煤礦井下泵房排水集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋沖

摘? 要：礦井主排水集控系統(tǒng)是保障煤礦排水安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為提高系統(tǒng)可靠性，該文設(shè)計(jì)了基于多主站控制模式的煤礦井下泵房排水集控系統(tǒng)，提出了由地面控制中心、網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)、泵房數(shù)據(jù)采集/控制中心組成的系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程集控子系統(tǒng)和就地集控子系統(tǒng)，提出了具有檢修、就地、遠(yuǎn)程、單控、集控等各種組合控制方式，設(shè)計(jì)了電動(dòng)機(jī)故障、真空起故障、低水位、超溫、禁止啟動(dòng)、流量等多種保護(hù)方式以及系統(tǒng)詳細(xì)功能。該系統(tǒng)能夠降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高礦井生產(chǎn)安全和效率。

關(guān)鍵詞：礦井主排水;多主站控制;集控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

井下水泵排水系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要設(shè)備。傳統(tǒng)主排水裝置操控體系利用繼電器操控主排水裝置，水泵裝置的啟動(dòng)關(guān)閉選及檔位裝換都是依靠操作者手工完成的，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的迅速發(fā)展，以PLC為核心的新型集成化操控裝置已逐漸替代繼電器操控模式，該類PLC控制系統(tǒng)保證礦山井下排水網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行集中管理及操控。為了簡化泵房控制設(shè)備的數(shù)量，一般采用單臺(tái)控制箱多線纜控制模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有水泵的控制、數(shù)據(jù)采集、告警等操作。但該種模式在初期安裝和后期使用維護(hù)過程中存在一些弊端：每臺(tái)水泵的各類傳感設(shè)備和控制設(shè)備的線纜都要接入控制箱內(nèi)，這樣會(huì)造成泵房內(nèi)敷設(shè)線纜多，且一旦PLC控制箱或某一臺(tái)泵出現(xiàn)故障，需要停止整個(gè)集控設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)并進(jìn)行故障排查，這樣直接影響到水泵的正常自動(dòng)控制，缺乏冗余性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

該文針對(duì)礦寺河煤礦西區(qū)井下排水設(shè)備，在安全、穩(wěn)定、可靠、先進(jìn)的前提下，研發(fā)了基于工業(yè)以太網(wǎng)和多主站控制模式的泵房集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水泵系統(tǒng)的全天候安全、平穩(wěn)、高效地自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，真正實(shí)現(xiàn)“無人監(jiān)控”的工作狀態(tài)，顯著提升礦山井下作業(yè)生產(chǎn)的安全及自動(dòng)化操作水準(zhǔn)。

1 總體方案

1.1 現(xiàn)場情況

寺河煤礦井下排水采用集中排水方式，目前西區(qū)井下有2個(gè)水泵房，均未建集控，每個(gè)水泵房配置有3臺(tái)泵，每個(gè)泵房有兩路輸出主管道排水，每個(gè)泵房有2個(gè)水倉，都采用射流閥抽真空。西一水泵房的水排到西區(qū)中央水泵房，通過斜井排水管道排出地面。

1.2 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)可以在控制中心內(nèi)部監(jiān)控礦井上下位置的安全生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，操控礦井上下位置的相關(guān)機(jī)電裝置，實(shí)現(xiàn)某些機(jī)電自動(dòng)化裝置的無人操控作業(yè)，機(jī)電設(shè)備房不需要配備專人守候，實(shí)現(xiàn)減人提效的目的。系統(tǒng)規(guī)劃為地面控制中心、網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)、泵房數(shù)據(jù)采集/控制中心3個(gè)部分。地面控制中心安置在設(shè)備監(jiān)控中心，控制中心擁有控制站點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)交互的大型服務(wù)器設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交互作業(yè)使用礦山架設(shè)的工業(yè)用環(huán)網(wǎng)，或從地面到井下的光纖網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)光纜專用網(wǎng)絡(luò)，以此來進(jìn)行礦井內(nèi)外的信息交互。礦井內(nèi)部泵房的信息收集/操控指揮室配備了如PLC操控單元、信息收集站點(diǎn)、相關(guān)的傳感設(shè)備、攝像頭、屏幕及設(shè)備操控平臺(tái)等設(shè)備，用于實(shí)現(xiàn)工作現(xiàn)場實(shí)時(shí)信息和參數(shù)的收集和監(jiān)控。

