煤礦泵房無人值守系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

翟學(xué)成 王海君 郝允領(lǐng) 劉 磊

（1.昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司信息中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000；2.華洋通信科技股份有限公司，江蘇徐州221000；3.山東新汶礦業(yè)集團(tuán)華豐煤礦，山東泰安271413）

0 引言

眾所周知，煤礦井下水泵排水是涉及礦井安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生井下超負(fù)荷排水，不僅會(huì)影響煤礦的正常產(chǎn)煤，危害礦井安全，甚至還會(huì)造成嚴(yán)重的生命事故。

現(xiàn)階段我國主流煤礦自動(dòng)化排水主要采用的是現(xiàn)場工人人工開停水泵的模式，該種方式的弊端是工人操作頻繁，突發(fā)處置能力差，不能做到遠(yuǎn)程自動(dòng)快速開停水泵，而且存在著極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

本文從華豐煤礦1260泵房的實(shí)際出發(fā)，針對目前排水系統(tǒng)的現(xiàn)狀，同時(shí)參考國內(nèi)主流設(shè)計(jì)原理，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)和控制理論，利用先進(jìn)的工業(yè)專用PLC和液位檢測裝置，設(shè)計(jì)了一套適合華豐煤礦的自動(dòng)化排水系統(tǒng)。

系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是可以根據(jù)水位及水泵運(yùn)行時(shí)間，按照“輪班工作制”自動(dòng)啟動(dòng)與停止水泵，不僅延長了水泵的使用壽命，還可根據(jù)用電“避峰就谷”原則控制水泵開停。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦井排水的自動(dòng)化控制和地面遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了水泵有效利用率，大大降低了生產(chǎn)成本；可以很好地保護(hù)現(xiàn)場硬件設(shè)備，延長設(shè)備使用周期，提高排水效率，減少不必要的開機(jī)時(shí)間。

1 系統(tǒng)實(shí)施

本次改造針對華豐煤礦1260泵房。該泵房有水泵3臺(tái)，串電抗器啟動(dòng)；排水管路2趟，水倉2條；真空泵2臺(tái)，射流引水真空裝置2套。

地面監(jiān)控站設(shè)置在調(diào)度集中控制中心，通過工作站安裝的軟件對井下泵房相關(guān)設(shè)施進(jìn)行集控和監(jiān)視。針對泵房現(xiàn)場實(shí)際需求，定制開發(fā)滿足系統(tǒng)需求的組態(tài)畫面；下位機(jī)采用西門子S7系列編程軟件，開發(fā)系統(tǒng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)泵房就地/遠(yuǎn)程控制、無人值守、避峰填谷。

泵房配置一臺(tái)礦用隔爆兼本安型監(jiān)控分站，作為每一個(gè)泵房數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制總站，采用西門子S7系列PLC，配置數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、以太網(wǎng)通信光口/電口。

礦用PLC作為1260泵房排水點(diǎn)監(jiān)控的核心，主要負(fù)責(zé)完成與地面調(diào)度室的雙向數(shù)據(jù)傳輸與共享，并且兼顧泵房內(nèi)高壓電機(jī)啟停及數(shù)據(jù)采集，與各泵監(jiān)控分站I/O進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，完成各泵設(shè)備數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制。針對1260泵房技術(shù)現(xiàn)狀，每臺(tái)水泵配置礦用隔爆兼本安型綜合接入從站及礦用本安型顯示控制箱，完成井下1260泵房的控制。

礦用隔爆兼本安型綜合接入從站作為監(jiān)控分站I/O，完成單泵數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制，能夠與監(jiān)控主站進(jìn)行以太網(wǎng)通信，并可實(shí)時(shí)接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，響應(yīng)主站命令。礦用本安型顯示控制箱負(fù)責(zé)完成就地設(shè)備的操作與控制，并且就地顯示就地設(shè)備各狀態(tài)。礦用本安型操作臺(tái)采用不銹鋼材質(zhì)，配置10寸顯示觸摸屏，在屏幕上可實(shí)時(shí)顯示泵房內(nèi)設(shè)備參數(shù)以及運(yùn)行狀況等，并與監(jiān)控主站相互配合，實(shí)現(xiàn)泵房設(shè)備集中控制。還配置了語音報(bào)警，包含地面集控中心的實(shí)時(shí)語音報(bào)警、井下泵房現(xiàn)場實(shí)時(shí)語音報(bào)警。

地面集控中心語音報(bào)警：能夠全面實(shí)時(shí)完成系統(tǒng)內(nèi)各種報(bào)警，通過工程師站驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警。

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

在現(xiàn)場布置視頻巡檢攝像儀，配置導(dǎo)軌，攝像儀采用球形攝像儀，360°旋轉(zhuǎn)對泵房情況進(jìn)行監(jiān)視。

系統(tǒng)能夠采集與檢測的數(shù)據(jù)類型如下：

PLC模擬量數(shù)據(jù)檢測：水泵吸水口真空度、水倉水位、流量、主排水管壓力、電動(dòng)閘閥開度、電機(jī)溫度、泵體溫度、高開柜電流、高開柜電壓。

