煤礦采區(qū)變電所智能型頂板離層預(yù)警裝置

倪 娟

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長(zhǎng)治 046031)

近年來，雖然中國(guó)已經(jīng)開始控制煤炭產(chǎn)能，但我國(guó)以煤炭為主導(dǎo)的能源結(jié)構(gòu)還難以改變。煤礦采區(qū)變電所擔(dān)負(fù)著整個(gè)采區(qū)的受電、配電、變電任務(wù)，是煤礦開采運(yùn)輸?shù)闹匾?。由于井下變電所采用錨桿支護(hù)，頂板活動(dòng)較為隱蔽，難以察覺躲避。在采區(qū)變電所應(yīng)用智能型頂板監(jiān)控預(yù)警裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂板活動(dòng)，及時(shí)發(fā)出預(yù)警，對(duì)于從業(yè)人員的安全具有重要意義。

1 研制智能型頂板監(jiān)控預(yù)警裝置的目的

煤礦采區(qū)變電所是采區(qū)的供電中心，它擔(dān)負(fù)著整個(gè)采區(qū)的受電、配電、變電的任務(wù)。

1) 受電：井下采區(qū)變電所將地面變電所經(jīng)井筒由高壓電纜輸送6 kV電能，通過總高壓隔爆開關(guān)接受。

2) 配電：將總高壓隔爆開關(guān)輸出6 kV電能，經(jīng)分路高壓隔爆開關(guān)向高壓設(shè)備、整流設(shè)備及采區(qū)變電所供電[1]。

3) 變電：通過礦用變壓器，將6 kV電壓降為660 V、1 140 V和3 330 V，供給井底車場(chǎng)附近的低壓動(dòng)力設(shè)備。如中央水倉(cāng)水泵、井底提升絞車及照明變壓器等用電設(shè)備。為保證供電可靠，井下采區(qū)變電所全天24 h必須有專人看護(hù)。所以中央變電所的頂板支護(hù)顯得尤為重要。

目前采用的頂板離層儀需要人工定期觀測(cè)，達(dá)不到自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能。由于井下變電所采用錨桿支護(hù)，頂板活動(dòng)具有隱蔽性，巷道冒頂?shù)念A(yù)兆不易被人察覺，甚至在冒頂時(shí)人員無機(jī)會(huì)躲避，所以要對(duì)巷道進(jìn)行頂板離層觀測(cè)。目前采用的頂板離層儀需要人工定期觀測(cè)，達(dá)不到自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能。智能型頂板監(jiān)控預(yù)警裝置主要用于監(jiān)測(cè)井下變電所頂板離層量，為巷道的及時(shí)支護(hù)和安全管理提供依據(jù)。該裝置可在井下就地監(jiān)測(cè)預(yù)警，又可將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過礦井監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛嬲{(diào)度指揮中心。

2 智能型頂板監(jiān)控預(yù)警裝置設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

智能型頂板離層監(jiān)控裝置由位移傳感器、傳感器托架、金屬感應(yīng)板、監(jiān)控主機(jī)、報(bào)警裝置、通訊傳輸系統(tǒng)和就地監(jiān)控分站等組成。

1) 位移傳感器、傳感器托架、金屬感應(yīng)板。為了解決頂板離層觀測(cè)參照的問題，在頂板離層監(jiān)控過程中本裝置將采用位移計(jì)監(jiān)測(cè)方法，在頂板埋設(shè)基點(diǎn)，測(cè)量頂板的位移，位移傳感器采用本安型NJ4-12GM電子接近開關(guān)，它的作用是與金屬板相配合感應(yīng)頂板離層位移信號(hào)，并將位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送至監(jiān)控主機(jī)。

