采區(qū)水倉自動(dòng)控制與集中監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)踐

范 文

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600）

1 概述

井下水泵是煤礦生產(chǎn)的重要設(shè)備之一。實(shí)現(xiàn)井下水泵的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測，是綜合自動(dòng)化建設(shè)的重要組成部分[1]。新元煤礦井下中央水泵房有5 臺型號為MD 450-60×10 耐磨離心泵，8 個(gè)采區(qū)水倉，水倉有效容積50～200 m3不等。采用人工方法進(jìn)行注水排空、開動(dòng)閘閥、觸摸泵體溫度巡檢，泵的起停依賴工人的經(jīng)驗(yàn)。由于巷道內(nèi)設(shè)置的小水倉較多，人工排水任務(wù)量大，且不安全可靠，建設(shè)采區(qū)水倉自動(dòng)化控制及地面集中監(jiān)控系統(tǒng)很有必要[2]。

2 自動(dòng)控制與集中監(jiān)控系統(tǒng)

2.1 監(jiān)控調(diào)度層

為直觀查看井下水倉排水情況，調(diào)度室建設(shè)了地面監(jiān)控主站，監(jiān)測工控機(jī)、組態(tài)軟件、視頻管理和VOIP 音頻共同構(gòu)成地面監(jiān)控調(diào)度層[3]。監(jiān)控主站可以實(shí)時(shí)掌握井下水倉排水狀況，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，立即啟動(dòng)預(yù)警，停止生產(chǎn)，進(jìn)行檢修，確保礦井排水系統(tǒng)安全。

2.2 區(qū)域控制層

在中央水倉控制室建設(shè)區(qū)域控制層[4]，采用KJD127 型井下防爆計(jì)算機(jī)，具體參數(shù)見表1。該計(jì)算機(jī)內(nèi)嵌組態(tài)軟件，能與DXB1140/220 型礦用隔爆型電源箱接口配套使用，通過網(wǎng)口接入9～16 路視頻信號，組態(tài)畫面可切換顯示。

2.3 本機(jī)控制層

本機(jī)控制層采用KTC102+型控制器。該控制器具有集控、就地、手動(dòng)、檢修控制四種方式，見圖1。該控制器性能參數(shù)見表2。當(dāng)切換到就地控制模式時(shí)，系統(tǒng)將不再進(jìn)行自動(dòng)控制，可根據(jù)當(dāng)時(shí)工況自由組合啟停泵號，西輔3#水倉自動(dòng)化監(jiān)控就地控制見圖2；當(dāng)切到手動(dòng)控制模式時(shí)，開啟和停止水泵由就地控制點(diǎn)的操作進(jìn)行控制；檢修方式控制取消傳感器保護(hù)或故障的制約，手動(dòng)操作泵和閘閥，此方式切換便于檢修等特殊情況。

表1 防爆計(jì)算機(jī)參數(shù)

圖1 KTC102+的四種控制方式

圖2 西輔3#水倉自動(dòng)監(jiān)控就地控制

2.4 設(shè)備層

排水系統(tǒng)主要設(shè)備包括電機(jī)、水泵、排水管道、管道閥門等。除在電機(jī)、水泵和管道上做部分機(jī)械結(jié)構(gòu)的改動(dòng)以滿足傳感器的安裝需要外，主要是將原排水閥門更換為電動(dòng)可控閥門，采用多回轉(zhuǎn)礦用隔爆型（ZB 型）閥門電動(dòng)裝置，實(shí)物見圖3，適用閥板做直線運(yùn)動(dòng)的閥門，如增加二級減速蝸輪箱后還可用于閥板做90 度回轉(zhuǎn)的閥門。

表2 KTC102+控制器性能參數(shù)

圖3 ZB 型閥門電動(dòng)裝置

2.5 通訊網(wǎng)絡(luò)管理層

該層設(shè)備主要包含環(huán)網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，擴(kuò)展交換機(jī)、VOIP 語音終端，整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成結(jié)構(gòu)見圖4。

