瓦斯抽采泵站無(wú)人值守監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐曉華 蔣志龍

（天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 常州 213015）

瓦斯抽采泵站是煤礦瓦斯抽采系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，目前相關(guān)部門(mén)以及各地陸續(xù)出臺(tái)智能化礦山建設(shè)指導(dǎo)性政策和意見(jiàn)[1]。在政策的扶持與推動(dòng)下，部分瓦斯抽采泵站的監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)完成技術(shù)改造，但改造存在傳感器、電動(dòng)閥門(mén)等設(shè)備技術(shù)水平不高以及數(shù)據(jù)分析、故障預(yù)警、安全保障措施簡(jiǎn)單等問(wèn)題，造成系統(tǒng)建設(shè)后的運(yùn)行效果參差不齊。本文提出一種瓦斯抽采泵站無(wú)人值守監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，為今后系統(tǒng)的建設(shè)提供一定參考。

1 總體需求分析

瓦斯抽采泵站無(wú)人值守監(jiān)控系統(tǒng)圍繞“監(jiān)測(cè)全面、控制有效、響應(yīng)及時(shí)、風(fēng)險(xiǎn)可控”的技術(shù)要點(diǎn)，主要實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采管路、機(jī)電設(shè)備、工況環(huán)境等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及相關(guān)設(shè)備的自動(dòng)控制[2]，抽采泵站中關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備狀態(tài)信息采集與故障分析，抽采泵站視頻監(jiān)視與安防管理等功能。依據(jù)上述功能需求可分為綜合監(jiān)測(cè)單元（管路、環(huán)境、工況）、集控單元、電力監(jiān)控單元、視頻與安防單元、故障診斷單元、巡檢管理單元、綜合管理平臺(tái)等，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。

圖1 系統(tǒng)組成

2 主要實(shí)現(xiàn)方法

2.1 綜合監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)

綜合監(jiān)測(cè)單元主要實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采管路、抽采泵站環(huán)境、機(jī)電設(shè)備工況參數(shù)在線監(jiān)測(cè)，并通過(guò)礦用監(jiān)控分站、礦用交換機(jī)等設(shè)備將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳至控制中心。主要關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）抽采管路主要監(jiān)測(cè)流量、溫度、壓力、甲烷、一氧化碳參數(shù)值[3]，其中管道氣體流量與甲烷濃度是瓦斯利用的關(guān)鍵參數(shù)。流量測(cè)量采用均速管技術(shù)，具有測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好特性，可適應(yīng)瓦斯抽采管道內(nèi)高濕、多塵環(huán)境。管道甲烷傳感器采用激光檢測(cè)技術(shù)，可較好地適應(yīng)抽采管道內(nèi)高濕、多塵環(huán)境，具有測(cè)量準(zhǔn)確性高、標(biāo)定周期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。瓦斯抽采泵排氣側(cè)的管道氣體傳感器需考慮使用正壓側(cè)專(zhuān)用汽水分離裝置，保護(hù)氣體傳感器元件不受影響。同時(shí)，抽采管路監(jiān)測(cè)需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和相關(guān)要求配備管道一氧化碳、管道氧氣傳感器。

（2）抽采泵站環(huán)境監(jiān)測(cè)主要監(jiān)測(cè)抽采泵房、管道間的環(huán)境瓦斯?jié)舛?，環(huán)境瓦斯傳感器安裝在抽采泵上方以及泵房屋頂易出現(xiàn)瓦斯聚集區(qū)域。環(huán)境瓦斯傳感器安裝在抽采泵房高處不易維護(hù)，建議采用標(biāo)定周期長(zhǎng)的環(huán)境激光甲烷傳感器。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和相關(guān)要求配備必要的環(huán)境一氧化碳、溫度傳感器。

（3）機(jī)電設(shè)備工況參數(shù)主要監(jiān)測(cè)設(shè)備及安全保障設(shè)備的工作狀態(tài)，主要包括設(shè)備開(kāi)停狀態(tài)、抽采泵及電機(jī)的軸溫、汽水分離罐的液位、抽采泵的供水參數(shù)、冷卻水池的水位與水溫、三防裝置狀態(tài)等數(shù)據(jù)[4]。

2.2 集控單元設(shè)計(jì)