系統(tǒng)按照通過遠(yuǎn)程集控子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“無人值守”和通過井下泵房的就地集控子系統(tǒng)2 個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“一鍵啟、?！彼貌僮鳌Ｏ到y(tǒng)開創(chuàng)性的加入現(xiàn)場音視頻監(jiān)控和語音發(fā)聲報(bào)警，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)排水系統(tǒng)的全方位監(jiān)控，保障系統(tǒng)無人值守下的運(yùn)行安全。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 遠(yuǎn)程集控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 地面控制中心設(shè)計(jì)

地面控制中心位于監(jiān)控室內(nèi)，設(shè)計(jì)2臺(tái)操控站，安裝水泵集控軟件，將井下5個(gè)水泵房排水集控?cái)?shù)據(jù)采集到地面控制中心，借助該指揮中心對(duì)礦井內(nèi)部的全部水泵房的相應(yīng)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)距離集中控制及狀態(tài)監(jiān)控等操作。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要設(shè)備側(cè)都預(yù)留設(shè)計(jì)了通用的網(wǎng)絡(luò)接口，方便網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的輸入輸出，系統(tǒng)傳輸時(shí)既可以采用單獨(dú)組網(wǎng)的方式，也可以利用礦上現(xiàn)有的光傳輸網(wǎng)絡(luò)、以太環(huán)形網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該次方案設(shè)計(jì)利用礦上建設(shè)的工業(yè)環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，暫不進(jìn)行重復(fù)設(shè)計(jì)，將PLC控制箱收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛?，與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2.3 音視頻遠(yuǎn)程監(jiān)察體系的規(guī)劃

遠(yuǎn)程操控體系中增加了內(nèi)置云端平臺(tái)的遠(yuǎn)距離操控的高像素錄像設(shè)備（含拾音器），把整個(gè)水泵房的高清及時(shí)視頻及音頻數(shù)據(jù)傳送至地表指揮部門，可以隨時(shí)讓管理人員觀察水泵房內(nèi)部的狀況，并且借助上位機(jī)圖像選項(xiàng)有針對(duì)性地調(diào)取和察看相關(guān)圖像文件，地面配置1套麥克風(fēng)和音箱，完成上下對(duì)講，同時(shí)能監(jiān)聽泵房現(xiàn)場的聲音，真正實(shí)現(xiàn)泵房的“無人值守”。

在井下每個(gè)水泵房內(nèi)配置1臺(tái)礦用本安型云臺(tái)攝像機(jī)，采用高清攝像鏡頭，分辨率在200萬以上，通過內(nèi)部云臺(tái)控制器實(shí)現(xiàn)360°全方位旋轉(zhuǎn)攝取視頻數(shù)據(jù)，通過在泵房內(nèi)安裝高清云臺(tái)攝像儀能實(shí)現(xiàn)4個(gè)功能。1）高清云臺(tái)攝像機(jī)自帶拾音功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控水泵房的工作狀況并拾取現(xiàn)場的聲音，判斷水泵電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是否存在異常。2）高清云臺(tái)攝像機(jī)內(nèi)置有喇叭，地面監(jiān)控中心的人員可以通過麥克與井下維護(hù)人員進(jìn)行雙向語音通話，便于完成實(shí)時(shí)通信，相互接收、回傳操作等指定。3）云臺(tái)攝像儀可以手工調(diào)整攝取圖像的大小、遠(yuǎn)近和方向。同時(shí)將操作指令寫入泵房控制平臺(tái)的系統(tǒng)中，可以通過一鍵方式，攝取所需圖像。4）云臺(tái)攝像儀通過協(xié)議開發(fā)包，嵌入組態(tài)軟件中，通過預(yù)設(shè)點(diǎn)位的方式，在開啟水泵指令后，系統(tǒng)將按預(yù)設(shè)點(diǎn)位巡航到指定位置。