3 功能優(yōu)化

3.1 水位自動(dòng)監(jiān)控功能優(yōu)化

自動(dòng)化控制系統(tǒng)根據(jù)水位的高低自動(dòng)發(fā)出開、停水泵命令，選用高精度的超聲波液位傳感器作為水位傳感器，以確保水位監(jiān)測的可靠、準(zhǔn)確[5]。根據(jù)水倉深度和工況設(shè)定四個(gè)水位限值：H1/H2/H3/△h（水位值通過投入式傳感器送入控制器），再設(shè)定組態(tài)智能控制低電價(jià)階段和高電價(jià)階段，依據(jù)水位兩種智能邏輯，并實(shí)現(xiàn)智能切換，從而達(dá)到避峰就谷，節(jié)能降耗的目的。

3.2 參數(shù)傳輸及故障保護(hù)改造及功能

自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的前端采集設(shè)備收集水倉水位、水泵流量、水泵壓力等參數(shù)，并將所采集的參數(shù)及其設(shè)備工作狀態(tài)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳送給地面監(jiān)控的控制中心，控制中心進(jìn)行分析、判斷和處理。自動(dòng)化控制與地面監(jiān)控系統(tǒng)對排水設(shè)備安全性、可靠性設(shè)計(jì)了故障保護(hù)：

（1）流量保護(hù)：水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行中，如流量達(dá)不到正常值，通過流量保護(hù)裝置使本臺水泵停車，轉(zhuǎn)為啟動(dòng)另一臺水泵。

圖4 水倉監(jiān)控、管網(wǎng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（2）電動(dòng)閘閥故障：由電動(dòng)機(jī)綜保監(jiān)視閘閥電機(jī)的主要保護(hù)并參與控制。

（3）傳感器保護(hù)：針對當(dāng)前壓力、水位傳感器容易損壞的現(xiàn)場特性，采用高可靠性、抗干擾防爆電源濾除電源干擾，增加傳感器的檢測精度和使用壽命。

3.3 水泵輪換自動(dòng)控制改造及功能

水泵輪換控制是排水設(shè)備綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，控制該環(huán)節(jié)的設(shè)施有區(qū)域控制器KJD127、中間繼電器、變頻器等，根據(jù)采區(qū)水倉水位變化自動(dòng)控制水泵開啟和停止，以確保整個(gè)水倉的正常排水。水泵采用一用一備，若遇故障，自動(dòng)化控制系統(tǒng)立即啟動(dòng)備用水泵運(yùn)行，故障水泵停止運(yùn)行，檢修人員立即對其維修。

4 應(yīng)用效果

采區(qū)水倉自動(dòng)化控制與地面集中控制系統(tǒng)的地面監(jiān)控見圖5，應(yīng)用效果良好，達(dá)到了理想的狀態(tài)。

圖5 地面監(jiān)控畫面

（1）技術(shù)效益

能夠采集水位、壓力、流量等各種數(shù)據(jù)，采用自動(dòng)、就地集控和手動(dòng)三種控制方式良好控制水泵安全可靠運(yùn)行；針對采集的數(shù)據(jù)生成報(bào)表和分析曲線，按多種條件生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，為節(jié)能減排提供可靠準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，便于決策。

（2）經(jīng)濟(jì)效益

該系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，水倉無需人工看守，無需人工進(jìn)行水泵啟停的各種操作。水泵可以根據(jù)水倉的水位進(jìn)行自動(dòng)排水和停止，減少了水倉排水所用的人工工時(shí)。井下8 個(gè)采區(qū)小水倉每班減少8 個(gè)排水崗位工人，每天三班共減少24 人，按每個(gè)工人每年的平均應(yīng)領(lǐng)工資7 萬算，每年能節(jié)省工資成本約168 萬。由于傳感器的智能性以及水泵運(yùn)行動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，水泵能夠及時(shí)啟停，明顯減少了水泵的事故率，從而降低了水泵的維修和采購成本。

（3）安全效益

降低了淹沒水倉的安全隱患，有效避免了因頻繁更換損壞設(shè)備搬運(yùn)、安裝過程中可能出現(xiàn)的工傷等安全隱患，全面提高了礦井排水工作的效率和管理水平，為今后礦井生產(chǎn)綜合自動(dòng)化打下良好基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

1）采區(qū)水倉自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由5 層組成，分別為監(jiān)控調(diào)度層、區(qū)域控制層、本機(jī)控制層、設(shè)備層和通訊網(wǎng)絡(luò)管理層。

2）分別對水位自動(dòng)監(jiān)控、參數(shù)傳輸及故障保護(hù)和水泵輪換自動(dòng)控制進(jìn)行了改造優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制要求功能。

3）技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和安全性均達(dá)到了礦井生產(chǎn)要求。