煤礦井下排水系統(tǒng)自動化監(jiān)控設備的開發(fā)

馮冬生

（山西離柳焦煤集團有限公司， 山西 孝義 032302）

引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，為了滿足人類社會不斷對煤炭需求量的增加，各礦山企業(yè)不斷加大對煤炭的開采力度和深度，這就導致了井下對排水裝置的需求量也隨之增加。在開采的過程中，地下水、滲透水以及各類設備的冷卻水會不斷流入井下巷道內(nèi)，因此就需要井下排水系統(tǒng)將這些積水排出巷道，傳輸?shù)降孛嫔先?，一旦排出不及時或者遇到井下涌水事故，將導致重大經(jīng)濟損失，甚至造成嚴重的人員傷亡事故[1]。

目前，我國大多數(shù)煤礦對井下排水設備，采用的是人工監(jiān)控方式，該方式存在著監(jiān)控效果差、反饋滯后性大、無法及時有效對各排水單元進行實時控制等問題，因此迫切需要建立一套完善的煤礦井下排水系統(tǒng)的自動化監(jiān)控設備，確保煤礦的安全生產(chǎn)。

1 排水系統(tǒng)自動化監(jiān)控設備的技術要求

為了徹底解決目前井下排水系統(tǒng)由人工監(jiān)測、人工操作控制導致的監(jiān)控效果差、安全性低、資源消耗量大、反應滯后等難題，新的井下排水系統(tǒng)自動化監(jiān)控設備應具有以下特點：

1）響應速度快。煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境極端惡劣，各種不穩(wěn)定因素較多，因此要求監(jiān)控設備能夠?qū)崟r對各種信息進行有效的采集，同時為了保證井下作業(yè)人員的安全，還要求煤礦井下監(jiān)控設備能夠?qū)Υ嫠畢^(qū)域的存水情況進行有效的實時監(jiān)控，當水情超過預設的警戒線時，能夠迅速啟動排水并發(fā)出報警信號，通知相關區(qū)域的人員迅速撤離危險區(qū)域。

2）可靠性高。煤礦井下巷道內(nèi)的作業(yè)環(huán)境差，因此煤礦井下排水系統(tǒng)監(jiān)控設備需要能夠確保在惡劣環(huán)境中工作的可靠性，這既包括PLC控制系統(tǒng)對排水系統(tǒng)各類運行信號采集的可靠性，也包括信號在網(wǎng)絡設備內(nèi)傳輸和反饋的可靠性。

3）系統(tǒng)信息圖表化。能夠?qū)⒉杉?、分析提取的信息實時的以圖表形式進行顯示，實現(xiàn)整個監(jiān)控系統(tǒng)的直觀化操作。

2 自動化監(jiān)控設備的總體結(jié)構(gòu)設計

在對煤礦井下排水系統(tǒng)監(jiān)控設備功能和要求進行分析的基礎上，提出了以PLC控制系統(tǒng)為核心的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，其主要包括監(jiān)控分站、上位機控制中心及網(wǎng)絡通訊結(jié)構(gòu)[2]，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)控設備的總體結(jié)構(gòu)示意圖

該監(jiān)控系統(tǒng)是以PLC控制系統(tǒng)作為整個監(jiān)控系統(tǒng)的處理核心，以現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集單元為基本載體，配合位于監(jiān)控目標處的各類傳感器設備和相關的驅(qū)動控制設備，在網(wǎng)絡通訊中心系統(tǒng)和以太環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)的支持下所建立起來的，實現(xiàn)了地面控制中心的遠程監(jiān)控、設備的現(xiàn)場自控、現(xiàn)場手控及信息監(jiān)測檢修控制等，能夠?qū)孪锏纼?nèi)的積水進行實時水位監(jiān)測、對排水設備內(nèi)的水壓、流量及排水設備的運行參數(shù)進行實時監(jiān)測和控制。能夠?qū)⒈O(jiān)測到的各類信號以圖形、數(shù)據(jù)、表格、圖表等直觀的形式直接在地面信息控制中心進行實時顯示，實現(xiàn)對各類設備運行