集控單元主要實(shí)現(xiàn)抽采泵、電動(dòng)閥門(mén)以及冷卻水系統(tǒng)的集中控制?？删幊炭刂破鳎≒LC）通過(guò)電磁啟動(dòng)器實(shí)現(xiàn)軟啟?？刂苹蛲ㄟ^(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟停與調(diào)速控制；可編程控制器（PLC）通過(guò)控制低壓開(kāi)關(guān)柜實(shí)現(xiàn)冷卻水系統(tǒng)、通風(fēng)、照明等低壓設(shè)備的控制；可編程控制器（PLC）通過(guò)節(jié)點(diǎn)控制或總線通信方式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)閉以及開(kāi)度控制。主要關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)中可編程控制器（PLC）負(fù)責(zé)采集設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)以及控制抽采泵站內(nèi)的機(jī)電設(shè)備，為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行需采用冗余設(shè)計(jì)。如：S7-1515R/H系列PLC，當(dāng)任意一臺(tái)CPU故障或環(huán)網(wǎng)內(nèi)任意一根PROFINET電纜發(fā)生故障均不會(huì)影響控制系統(tǒng)運(yùn)行，可有效提高控制系統(tǒng)的可靠性[5]。同時(shí)，考慮供電部分的冗余設(shè)計(jì)，避免供電問(wèn)題造成控制系統(tǒng)癱瘓。

（2）目前采用數(shù)字式總線通信技術(shù)的礦用電動(dòng)閥門(mén)技術(shù)逐步成熟，其具有占地面積少、現(xiàn)場(chǎng)接線少、控制精度高、反饋信息全面的優(yōu)點(diǎn)。選用具備總線通信功能的電動(dòng)閥門(mén)可提高集控可操作性、減少電纜成本。瓦斯抽采泵站部分位置的閥門(mén)使用頻次不高，容易出現(xiàn)閥體結(jié)垢卡死、軸承銹死的情況，集控系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)閥門(mén)的靜滯時(shí)間進(jìn)行采集，超過(guò)設(shè)定時(shí)間及時(shí)提醒維保。

（3）系統(tǒng)具備手、自控制功能，在手動(dòng)模式下可實(shí)現(xiàn)單個(gè)設(shè)備的近程或遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，以及抽采泵組的一鍵啟/停。自動(dòng)模式下可實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采站的無(wú)人值守。

（4）系統(tǒng)具備環(huán)境瓦斯、排風(fēng)扇、抽采泵聯(lián)動(dòng)閉鎖保護(hù)功能，當(dāng)泵站內(nèi)環(huán)境甲烷濃度值到達(dá)報(bào)警值時(shí)應(yīng)及時(shí)警報(bào)并啟動(dòng)排風(fēng)扇進(jìn)行濃度稀釋。環(huán)境甲烷濃度值持續(xù)增大到斷電值時(shí)，抽采泵應(yīng)及時(shí)斷電。

（5）系統(tǒng)具備抽采泵缺水保護(hù)功能，在抽采泵運(yùn)行時(shí)供水量持續(xù)小于報(bào)警值時(shí)應(yīng)發(fā)出警報(bào)。出現(xiàn)抽采泵斷水狀況時(shí)，抽采泵應(yīng)及時(shí)斷電。

2.3 視頻與安防單元設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)視系統(tǒng)是瓦斯抽采泵站重要的組成部分，在關(guān)鍵部位安裝攝像機(jī)并攝取監(jiān)控點(diǎn)的視頻信號(hào)，管理人員在抽采泵站管理平臺(tái)上直觀了解現(xiàn)場(chǎng)情況，同時(shí)將所發(fā)生的事件全程錄像備份。主要關(guān)鍵點(diǎn)：

（1）采用智能分析算法對(duì)設(shè)備、人員違章進(jìn)行管理，依托AI人工智能及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患并提醒相關(guān)人員，保障煤礦安全生產(chǎn)制度落實(shí)。

（2）紅外熱成像儀（遠(yuǎn)紅外防火測(cè)溫系統(tǒng)）以非接觸方式檢測(cè)抽采泵站內(nèi)電氣設(shè)備、電纜的溫度參數(shù)，通過(guò)溫升數(shù)據(jù)識(shí)別設(shè)備狀態(tài)，也可安裝在設(shè)備內(nèi)部檢測(cè)各種開(kāi)關(guān)、接頭、變壓器的狀態(tài)，及時(shí)判別設(shè)備狀態(tài)。

（3）抽采泵站建設(shè)穩(wěn)定可靠的安防設(shè)備避免無(wú)關(guān)人員闖入，電子圍欄是目前最可靠的周界安防系統(tǒng)，電子圍欄沿抽采泵站圍墻安裝，監(jiān)測(cè)設(shè)備可將報(bào)警信號(hào)上傳管理平臺(tái)顯示防區(qū)狀態(tài)。

（4）門(mén)禁系統(tǒng)采用人臉識(shí)別技術(shù)作為身份驗(yàn)證手段，對(duì)進(jìn)入抽采泵站的人員進(jìn)行身份識(shí)別[6]。

2.4 電力監(jiān)控單元設(shè)計(jì)

