具有故障自診斷功能的礦井節(jié)能排水控制系統(tǒng)

魏晶

(大同煤礦集團(tuán) 軒崗煤電有限責(zé)任公司， 山西 大同 037000)

0 引言

水災(zāi)事故是我國(guó)煤礦最嚴(yán)重事故之一，尤其是特別重大的水災(zāi)事故，每年都會(huì)導(dǎo)致大量人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。水災(zāi)事故是僅次于瓦斯事故的、造成群死群傷煤礦事故的第二大殺手[1]。由于水災(zāi)事故相對(duì)多發(fā)[2-3]、應(yīng)急救援難度大以及事故后恢復(fù)生產(chǎn)困難等特點(diǎn)，長(zhǎng)期以來(lái)，很多專家、學(xué)者對(duì)煤礦的水災(zāi)事故原因與預(yù)防進(jìn)行了研究,其中通過(guò)工程技術(shù)方法來(lái)改進(jìn)設(shè)備、提高系統(tǒng)的安全性，是預(yù)防水災(zāi)事故的主要技術(shù)手段之一，這種技術(shù)手段在實(shí)際應(yīng)用中占了很大比重。文獻(xiàn)[4]實(shí)際應(yīng)用了“無(wú)底閥水泵自動(dòng)排”設(shè)施，文獻(xiàn)[5]介紹了計(jì)算保安煤柱距離的同時(shí)設(shè)計(jì)了雙套管探放水技術(shù)和水桿分離器裝置。

礦井排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)的四大件之一,擔(dān)負(fù)著將井下源源不斷的積水排出的重要任務(wù),安全可靠的礦井排水系統(tǒng)是礦井工作人員的生命安全和煤礦安全生產(chǎn)的重要保障。本文提出一種具有故障自診斷功能的礦井節(jié)能排水控制系統(tǒng),可達(dá)到優(yōu)化礦井自動(dòng)排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高節(jié)能效果、提升系統(tǒng)可靠性的目的。

1 礦井節(jié)能排水控制

1.1 主要組成

本系統(tǒng)主要由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、S7-300 PLC控制器、ET200分布式IO工模塊、排水設(shè)備系統(tǒng)、信號(hào)實(shí)時(shí)采集與處理系統(tǒng)和故障診斷與優(yōu)化系統(tǒng)等幾個(gè)模塊組成。其中，信號(hào)采集與處理系統(tǒng)包括信號(hào)隔離與處理單元、震動(dòng)傳感器、閘閥上端管路壓力傳感器、閘閥下端管路壓力傳感器、泵腔負(fù)壓傳感器、超聲波液位傳感器和浮球式液位傳感器；故障診斷與優(yōu)化系統(tǒng)包括采集板卡、通信板卡和Labview故障診斷軟件平臺(tái)；排水設(shè)備系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、排水泵、電動(dòng)閘閥、抽真空電磁閥和射流電磁閥。

1.2 各模塊之間的連接方式

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS接口與PLC控制器相連；PLC控制器通過(guò)PROFIBUS接口與分布式IO模塊相連；信號(hào)采集與處理系統(tǒng)中的信號(hào)隔離與處理單元輸入端分別與震動(dòng)傳感器、閘閥上端管路壓力傳感器、閘閥下端管路壓力傳感器、泵腔負(fù)壓傳感器、超聲波液位傳感器和浮球式液位傳感器相連；故障診斷與優(yōu)化系統(tǒng)采集板卡的輸入端與信號(hào)隔離與處理單元的輸出端相連，通信板卡與PLC控制器通過(guò)總線方式相連；排水設(shè)備系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)、排水泵、電動(dòng)閘閥、抽真空電磁閥和射流電磁閥的控制端子分別連接到分布式工IO模塊的輸入輸出端上。

2 系統(tǒng)工作原理及工作過(guò)程

2.1 工作原理

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

信號(hào)采集與處理系統(tǒng)同時(shí)使用超聲波液位傳感器和浮球式液位傳感器監(jiān)測(cè)水位,超聲波水位傳感器用于檢測(cè)實(shí)時(shí)水位信號(hào),以計(jì)算水位變化率,浮球式液位傳感器用于檢測(cè)上下極限水位和關(guān)鍵水位,雙傳感器冗余檢測(cè),以提高系統(tǒng)可靠性。