PLC開關(guān)量數(shù)據(jù)采集：水泵電機(jī)啟動(dòng)柜合分閘狀態(tài)及故障狀態(tài)、電動(dòng)閥門的開關(guān)到位與限位、射流球閥到位狀態(tài)與故障指示狀態(tài)、水泵控制電機(jī)的顯示狀態(tài)、高低水位狀態(tài)、攝像儀移動(dòng)位置狀態(tài)等。

系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確描述儲(chǔ)水倉水位，而且可以在系統(tǒng)設(shè)定好的高低水位進(jìn)行語音及聲光報(bào)警提示。

溫度巡檢功能：系統(tǒng)可接入溫度巡檢儀傳感器，采集電機(jī)預(yù)埋的溫度傳感器的信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)為PT100熱電阻探頭。

水泵控制程序如圖1所示。

圖1 水泵自動(dòng)控制程序圖

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及程序處理主要通過可編程控制器實(shí)現(xiàn)，可編程控制器通過埋入水池的液位傳感器測量水倉水位，將采集到的水位變化信號(hào)及模擬量值進(jìn)行邏輯判斷及處理，同時(shí)根據(jù)事先編制好的程序按照邏輯關(guān)系開停各種設(shè)備。礦井的涌水量采用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行分析，根據(jù)水量開停一定數(shù)量的水泵。系統(tǒng)各種輔助傳感器如水泵系統(tǒng)電流、溫度、流量、壓力、煙霧等等傳感器，主要用于輔助判定設(shè)備的狀態(tài)，根據(jù)邏輯關(guān)系輔助控制水泵系統(tǒng)的啟停。

2 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

1260泵房無人值守智能化系統(tǒng)建成至今，使用效果顯著，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)壓力、流量、液位等相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，而且可以對泵房相關(guān)數(shù)據(jù)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視；結(jié)合吸水井液位、工藝流程或用電費(fèi)用情況合理調(diào)度水泵投入或備用；結(jié)合傳感器采集到的設(shè)備狀態(tài)判斷設(shè)備是否有故障，如有故障可以發(fā)出告警指示，并根據(jù)故障類型停泵。

具體從以下幾個(gè)方面進(jìn)行說明：

（1）利用傳感器能自動(dòng)進(jìn)行排水流量計(jì)算。

（2）根據(jù)水倉水位自動(dòng)控制水泵開停，具備高低水位檢測功能；具備超水位保護(hù)報(bào)警功能；當(dāng)真空度排到開泵值時(shí)能自動(dòng)泵水，自動(dòng)打開閘閥；當(dāng)水位至最低時(shí)自動(dòng)關(guān)閉閘閥，自動(dòng)停泵。

（3）該系統(tǒng)安裝有無人值守工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)，視頻巡檢攝像頭可以變焦、旋轉(zhuǎn)云臺(tái)控制，可以手動(dòng)、自動(dòng)錄像，并在任意時(shí)間段定時(shí)設(shè)定錄像。

（4）自動(dòng)控制：系統(tǒng)設(shè)置了兩套水位傳感器——模擬量和數(shù)字量傳感器，兩套傳感器互為備用參考，可根據(jù)礦井涌水量和用電負(fù)荷，控制在用電低峰和一天中電價(jià)最低時(shí)開啟水泵，用電高峰和電價(jià)高時(shí)停運(yùn)水泵，以達(dá)到避峰填谷及節(jié)能的目的。

（5）系統(tǒng)可以通過檢測水倉水位和其他參數(shù)，控制水泵輪流工作并合理調(diào)度啟動(dòng)備用泵運(yùn)行。系統(tǒng)通過觸摸屏以圖形、圖像、數(shù)據(jù)、文字等方式，直觀、形象、實(shí)時(shí)地反映系統(tǒng)工作狀態(tài)以及水倉水位、電機(jī)工作電流、電機(jī)溫度、軸承溫度、2趟排水管流量等參數(shù)，并通過通信模塊與綜合監(jiān)測監(jiān)控主機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

（6）預(yù)警功能：系統(tǒng)用圖形填充以及趨勢圖、棒狀圖方式和數(shù)字形式準(zhǔn)確實(shí)時(shí)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(hào)和低段、超低段、高段、超高段水位分段報(bào)警，用不同的音響形式提醒工作人員注意。

（7）通信接口：可編程控制器通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信接口和標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，與觸摸屏、從站進(jìn)行全雙工通信，將水泵機(jī)組的工作狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)傳至觸摸屏，完成各數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示；同時(shí)，操作人員也可利用觸摸屏將操作指令傳至PLC，控制水泵運(yùn)行；且通過通信接口上傳至調(diào)度室，可與礦井其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)。

3 結(jié)語

1260泵房無人值守系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝完成至今，運(yùn)行狀況良好，各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)都比較滿意，達(dá)到了無人值守和大數(shù)據(jù)分析的目的。本系統(tǒng)的成功運(yùn)用為煤礦的智能化建設(shè)以及煤炭行業(yè)大數(shù)據(jù)的成功實(shí)踐起到了表率作用，而且該項(xiàng)目能夠提升礦井的形象及效益，值得行業(yè)內(nèi)借鑒。