煤礦井下自動化排水監(jiān)控系統(tǒng)研究

鄭毛親

(山西省晉中市靈石縣能源局，山西 靈石 031300)

排水系統(tǒng)負責(zé)將井下積水排出至地表，排水系統(tǒng)的正常運行直接關(guān)系到煤炭開采的安全性[1]?，F(xiàn)階段礦井普遍采用手動控制為主、自動控制為輔的繼電器方式控制井下排水系統(tǒng)運行，但受到操作隨意性大、水位高度測量不精準等因素影響，無法實現(xiàn)排水過程的科學(xué)調(diào)度以及涌水量實時精準監(jiān)測[2-3]。當(dāng)井下涌出量突然增加且操作人員未能及時發(fā)現(xiàn)時，會導(dǎo)致井下積水量顯著增大，嚴重時還會引發(fā)安全事故。雖然少數(shù)煤礦采用自動化排水裝置進行排水，但受控制功能不完備、系統(tǒng)故障率偏高以及可靠性不強等因素影響，現(xiàn)場應(yīng)用仍需要安排專人進行巡檢，自動化功能無法高效發(fā)揮[4-7]。為此，文章以山西某礦+650 m水平中泵房排水監(jiān)控為工程研究背景，結(jié)合以往研究成果以及筆者工作經(jīng)驗，提出一種自動化排水監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)井下排水設(shè)備狀態(tài)遠程監(jiān)控并具備多種保護功能，可在一定程度上提升自動化排水系統(tǒng)的可靠性。

1 排水監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)組成

依據(jù)礦井排水系統(tǒng)監(jiān)控需要以及+650 m水平中泵房設(shè)備配備情況，設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。排水監(jiān)控系統(tǒng)采用由上位機、下位機相互配合的二級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，上位機(地面監(jiān)控中心)布置在礦井調(diào)度室內(nèi)，結(jié)構(gòu)包括工控機、組態(tài)軟件平臺、操作軟件以及數(shù)據(jù)庫等；下位機為中央水泵房監(jiān)控設(shè)備，結(jié)構(gòu)包括電控箱、操作臺、執(zhí)行機構(gòu)以及傳感器等[8]。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控采用的傳感器包括數(shù)字量傳感器以及模擬量傳感器兩大類；執(zhí)行結(jié)構(gòu)主要為閥門控制箱、高壓啟動器，執(zhí)行機構(gòu)有遠程電動以及就地電動控制兩類。當(dāng)PLC出現(xiàn)故障時可通過就地電動控制實現(xiàn)后備控制，提高操作安全性。

整個監(jiān)控系統(tǒng)有210路輸入信號，其中數(shù)字量輸入134路、模擬量輸入22路，數(shù)字量輸出型號54路。由于監(jiān)控系統(tǒng)I/O設(shè)備類型多、數(shù)據(jù)處理量大，為此系統(tǒng)選擇采用西門子S7-300PLC，CPU模塊結(jié)構(gòu)為CPU314，數(shù)字量以及模擬量輸入模塊分別為SM321、SM331，以太網(wǎng)模塊采用CP343，實現(xiàn)井下水泵房與地面監(jiān)控中心遠程通訊；地面監(jiān)控中心PLC與人機交互界面間通過RS485總線方式通訊。模擬量傳感器用以監(jiān)測小井液位、水泵進口及出口壓力、水泵電機溫度、管網(wǎng)流量、水泵電機電流等參數(shù)，后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將監(jiān)測到信息傳輸給CPU進行處理；數(shù)字量傳感器用以獲取閥門狀態(tài)、操作臺面板狀態(tài)、水泵電機工作狀態(tài)等參數(shù)，并經(jīng)過SM321模塊傳輸給CUP。

CPU對監(jiān)測獲取到的傳感器信息進行計算、分析以及判斷，并輸出控制信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運行，從而實現(xiàn)水泵房自動排水監(jiān)控。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)具有下述主要功能

1) 運行參數(shù)監(jiān)測。通過在中央水泵房布置的各類傳感器可監(jiān)測電機電流、水倉水位、水泵進水口及出水口壓力、高壓啟動器分合閘狀態(tài)等參數(shù)。

2) 地面監(jiān)控中心以及中央水泵房操作臺人機交互界面均會以數(shù)據(jù)、圖形形式直觀地顯示各監(jiān)測參數(shù)，同時當(dāng)監(jiān)測參數(shù)存在異常時會顯示報警信息，監(jiān)控系統(tǒng)會自動保留以往報警信息。

3) 地面監(jiān)控中心實時獲取井下水泵房各類傳感器監(jiān)測參數(shù)并自動存儲在SQLsever數(shù)據(jù)庫內(nèi)，便于后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、處理。

4) 監(jiān)控系統(tǒng)具有遠程控制、自動控制、手動控制以及半自動控制等4種模式，可應(yīng)對水泵房內(nèi)各種情況。

2 傳感器布置及控制程序

2.1 監(jiān)控傳感器布置

礦井+650 m水平中泵房有3臺工作機組(單臺工作機組包括高壓電機、離心水泵以及高壓啟動器)，一用一備一檢修，并通過兩趟排水管路由井下水泵送至地表。

根據(jù)水泵房結(jié)構(gòu)以及設(shè)備布置情況，具體監(jiān)控系統(tǒng)傳感器布置情況如圖2所示。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)傳感器布置示意