泵腔負(fù)壓傳感器用于射流抽真空過(guò)程中檢測(cè)水泵泵腔真空度,判斷水泵是否可以正常自吸排水,以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)機(jī)。

電動(dòng)閘閥接于水泵出水口管路上,上下方均設(shè)置有壓力傳感器,在水泵電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后,在判斷出水口壓力大于閘閥上方管路壓力的條件下,打開(kāi)電動(dòng)閘閥進(jìn)行正常排水,以避免因出水口壓力不足造成的水錘事故。

電動(dòng)機(jī)、水泵、管路上均布置震動(dòng)傳感器采集震動(dòng)頻率,震動(dòng)頻率經(jīng)采集板卡進(jìn)入故障診斷與優(yōu)化系統(tǒng)與典型故障震動(dòng)頻率特征信號(hào)進(jìn)行比對(duì)分析,進(jìn)行故障診斷,診斷結(jié)果通過(guò)總線傳輸給控制器,控制器響應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的安全動(dòng)作輸出,保證系統(tǒng)安全。

2.2 工作過(guò)程

PLC根據(jù)當(dāng)前水位、水位變化率、當(dāng)前時(shí)間和階梯電價(jià)時(shí)間綜合分析處理后,決策開(kāi)啟排水系統(tǒng)進(jìn)行排水時(shí),PLC控制通過(guò)總線將啟動(dòng)命令傳輸給分布式IO模塊,分布式IO模塊輸出具體控制信號(hào),打開(kāi)射流電磁閥和真空電磁閥,進(jìn)行抽真空過(guò)程,通過(guò)泵腔負(fù)壓傳感器檢測(cè)泵腔內(nèi)部真空度,當(dāng)真空度達(dá)到設(shè)定值后,PLC控制器輸出信號(hào)控制電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行,水泵正常吸水同時(shí)關(guān)閉射流電磁閥和真空電磁閥,并通過(guò)電動(dòng)閘閥下方管路壓力傳感器檢測(cè)水泵出水口壓力,通過(guò)與閘閥上方管路壓力傳感器的值相比對(duì),在下方壓力傳感器的值大于上方壓力傳感器的值時(shí),再開(kāi)啟電動(dòng)閘閥,接通出水管路,進(jìn)行正常排水。

3 故障診斷過(guò)程

1) 參數(shù)設(shè)定與優(yōu)化過(guò)程。各傳感器信號(hào)通過(guò)信號(hào)隔離與處理單元進(jìn)入故障診斷與優(yōu)化系統(tǒng),故障診斷與優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)前的實(shí)時(shí)傳感器信號(hào),結(jié)合歷史積累的季節(jié)性水文記錄進(jìn)行處理,推測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的水位變化量和變化趨勢(shì),制定開(kāi)啟水泵進(jìn)行排水的水位和水位變化率的參數(shù)值,并將此參數(shù)值通過(guò)總線傳輸給PLC控制器,作為決策開(kāi)泵排水的依據(jù)。

2) 故障診斷與處理過(guò)程。將當(dāng)前狀態(tài)信號(hào)、壓力信號(hào)、震動(dòng)頻率信號(hào)等通過(guò)采集板卡輸入故障診斷與優(yōu)化系統(tǒng),故障診斷與優(yōu)化系統(tǒng)的Labview軟件將數(shù)據(jù)與典型故障震動(dòng)頻率特征信號(hào)進(jìn)行比對(duì)分析,診斷結(jié)果通過(guò)總線傳輸給PLC控制器,PLC控制器按照預(yù)先設(shè)定好的故障應(yīng)對(duì)策略,響應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的安全動(dòng)作邏輯輸出,保證系統(tǒng)安全。

4 結(jié)論

本故障自診斷功能的礦井節(jié)能排水控制系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)和歷史記錄,自動(dòng)優(yōu)化關(guān)鍵控制參數(shù),并傳輸給控制器作為控制依據(jù),不僅能優(yōu)化礦井自動(dòng)排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高節(jié)能效果,而且可以在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行故障自診斷,并根據(jù)診斷結(jié)果自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案,提升系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明,該排水控制系統(tǒng)已取得了良好的效果。