礦山排水系統(tǒng)遠程自動化監(jiān)控系統(tǒng)研究

郭永鳳

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710300)

0 前 言

金屬礦是原材料工業(yè)發(fā)展的重要支撐，尤其鎢鉬等有色小金屬礦山的開采是驅(qū)動裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵，但該種礦山的整體資源品位低且水文條件復雜，在開采過程中，容易破壞礦體圍巖和頂板含水層，將地表及地下導水通道打開，使水流入井巷和采區(qū)，引發(fā)礦井涌水和透水[1]，對礦山生產(chǎn)安全帶來極大的威脅。而井下排水系統(tǒng)通過配置相應(yīng)的水泵、排水管理、水倉等可將礦井涌水排至地面，是確保礦井安全作業(yè)的關(guān)鍵，但傳統(tǒng)的人工啟停閥門、水泵的控制模式，增加了勞動強度，且因為無法實時監(jiān)控，故障發(fā)生率較高，為此，亟待引入自動化控制技術(shù)開發(fā)一種“無人值守”的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，以根據(jù)水倉水位變化，自動水泵啟停，而SCADA系統(tǒng)作為一種數(shù)據(jù)采集和自動化控制系統(tǒng)，通過融合PAC工控器、傳感器設(shè)備及上位機監(jiān)控軟件，可實時監(jiān)測使泵環(huán)境參數(shù)變化，以自動、高效的完成礦井排水任務(wù)，是降低人工操作失誤，提升礦山排水系統(tǒng)效用性。

1 礦山概述

陜西太山廟鎢鉬礦位于南秦嶺一帶多金屬成礦區(qū)域內(nèi)，該地區(qū)礦質(zhì)條件優(yōu)越，融合了多種類型的有色金屬礦，鎢鉬等資源豐富，預(yù)計產(chǎn)量為5～10 WO3萬t，該礦山的開采規(guī)模不大，井下開采位于400～850 m中段，而隨著開采深度的不斷下移，井下中段將不斷增加，運輸巷道將繼續(xù)延伸，但井下中段和巷道布局的密集性，使得礦井排水系統(tǒng)存在點多線長的問題，目前，礦井下布設(shè)了-600 m主泵房、426 m副泵房，排水系統(tǒng)主要由多級離心式水泵、水泵電機、啟動設(shè)備、底閥、配電設(shè)備等構(gòu)件組成，通常，24 h的用量為15 021 m3，最大涌水量為18 508 m3，額定揚程及流量分別為180 m、521 m3/h，仍然采用傳統(tǒng)的人工觀測水倉水位和手動控制水泵啟停的方式，對排水系統(tǒng)進行操作，該種方式完全依賴于人的經(jīng)驗、操作失誤多[2]，無法確保礦井生產(chǎn)安全性，且效率低、經(jīng)濟性差，針對此種問題，需要對排水系統(tǒng)控制方式進行改造，采用流量計、液位計等傳感器來監(jiān)測水倉參數(shù)變化，通過自動控制水泵機組的啟停，來實現(xiàn)高效、精準的排水。

2 系統(tǒng)的設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

結(jié)合排水系統(tǒng)的應(yīng)用需求，遠程自動控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)水倉水位、供電峰谷布局自動啟停水泵電機、調(diào)度水泵運行，并可實時監(jiān)測使泵流量、水倉水位等信息狀態(tài)，通過網(wǎng)絡(luò)與上位機監(jiān)控軟件進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)“無人值守”的監(jiān)測，并在發(fā)現(xiàn)排水系統(tǒng)異常和故障時，及時發(fā)出預(yù)警信號，根據(jù)該功能需求，工業(yè)控制SCADA系統(tǒng)是以計算機為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集和自動化控制系統(tǒng)，其使用統(tǒng)一的操作系統(tǒng)、接口和系統(tǒng)模塊，可與各類網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)進行有效融合，適用于點多、分散的排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和遠程自動化控制的需求，以其為系統(tǒng)選型搭建監(jiān)控系統(tǒng)的整體框架，可對各水倉水位、出口流量、水泵流量及電流等進行無人值守的自動化監(jiān)測，并將結(jié)果反饋給水泵控制器，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)自動控制水泵的啟停，將礦井涌水順利排出，整個系統(tǒng)將由現(xiàn)場控制級、過程控制級及監(jiān)控控制級構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 排水系統(tǒng)遠程自動化監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

由圖1可知，該控制系統(tǒng)將采用由上至下的層級結(jié)構(gòu)，最底層的“現(xiàn)場控制級”關(guān)聯(lián)了流量、液位及電力監(jiān)測等傳感器，用于監(jiān)控和采集礦山生產(chǎn)中水倉水位、礦井涌水量、水泵電動機工作狀態(tài)，并將所得參數(shù)結(jié)果傳輸給水的控制器之中，也即“過程控制級”，由其根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、分析和處理，并作出邏輯判斷，自動控制水泵的啟停，并在發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障或涌水問題時，及時發(fā)出預(yù)警信號，并經(jīng)由通訊網(wǎng)絡(luò)將其上傳至“監(jiān)督控制級”，該層利用可視化軟件實現(xiàn)人機交互，可由其整合、存儲監(jiān)測參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)的主要功能