供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定是抽采系統(tǒng)能否穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，抽采泵站電力監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)泵站供配電的信息化，提高供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也為電量統(tǒng)計(jì)、能耗優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。電力監(jiān)控單元實(shí)現(xiàn)變電所開(kāi)關(guān)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)與集中控制，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺V電力監(jiān)控平臺(tái)和抽采泵站管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2.5 故障診斷單元設(shè)計(jì)

故障診斷單元集數(shù)據(jù)采集、分析、診斷、綜合評(píng)估于一體，實(shí)現(xiàn)大型機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)采集電機(jī)、抽采泵、減速機(jī)等關(guān)鍵易損部件振動(dòng)、溫度等參數(shù)，通過(guò)故障診斷模型識(shí)別出不對(duì)中、不平衡、配合松動(dòng)、裝配不當(dāng)、齒輪磨損、疲勞損傷等潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 巡檢管理單元設(shè)計(jì)

巡檢管理單元由管理軟件、巡檢儀、RFID現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)示卡等組成。巡檢管理軟件主要包括系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、巡檢管理、績(jī)效管理等功能；巡檢儀主要實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理和數(shù)據(jù)采集；RFID現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)示卡安裝在現(xiàn)場(chǎng)，用于定位與地址信息采集。

巡檢人員通過(guò)巡檢儀獲取巡檢任務(wù)并將現(xiàn)場(chǎng)巡檢數(shù)據(jù)或圖片信息上傳至管理平臺(tái)。管理平臺(tái)對(duì)巡檢結(jié)果進(jìn)行匯總、分析并落實(shí)分級(jí)處理。管理人員可通過(guò)管理平臺(tái)進(jìn)行考核管理并生成各類(lèi)報(bào)表，保障巡檢制度的落實(shí)。

2.7 管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

管理平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，其通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口接入綜合監(jiān)測(cè)單元、集控單元、視頻與安防單元、電力監(jiān)控單元、巡檢管理單元、故障診斷單元等各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一定義和重組，實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的系統(tǒng)融合與管理分析，實(shí)現(xiàn)PC端與移動(dòng)終端對(duì)于管理平臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的查詢(xún)和監(jiān)測(cè)、日常工作管理以及專(zhuān)家分析等功能。

平臺(tái)主要分為數(shù)據(jù)匯接、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)展現(xiàn)三層。數(shù)據(jù)匯接層：通常標(biāo)準(zhǔn)的OPC DA、OPC UA、Modbus TCP、MQTT、RTSP等協(xié)議接口接入數(shù)據(jù)，依據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型分別存儲(chǔ)在時(shí)序和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)處理層：基于虛擬的數(shù)據(jù)總線技術(shù)，各數(shù)據(jù)模塊可以從總線上訂閱需要的數(shù)據(jù)。圖形內(nèi)置多種圖表組件，可組態(tài)出豐富的數(shù)據(jù)展示界面。數(shù)據(jù)展現(xiàn)層：提供豐富的數(shù)據(jù)展示方式，支持表格、圖表等方式，支持在PC上通過(guò)Web方式交互。

管理平臺(tái)通過(guò)工作流應(yīng)用，將瓦斯抽采泵站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)與工作業(yè)務(wù)相結(jié)合。管理平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)圖如圖2。泵站維護(hù)管理方面，實(shí)現(xiàn)線上辦公，定制日常工作記錄填報(bào)模塊實(shí)現(xiàn)管道巡檢、檢修維護(hù)、盤(pán)泵、倒泵、注油、事故隱患等泵站日常記錄信息在線填報(bào)歸檔；泵站工作管理方面，定制抽采泵站工作任務(wù)傳遞表單和工作匯報(bào)表單實(shí)現(xiàn)班前工作下發(fā)和班后工作任務(wù)匯報(bào)；泵站人員管理方面，根據(jù)泵站人員管理需求，定制泵站人員違章信息表單、人員資格證表單形成人員基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，提供人員基礎(chǔ)信息查詢(xún)與違章信息統(tǒng)計(jì)。結(jié)構(gòu)化的管理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)歸檔，形成瓦斯泵站管理信息庫(kù)。

圖2 管理平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)圖

3 結(jié)語(yǔ)

瓦斯抽采泵站無(wú)人值守監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮各種影響抽采泵站安全穩(wěn)定運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，遵循“監(jiān)測(cè)全面、控制有效、響應(yīng)及時(shí)、風(fēng)險(xiǎn)可控”的技術(shù)要點(diǎn)。基于上述技術(shù)構(gòu)架的監(jiān)控系統(tǒng)先后在多個(gè)煤礦部署，系統(tǒng)投入后初步實(shí)現(xiàn)了瓦斯抽采泵站的無(wú)人值守目標(biāo)，為今后系統(tǒng)的建設(shè)提供了一定參考。