2) 報(bào)警裝置。正常工作時(shí)，報(bào)警裝置能通過電路放大位移信號(hào)，驅(qū)動(dòng)裝置顯示頂板離層量。當(dāng)位移信號(hào)超過閾值時(shí)，直接驅(qū)動(dòng)顯示報(bào)警裝置YB-1發(fā)出語音警報(bào)，其中閾值根據(jù)采區(qū)實(shí)際條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3) 監(jiān)控主機(jī)。地下的監(jiān)控主機(jī)采用S7-200可編程序控制器，它可集中處理輸入離層監(jiān)測(cè)信號(hào)和輸出控制語音報(bào)警裝置，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)的功能。地表監(jiān)控部分主要實(shí)現(xiàn)了連續(xù)監(jiān)測(cè)曲線顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢及報(bào)表輸出以及頂板安全的綜合分析評(píng)估的功能。

4) 通訊傳輸系統(tǒng)。將監(jiān)測(cè)信號(hào)通過RS485通訊端子與井下監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)離層信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳至地面。采用的是兩線制的總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在同一總線上最多可以掛接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。采用主從通信方式，即一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)。考慮礦井的特殊條件，采用STP-120 Ω專用電纜，一對(duì)18AWG。

5) 就地監(jiān)控分站。就地監(jiān)控分站將不同測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)頂板離層數(shù)據(jù)通過預(yù)埋光纖進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)采區(qū)關(guān)鍵區(qū)段的頂板集中觀測(cè)，方便工作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并統(tǒng)籌安排。在頂板離層超限時(shí)，報(bào)警信號(hào)也會(huì)先集中到分站，然后傳遞到地表。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

智能型頂板離層監(jiān)控軟件基于編程語言，集成了通用模塊、監(jiān)控模塊、顯示報(bào)警模塊以及網(wǎng)絡(luò)模塊，其中通用模塊起到系統(tǒng)初始化，人機(jī)交互的作用，地下工作人員可以通過交互功能實(shí)時(shí)查看獲取相關(guān)頂板參數(shù)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)分析。監(jiān)控模塊則需要通過信道采集轉(zhuǎn)化來自位移傳感器的數(shù)字信號(hào)，完成差分?jǐn)?shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)的保存工作，并保證完整的采樣周期內(nèi)設(shè)定故障自查，確保模塊安全準(zhǔn)確運(yùn)行。顯示報(bào)警模塊提供了頂板離層閾值的設(shè)定接口，采用內(nèi)置算法對(duì)頂板離層信息進(jìn)行分析測(cè)算，便于綜合分析及頂板安全評(píng)估分析。網(wǎng)絡(luò)模塊則通過信道傳輸協(xié)調(diào)各測(cè)點(diǎn)信息，分配端口進(jìn)行串行通信。

3 智能型頂板離層監(jiān)控裝置的工作原理

3.1 安裝結(jié)構(gòu)

將變電所的頂板分為若干個(gè)區(qū)段，如圖1所示，每10 m2為1個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段內(nèi)部布置2個(gè)位移傳感器，將自制1塊5 cm2的金屬感應(yīng)板固定在頂板上，位移傳感器安裝在自制的鐵制托架上，將托架上的位移傳感器調(diào)整到固定在頂板上的金屬板下方，調(diào)整好位移傳感器與金屬板的間距，這個(gè)間距控制在1 mm以內(nèi)。

圖1 區(qū)段內(nèi)頂板監(jiān)測(cè)設(shè)備布置

3.2 電氣圖

當(dāng)?shù)刭|(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，頂板下降,安裝在頂板上的金屬板也隨之下降,觸發(fā)了位移傳感器，位移傳感器傳位移信號(hào)送至監(jiān)控主機(jī)，主機(jī)輸出接通報(bào)警裝置，發(fā)出語音預(yù)警，通知變電所內(nèi)的工作人員，采取相應(yīng)的處理措施。同時(shí)監(jiān)控主機(jī)將離層數(shù)據(jù)上傳地面，通知礦井生產(chǎn)調(diào)度中心。本裝置可同時(shí)監(jiān)控若干個(gè)區(qū)段發(fā)送過來的頂板離層信號(hào)，同時(shí)也會(huì)發(fā)出該區(qū)段的離層語音報(bào)警。