3 就地集控子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 多主站的控制模式

單臺(tái)控制箱多線纜控制模式的可靠性不高，泵房內(nèi)需敷設(shè)多條線纜。主站選用PLC作為邏輯控制核心，多主站之間通過現(xiàn)場總線進(jìn)行邏輯通信，各臺(tái)水泵的控制和采集信號(hào)就近接入監(jiān)控主站，這樣不僅可以減少現(xiàn)場線纜的布置，而且便于后期進(jìn)行故障查找和檢修。單臺(tái)主站的故障不影響其他分站的正常運(yùn)行，所以其提升了系統(tǒng)的冗余可靠性，使排水更加穩(wěn)定可靠。因此，采用多主站的控制模式設(shè)計(jì)就地集控子系統(tǒng)。

3.2 泵房控制中心設(shè)計(jì)

如圖1所示，泵房控制中心采用多主分站控制結(jié)構(gòu)。主站配置高性能PLC控制箱，完成整套泵房的控制邏輯運(yùn)算。所有水泵都會(huì)搭配1部收集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的站點(diǎn)以及分開控制箱體，每個(gè)站點(diǎn)之間各自獨(dú)立運(yùn)行，不會(huì)相互干擾，所以當(dāng)某個(gè)站點(diǎn)發(fā)生問題時(shí)，不會(huì)干擾其他站點(diǎn)的正常工作，進(jìn)而可以切實(shí)保證整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。另一方面，在相應(yīng)控制方案的初始設(shè)計(jì)階段，應(yīng)全方位考察極端狀況下，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)可能出現(xiàn)的安全問題，當(dāng)相關(guān)的主站點(diǎn)和分站點(diǎn)都發(fā)生問題時(shí)，借助分開控制箱體的作用，依然可以正常開動(dòng)和終止水泵的排水工作。PLC控制箱和采集監(jiān)控分站都留有接口，為后期擴(kuò)容做準(zhǔn)備，使其可以在不需要增加接口設(shè)備的情況下直接進(jìn)行對(duì)接。每臺(tái)PLC控制箱可以接入4～6臺(tái)采集監(jiān)控分站。

西一水泵房和西區(qū)中央水泵房各設(shè)3臺(tái)礦用隔爆兼本安型監(jiān)控主站。在水泵房值班區(qū)域內(nèi)配置1臺(tái)礦用本安型操作臺(tái)，用于就地集中操作。井下西區(qū)中央水泵房內(nèi)配置1臺(tái)具備語音報(bào)警功能的本安LED顯示屏，在故障報(bào)警時(shí)，不僅能進(jìn)行語音播報(bào)，而且還能直接顯示文字報(bào)警信息。

3.3 泵房信息收集系統(tǒng)規(guī)劃

泵房信息收集一般采用在每個(gè)核心位置配備傳感裝置的模式進(jìn)行，借助傳感設(shè)備捕捉每個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)信息，并將其輸送到收集站點(diǎn)。設(shè)置傳感設(shè)備主要包含水倉內(nèi)部水位信息、管道內(nèi)部流量信息，閘閥動(dòng)作信息、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流信息、工作電壓、壓力變送裝置、溫度檢測裝置等。

3.3.1 排水管道設(shè)置出水口

現(xiàn)階段礦井內(nèi)部西側(cè)水泵房里所有的水泵均配備1個(gè)可控的放水用閥門（可手動(dòng)操控），將人工操控的閥門升級(jí)為自動(dòng)控制的閥門，并配有閘閥控制箱，控制閘閥的開、閉等狀態(tài)。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了3臺(tái)礦用電動(dòng)閘閥[1]。

3.3.2 排真空管路配置

整個(gè)結(jié)構(gòu)使用水泵抽水形成真空狀態(tài)的模式，所有的水泵均配備1～2部礦山專用的安全自動(dòng)化球閥裝置，該次設(shè)計(jì)需要新增6臺(tái)DFB20/7型礦用電動(dòng)球閥。

3.3.3 出水口相關(guān)壓力參數(shù)測量

所有水泵的出水口位置都會(huì)裝備1部水壓傳感裝置，整個(gè)系統(tǒng)一共配置了3部礦山專用的安全式水壓變送裝置。

3.3.4 真空狀探測態(tài)