狀態(tài)的實時監(jiān)測，從而實現(xiàn)井下排水系統(tǒng)的自動化，

確保設備運行的準確性、及時性和可靠性。

3 自動化監(jiān)控分站結(jié)構(gòu)設計

自動化監(jiān)控系統(tǒng)的分監(jiān)控站是位于一線的數(shù)據(jù)監(jiān)控點，其主要包括分站信息匯總處理系統(tǒng)，顯示設備、各類傳感器設備、流量計、液位計等，在自動化監(jiān)控系統(tǒng)運行的過程中，監(jiān)控分站主要對其控制站點的排水系統(tǒng)各類設備的運行情況進行實時監(jiān)測，然后將這些采集到的信息進行初步的處理并上傳中央處理系統(tǒng)[3]，其基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)控分站的結(jié)構(gòu)示意圖

監(jiān)控分站的設置實現(xiàn)了將傳統(tǒng)的對各類排水設備的分散控制提升到了集成控制的層次，減少了各類操作人員的數(shù)量，不僅極大地提高了對一線排水設備的監(jiān)測、控制效率，而且能夠大大減少在井下工作人員的數(shù)量，為員工的安全提供了保障，為實現(xiàn)一線監(jiān)控分站對于各類數(shù)據(jù)采集的準確性及工作的可靠性，其應具有工況監(jiān)測、集中/手工控制、遠程控制、系統(tǒng)自檢及各類保護功能。

4 上位機控制中心的結(jié)構(gòu)設計

在整個監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成中，上位機控制中心的主要作用是將從各一線監(jiān)控分站采集、傳輸過來的信息進行集中分析處理，根據(jù)分析處理的結(jié)果將巷道內(nèi)各排水設備的實時工作狀態(tài)以圖表的形式進行呈現(xiàn)，便于集控中心的控制人員實時掌握井下巷道內(nèi)的積水情況，并及時傳遞給一線的監(jiān)控分站，并控制相應的排水設備進行指定的操作，作為核心的人機交互接口，其承擔著控制人員和設備之間的對話任務，這就要求上位機控制中心在進行設計時需要具有極強的可交互性、簡單、清晰、明了的信息顯示功能，能夠?qū)⒈O(jiān)控分站傳遞上來的一線排水設備的工作情況進行實時的動態(tài)顯示，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

5 網(wǎng)絡通信結(jié)構(gòu)設計

圖3 上位機監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)示意圖

因自動化監(jiān)控系統(tǒng)由位于井下的各分監(jiān)控站點及位于地面上的集控中心組成，各分站點之間的距離及其與地面集控中心的距離可長達數(shù)十公里，為了確保信息在傳輸過程中的及時性、有效性、準確性、完整性，因此我們需要該監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)的網(wǎng)絡通信采用點對點式的分布結(jié)構(gòu)[4]。這種結(jié)構(gòu)形式可以使不同設備之間的信息通過相互之間的高速光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)進行傳遞，可以有效地消除設備檢測單元、控制中心之間可能存在的信息隔斷，確保信息傳遞的順暢性，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡通信結(jié)構(gòu)示意圖

6 結(jié)語

目前，我國煤礦井下排水通常采用人工檢測、檢查、控制的方式，這種模式不僅存在著控制不及時、監(jiān)測效果差的難題而且遠不能滿足礦山設備自動化、智能化的發(fā)展方向，因此，在分析現(xiàn)有井下排水系統(tǒng)優(yōu)缺點的基礎上，提出了一種基于PLC控制系統(tǒng)為核心的井下排水系統(tǒng)自動化監(jiān)控設備，大幅提高了煤礦井下排水系統(tǒng)工作的可靠性和穩(wěn)定性，為煤礦行業(yè)的安全生產(chǎn)提供了極強有力的保障，具有一定的經(jīng)濟和社會效益。

[1] 國家發(fā)展與改革委員會. 煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃[Z].2012-06-08

[2] 陶睜.監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在能源管理中的應用研究[D].重慶：重慶大學，2009.

[3] 葛衛(wèi)民.基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能電量采集硬件平臺和監(jiān)控系統(tǒng)[D].天津：天津大學，2010.

[4] 黃位華.基于工業(yè)以太網(wǎng)的水量監(jiān)測及管理決策系統(tǒng)的開發(fā)[D].太原：太原理工大學，2012.