圖2 電氣布置

如圖2所示，信息在由位移傳感器采集后經(jīng)由S7-200編程的PLC主機(jī)進(jìn)行分析，如果頂板離層超過限制，經(jīng)由語音報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行廣播。所有頂板信息都會(huì)通過RS485通訊端子和地下的KJF網(wǎng)絡(luò)分站進(jìn)行通信，KJF網(wǎng)絡(luò)分站還負(fù)責(zé)一部分的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和分析工作，最后信號(hào)傳遞至地面調(diào)動(dòng)中心，由地表人員根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研判，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度。

3.3 實(shí)現(xiàn)功能

1) 監(jiān)測(cè)預(yù)警功能。①井上計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)顯示監(jiān)測(cè)參數(shù)，報(bào)警。地下網(wǎng)絡(luò)分站將頂板監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)傳輸至井上調(diào)度中心，由專門的軟件對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的參數(shù)顯示。②井下現(xiàn)場(chǎng)顯示數(shù)據(jù)和報(bào)警。采取變電所的PLC主機(jī)通過顯示屏來顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在頂板離層值發(fā)生異動(dòng)時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。③監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄存儲(chǔ)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過PLC主機(jī)傳遞至網(wǎng)絡(luò)分站，由網(wǎng)絡(luò)分站進(jìn)行自動(dòng)儲(chǔ)存，并發(fā)送至井上存入數(shù)據(jù)庫(kù)。④連續(xù)監(jiān)測(cè)曲線顯示，分析。通過軟件及相關(guān)算法，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，畫出實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線，便于工作人員觀察，并給出分析結(jié)果，可用于參考。⑤歷史數(shù)據(jù)查詢及報(bào)表輸出?？梢酝ㄟ^登錄數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，也可以在網(wǎng)絡(luò)分站查詢一定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并輸出報(bào)表。⑥綜合分析及頂板安全評(píng)估分析。根據(jù)頂板實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)曲線以及技術(shù)人員分析得到的參數(shù)進(jìn)行綜合分析和頂板安全評(píng)估分析。

2) 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)功能。①網(wǎng)絡(luò)用戶web訪問模式在線動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。井上調(diào)度室在獲取來自網(wǎng)絡(luò)分站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)分享給有權(quán)限的admin用戶。②數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)信息共享。井上調(diào)度室將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步至MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的儲(chǔ)存和共享，出于安全的考慮，設(shè)置權(quán)限并進(jìn)行備份。③監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)網(wǎng)上報(bào)表。網(wǎng)絡(luò)分站將每日的監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行分析整合，生成電子報(bào)表。④重要事件的GPRS短信尋呼功能。建立GPRS數(shù)據(jù)收發(fā)單元及數(shù)字信息用戶群。井下監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)通過井下的網(wǎng)絡(luò)分站接入礦井主站交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳送到井上。

4 智能型頂板離層預(yù)警裝置使用效果

在試驗(yàn)過程中,智能型頂板離層預(yù)警裝置性能穩(wěn)定，數(shù)碼顯示清楚,語音提示準(zhǔn)確，能實(shí)時(shí)監(jiān)控變電所的頂板變化情況，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、有效，不但能將這些數(shù)據(jù)及時(shí)上傳至地面，而且在現(xiàn)場(chǎng)能發(fā)出語音提示，如變電所的一號(hào)區(qū)域頂板發(fā)生離層，語音報(bào)警系統(tǒng)這時(shí)會(huì)發(fā)出“一號(hào)區(qū)域頂板離層，請(qǐng)工作人員注意檢查”的語音播報(bào)，同時(shí)預(yù)警燈閃爍。該預(yù)警信號(hào)直至隱患排除方可自動(dòng)接觸報(bào)警，本裝置的使用為礦井安全生產(chǎn)又增加了一道安全防線。