所有水泵的進(jìn)水口上半部分會(huì)裝備1部真空狀態(tài)傳感設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)一共配置了3部安全式水壓變送裝置。

3.3.5 系統(tǒng)液體水位探測

現(xiàn)階段礦山內(nèi)部水泵房水倉有2個(gè)，在每個(gè)水倉配置1臺(tái)液位傳感器，共設(shè)置2部礦用液體水位傳感裝置。

4 系統(tǒng)控制保護(hù)方式與功能設(shè)計(jì)

4.1 操控模式的規(guī)劃

作業(yè)現(xiàn)場實(shí)際操控動(dòng)作一般是由PLC控制盒、收集站點(diǎn)及外部探測裝置構(gòu)成。遠(yuǎn)程控制由監(jiān)控室內(nèi)計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）及控制軟件構(gòu)成。井下水泵房排水監(jiān)控系統(tǒng)具備遠(yuǎn)距離自動(dòng)化操控、遠(yuǎn)距離單獨(dú)水泵自動(dòng)化操控、遠(yuǎn)距離單獨(dú)水泵人工操控、實(shí)地人工綜合操控4類運(yùn)作模式。

遠(yuǎn)距離自動(dòng)化操控：在地表指揮中心進(jìn)行遠(yuǎn)程水泵自動(dòng)化操控，包含液體水位上升的水泵啟動(dòng)、用電高峰時(shí)段及低谷時(shí)段等情況下啟動(dòng)水泵等模式。

遠(yuǎn)距離單獨(dú)水泵自動(dòng)化操控：即地表指揮中心自動(dòng)啟動(dòng)所有的水泵設(shè)備。

遠(yuǎn)距離單獨(dú)水泵人工操控：即地表指揮中心獨(dú)立啟動(dòng)或者停止驅(qū)動(dòng)電機(jī)、閥門等單獨(dú)的某一部相關(guān)裝置。

實(shí)地人工綜合操控：在目前的作業(yè)模式的前提下，讓現(xiàn)場操作者借助控制臺(tái)綜合操控水泵裝置及閥門的啟動(dòng)和停止。

4.2 系統(tǒng)故障保護(hù)設(shè)計(jì)

井下水泵房排水監(jiān)控結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)很嚴(yán)格。該結(jié)構(gòu)體系預(yù)設(shè)了以下4類保護(hù)機(jī)制。1）液體流量保障機(jī)制：水泵平穩(wěn)運(yùn)行后，假如液體流量沒有符合預(yù)期的設(shè)定值，借助警報(bào)信號(hào)來提醒相關(guān)操作者檢測水泵和管道閥門等裝置的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，延時(shí)一定的時(shí)間，關(guān)閉設(shè)備確保整體裝置的安全[2]。2）驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)斷電保護(hù)機(jī)制：借助PLC和顯示屏監(jiān)控水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)過載、漏電、電壓不穩(wěn)等故障，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)控。3）真空狀態(tài)故障保護(hù)機(jī)制：水泵抽真空時(shí)間超過預(yù)定值或水泵正壓小于預(yù)定值，自動(dòng)停止水泵運(yùn)行。4）水位過低：當(dāng)水倉液體水位低于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，水泵停止運(yùn)行。

4.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

4.3.1 顯示功能

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示井下水泵房所有水泵運(yùn)行的各類工況，直觀了解水泵運(yùn)行狀態(tài)。

4.3.2 操控功能

排水操控裝置能依據(jù)水倉內(nèi)液體的容量、水泵運(yùn)行情況及用電成本等條件的不同，操控水泵啟動(dòng)、停止及水泵的輪換。

首先，依據(jù)水位狀況，操控水泵的啟動(dòng)和停止。其次，水泵輪流啟動(dòng)：為了杜絕備用水泵、備用管道等設(shè)備長時(shí)間閑置而產(chǎn)生的相應(yīng)故障，整個(gè)系統(tǒng)會(huì)對(duì)水泵的啟動(dòng)和停止次數(shù)、工作時(shí)間及管道的工作次數(shù)、液體流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄并且疊加，整體系統(tǒng)會(huì)依據(jù)上述參數(shù)的特定規(guī)律啟停特定的水泵裝置，讓所有水泵和管道的工作頻率處于均衡狀態(tài)[3]。最后，根據(jù)用電成本自動(dòng)化啟動(dòng)停止：依據(jù)水倉水量的多少、礦井內(nèi)部用電負(fù)荷的實(shí)際情況及供電企業(yè)所設(shè)定的谷值、峰值用電電價(jià)等因素，合理啟停水泵。

