水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤礦機械,2006，5.

［3］袁小東，鄧先明，王冬冬，盧佳，張敏.基于以太網(wǎng)的煤礦排水綜合自動化系統(tǒng)[J].工況自動化,2009，7.