1) 在液位監(jiān)測點布置礦用投入式液位傳感器以及超聲液位傳感器兩種類型傳感器，從而提升液位監(jiān)測的可靠性；

2) 在主排水管路的每個出口均布置插入式超聲流量計監(jiān)測管路流量，為提高測量精度，傳感器與閥體間距應(yīng)大于5倍管路直徑；

3) 在離心水泵進口、出口處均分別布置負壓、正壓傳感器，監(jiān)測水泵入水口負壓以及出水口排水壓力；

4) 在高壓電機前后軸承位置分別布置1個鉑熱電阻溫度傳感器，用以實時監(jiān)測軸承溫度。

2.2 控制程序

2.2.1 地面監(jiān)控中心控制程序

地面監(jiān)控中心控制程序綜合數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及軟件工程等開發(fā)，用以分析各傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)、操作記錄以及故障預(yù)警記錄等，當(dāng)獲取特別授權(quán)后可遠程控制水泵房設(shè)備。具體監(jiān)控中心控制程序功能如圖3所示。

圖3 地面監(jiān)控中心控制程序

2.2.2 井下水泵房監(jiān)控裝置控制程序

水泵房監(jiān)控裝置控制程序采用結(jié)構(gòu)化編程方式，根據(jù)現(xiàn)場需要將控制程序劃分為若干部分，每個部分單獨編寫對應(yīng)子程序，主程序根據(jù)需要調(diào)用子程序用以完成監(jiān)控任務(wù)，具體監(jiān)控程序框圖如圖4所示。

圖4 水泵房監(jiān)控裝置控制程序

2.2.3 預(yù)警程序

預(yù)警程序用以分析井下監(jiān)測參數(shù)并在監(jiān)測參數(shù)發(fā)現(xiàn)異常時發(fā)出預(yù)警信號，從而提高水泵自動排水系統(tǒng)的可靠性。監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)警等級分為低限報警、高限報警兩類，各類報警參數(shù)設(shè)置見表1。本監(jiān)控系統(tǒng)中通過綜合分析管路流量、電機電流用以對水泵是否正常工作進行判定。

表1 報警參數(shù)

3 監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試及現(xiàn)場工業(yè)應(yīng)用分析

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試是核驗自動化排水監(jiān)控系統(tǒng)是否合理的主要方式，也是發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷、改進系統(tǒng)功能的主要途徑。為此，文中在地面對監(jiān)控系統(tǒng)傳感器以及整機系統(tǒng)進行調(diào)試試驗，并對現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果進行分析。監(jiān)控系統(tǒng)地面調(diào)試現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)地面調(diào)試現(xiàn)場

現(xiàn)場調(diào)試發(fā)現(xiàn)，流量、溫度傳感器精度均不大于1.0%，壓力、水文以及電流變送器精度均不大于0.5%，監(jiān)控系統(tǒng)采用的傳感器均可滿足現(xiàn)場使用需要；監(jiān)控系統(tǒng)整體功能完備，各種控制方式均可實現(xiàn)順利轉(zhuǎn)換、運行可靠，數(shù)據(jù)采集以及傳輸效率高；井下監(jiān)控人機交互界面與地面監(jiān)控中心監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)畫面顯示一致，數(shù)據(jù)同步。

3.2 現(xiàn)場工業(yè)應(yīng)用效果

截至2021年5月，本監(jiān)控系統(tǒng)在礦井+650 m水平中泵房平穩(wěn)運行超過10個月?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，監(jiān)控系統(tǒng)下位機可實時、精準獲取水泵房內(nèi)設(shè)備、水位等參數(shù)，并在自動、手動、遠程控制以及半自動控制等模式下可靠運行；通信網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)監(jiān)測可靠、實時傳輸；上位機可顯示井下各類監(jiān)測參數(shù)，遠程監(jiān)控水泵房設(shè)備運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常時及時報警。

4 結(jié) 語

1) 提出一種自動化排水監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用地面上位機、井下水泵房下位機相結(jié)合的二級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)井下水泵房排水設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控及管理。監(jiān)控系統(tǒng)具備4種操作模式，可滿足水泵房設(shè)備各種運行工況需要。

2) 依據(jù)礦井+650 m水平中泵房現(xiàn)場實際情況，對水泵房內(nèi)各傳感器布置情況以及監(jiān)控系統(tǒng)功能、監(jiān)控程序等進行設(shè)計。在地面模擬井下環(huán)境對監(jiān)控系統(tǒng)進行調(diào)試并進行工業(yè)應(yīng)用。結(jié)果表明，自動化排水監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、功能齊全，在地面可實現(xiàn)井下水泵房設(shè)備狀態(tài)、水位監(jiān)測，提高安全保障能力，并為后續(xù)水泵房無人化改造奠定一定基礎(chǔ)。