結(jié)合上述框架體系可知，系統(tǒng)將由數(shù)據(jù)采集和檢測、啟?？刂?、通訊網(wǎng)絡(luò)及上位機等模塊構(gòu)成，以此完成排水設(shè)備參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)分析，并據(jù)此通過通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)出啟?？刂浦噶睿瑢崿F(xiàn)與上位機的交互，具體，系統(tǒng)的功能模塊如下分析。

1)數(shù)據(jù)采集及檢測

配置電量、溫度、振動、液位、流量等傳感器和檢測儀器，以對水泵振動數(shù)據(jù)、電壓、電流、軸轉(zhuǎn)速度、排水流量、水倉液位高度等數(shù)據(jù)進行采集，并檢測水泵啟動柜真空斷路器、接觸器的運行狀態(tài)、電動閥門的啟閉位置及工作性能等[3]，并將現(xiàn)場采集、檢測的數(shù)據(jù)結(jié)果經(jīng)由通訊網(wǎng)路上傳至PAC控制系統(tǒng)。

2)啟?？刂颇K

該模塊主要整合采集的數(shù)據(jù)信息，并經(jīng)由PLC/PAC等模擬量輸入模塊進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過微分計算方法得出單位時間內(nèi)各水位段水倉水位的上升速率，并設(shè)定水泵啟停的上下限，并以此作為水泵控制器啟停的邏輯處理條件和依據(jù)，在高水位時啟動水泵排水，低水位時關(guān)閉水泵停止排水，并在水位超限時及時發(fā)出預(yù)警，避免水流倒灌引發(fā)水泵和電動機的故障[4]，甚至造成礦井涌水問題。

3)上位機監(jiān)控模塊

該模塊是人機交互的模塊，提供與SQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的接口，以將現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備獲取的水泵、水倉等數(shù)據(jù)參數(shù)根據(jù)既定規(guī)則存儲至數(shù)據(jù)庫之中，并可生成參數(shù)報表，以視圖方式顯示出來，供操作人員查看、分析和下載；同時還可接受來自啟停控制中心下達的指令，進行遠程控制操作。可采用具備豐富設(shè)備支持庫、強大語言處理能力的組態(tài)王6.55以模塊形式開發(fā)上位機軟件，進行IO設(shè)備組態(tài)、SQL Server數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

4)網(wǎng)絡(luò)通訊

該模塊集成了數(shù)據(jù)傳輸、、設(shè)備監(jiān)測、操作控制等多種功能，可依賴于該礦山已經(jīng)構(gòu)建的有線、無線局域網(wǎng)基于IEEE802.11協(xié)議標準的TCP/IP通訊網(wǎng)絡(luò)，通過以太網(wǎng)接入設(shè)備，利用通信接口和協(xié)議，實現(xiàn)各模塊的全過程通信，可將水泵的運行參數(shù)傳遞給上位機軟件，進行動態(tài)顯示，且操作人員可利用通訊網(wǎng)絡(luò)向水泵控制器發(fā)出質(zhì)量，自動控制器啟停。

3 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計分析

3.1 水泵設(shè)計

水泵作為礦井下排水系統(tǒng)的核心構(gòu)件，其正常運行是實現(xiàn)礦井順利排水的關(guān)鍵，但在自動啟停運行下，因為涌水摻雜泥沙物質(zhì)，對于水泵損害嚴重，需要根據(jù)涌水量配置多個水泵或排水管理，而為了保證各設(shè)備的正常運行，可采用“輪換工作制”[5]進行水泵設(shè)計，以循環(huán)的方式輪換使用水泵，以便及時發(fā)現(xiàn)故障、進行處理，結(jié)合該鎢鉬礦排水系統(tǒng)中水泵的使用頻率，可依照“1#→2#→3#→1#”的順位輪換使用啟動水泵，一旦系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某個水泵發(fā)生故障時，可及時發(fā)出預(yù)警，故障水泵將不再參與輪換，其余水泵和管路將依順序遞補正常運行，水泵輪換控制邏輯如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)各泵的啟?？刂七壿?/p>