4.3.3 音視頻監(jiān)控及聯(lián)動(dòng)功能

系統(tǒng)在水泵監(jiān)控系統(tǒng)中加入視頻監(jiān)控和聲音拾取功能，改變當(dāng)前各廠家在建設(shè)水泵監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，只有圖像沒有聲音的情況，同時(shí)利用自由音圖像監(jiān)控方式，達(dá)到圖像的聯(lián)動(dòng)效果，為泵房實(shí)時(shí)監(jiān)控突破監(jiān)聽的障礙，達(dá)到無人值班的狀態(tài)。

云平臺(tái)攝像儀可以與礦井排水自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)音視頻聯(lián)動(dòng)，當(dāng)某臺(tái)水泵啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)云臺(tái)攝像儀監(jiān)視設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)部位，并能監(jiān)聽設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)聲音。現(xiàn)場圖像和聲音通過以太網(wǎng)信號(hào)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，視頻能融入礦井現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。

4.3.4 報(bào)文調(diào)取功能

檢查所需的數(shù)據(jù)比如電流、溫度等各種參數(shù)，可以生成報(bào)表的形式，可被相關(guān)操作者調(diào)取使用。

4.3.5 過往參數(shù)曲線調(diào)用功能

可以調(diào)用全部的過往參數(shù)曲線，為相應(yīng)的設(shè)備問題原因的查找提供有效參考。

4.3.6 遠(yuǎn)距離設(shè)置功能

操作者依據(jù)系統(tǒng)工作的具體狀況，設(shè)置全部裝置的相關(guān)參數(shù)，為系統(tǒng)報(bào)警提供依據(jù)。

4.3.7 系統(tǒng)警報(bào)、問題點(diǎn)判定功能

便捷、穩(wěn)定的報(bào)警裝置能夠報(bào)告系統(tǒng)狀態(tài)及系統(tǒng)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。報(bào)警管控體系具備多類報(bào)警管控能力，其中包括無限的報(bào)警區(qū)域管控、報(bào)警事件等級(jí)、錯(cuò)報(bào)篩選功能。該裝置可以精準(zhǔn)捕捉問題，實(shí)際作業(yè)場所配備的顯示屏將故障信息通過文字顯示和語音播報(bào)的方式提醒人員，及時(shí)故障排除。

4.3.8 整體結(jié)構(gòu)易擴(kuò)充和集合

使用分散式構(gòu)造，該結(jié)構(gòu)符合各類應(yīng)用及規(guī)模的要求。

5 結(jié)語

礦井主排水集控系統(tǒng)是保障煤礦排水安全的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)自身的可靠性要求較高。該系統(tǒng)采用多主站+分站模式，每臺(tái)分站對(duì)應(yīng)1臺(tái)水泵及附屬設(shè)備，結(jié)構(gòu)明晰、節(jié)約線纜、穩(wěn)定可靠 。各分站通過1根CAN總線串接，任何一臺(tái)分站故障，都不影響其他分站工作?？刂浦髡炯胺终緮嚯?、故障時(shí)，操作臺(tái)仍能正常開停水泵，充分保證系統(tǒng)安全。系統(tǒng)配置本安操作臺(tái)、音視頻攝像機(jī)，具有檢修、就地、遠(yuǎn)程、單控、集控等各種組合控制方式，能實(shí)現(xiàn)對(duì)泵房水泵排水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程＼就地自動(dòng)啟停、自動(dòng)輪換、故障智能切換、避峰填谷、自動(dòng)診斷、音視頻監(jiān)視功能。系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)礦井主排水系統(tǒng)的信息采集、存儲(chǔ)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)化、調(diào)度決策數(shù)字化提供了技術(shù)與裝備支持，能夠降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高礦井生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)

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