同時，為了實現(xiàn)節(jié)能減排，可采用“避峰就谷”策略[6]，將礦井生產(chǎn)時段的用電量劃分為峰段、谷段，在峰段可利用水倉的有效容積存儲井下排水，以此控制水泵的啟動數(shù)量，減少用電量，而在谷段時間內(nèi)可啟動多個水泵統(tǒng)籌排水，將水倉水位降至最低位。實際操作中，為在確保安全同時實現(xiàn)節(jié)能，可根據(jù)水倉水位變化率來判斷泵房的涌水量， 依據(jù)水倉水位變化率來預(yù)判泵房的涌水量和水泵的排水量，結(jié)合礦井生產(chǎn)情況計算水倉的余量[7]，并通過水泵運行時間的計量來判定電量負荷，在設(shè)計水泵“避峰就谷”的控制邏輯時，取8個水位點為監(jiān)測對象，劃分為8個區(qū)段，8段為上限水位、7段為預(yù)警水位，當水位上升至7段時，則需要開啟水泵排水，由此，水倉水位的監(jiān)測是實現(xiàn)“避峰就谷”安全實施的關(guān)鍵，可據(jù)此設(shè)定控制邏輯，當?shù)V山供電系統(tǒng)處于“谷段”時，若水倉水位上升至水位點6時，則啟動兩臺水泵，若持續(xù)上升至7時，啟動第3臺水泵，發(fā)送預(yù)警信號，而當處于“峰段”時，若水位點位于6時，啟動1臺水泵，若上升至水位點7時，則不論水位上升速率緩慢或快速，均需要啟動兩臺水泵，當水位繼續(xù)上升時，再啟動余下的1臺水泵，而若在處于“谷段”，快要達到“峰段”時，若水位在水位點5，則需要啟動水泵排水。

3.2 PAC控制系統(tǒng)

水泵電機、水倉水位等運行過程參數(shù)的采集與監(jiān)控是系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵，而要實現(xiàn)管控一體化，就需要選用適宜的采集和控制編輯控制器，PAC性能多樣、支持OPC、DCOM等網(wǎng)絡(luò)通訊標準，可與上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，且具有數(shù)據(jù)存儲、處理等優(yōu)勢，為此，將選用研華APAX-5000系列的PAC工業(yè)控制器作為系統(tǒng)的控制元件，該種PAC工業(yè)控制器提供開放式開發(fā)架構(gòu)，將水泵控制、信息采集、處理及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能均整合至單一的控制系統(tǒng)之中，可以有效連接傳感器和檢測儀器，獲取水泵運行過程參數(shù)，并利用網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，PAC控件中存儲了水泵抽水累積程序，設(shè)定Q(m3/h)為瞬時流量，每間隔△t(s)統(tǒng)計一次累積量S[8]：

上式中，S0是上一次累積流量。利用流量計測得實際流量Q，并將其轉(zhuǎn)換為4～20 mA 標準的電流信號，該電流限號將傳至PAC中的AI模塊經(jīng)過轉(zhuǎn)化，即可獲得PAC輸入映像區(qū)流量信號，由此，上位機便可根據(jù)該信號發(fā)出水泵啟停的操控指令，實現(xiàn)排水的遠程自動控制。具體，可采用Multiprog對PAC軟件進行編程，可在其中調(diào)用并對相關(guān)參數(shù)賦值即可完成相應(yīng)功能模塊的開發(fā)，其功能設(shè)置如下：

1)核心CUP模塊

該模塊融合了數(shù)據(jù)的分析、處理及邏輯判斷，是PAC控制元件的核心，APAX-5000系列提供了一些列CPU模塊，系統(tǒng)可根據(jù)需求通過更換CPU模塊來滿足水泵控制任務(wù)的變動需求，進行控制系統(tǒng)的升級，省略了重新編程的步驟，且其配置了多個插槽，可為不同模塊設(shè)備的配置提供支撐。

2)AI模擬輸入模塊

該模塊負責整合現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集裝置獲取的模擬信號，其連接BR-HLV威力巴流量計，其通過測量流體的全壓力包括靜壓力和平均速度壓力P1、P2，將P1、P2分別引入差壓變送器，測量出差壓△P=P1-P2，△P反映流體平均速度的大小，以此可推算出流體的流量；同時基于實用性、靈敏性等考量選用靜壓式液位計作為水位監(jiān)測設(shè)備，選用YD2020-C智能電力監(jiān)測儀作為水泵電力參數(shù)的自動監(jiān)測儀，電機，而且在監(jiān)測得到流量、液位、電壓、電流等模擬量后，需要利用I/O接口轉(zhuǎn)換為上位機可識別的數(shù)字信號。

3)DI數(shù)字信號輸入模塊

主要是獲取現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)字信號，并將信號傳遞給CPU模塊，其涉及的數(shù)字量輸入為水倉水位的限值、水泵啟動、運行及故障狀態(tài)等，這些數(shù)字量信號多數(shù)由繼電器接觸點或點擊保護器接觸點等控制設(shè)備給出。

4)DO數(shù)字量輸出模塊

可向現(xiàn)場控制級中的注水電磁閥、水泵電動機等動作部件，發(fā)出啟停指令的數(shù)字信號。

4 結(jié) 語

自動化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等的發(fā)展，為礦區(qū)排水系統(tǒng)的“無人值守”的智能化監(jiān)控提供了有效支撐，融合PAC工業(yè)控制器將液位、流量、電力等數(shù)據(jù)采集設(shè)備等優(yōu)勢構(gòu)建的遠程自動化監(jiān)控系統(tǒng)，可根據(jù)水倉水位變化及電量峰谷來自動控制水泵啟停，實現(xiàn)了礦區(qū)排水系統(tǒng)高效、節(jié)能化的發(fā)展。