張獻(xiàn)龍 王 嬌 孔二偉,3

（1.平頂山天安煤業(yè)股份 六礦，河南 平頂山467000；2.平頂山天安煤業(yè)股份 二礦，河南 平頂山467000；3.河南理工大學(xué)，河南 焦作454003）

0 引言

隨著國(guó)家的科技投入，煤礦礦山數(shù)字化建設(shè)日益迫切，如何實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)井下大型機(jī)電設(shè)備、減員增效、節(jié)約能源等需求日益迫切。目前，絕大部分的煤礦均建設(shè)有千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，這么寬的帶寬如何有效的利用，發(fā)揮其更大的作用，也越來越被研究。

全國(guó)自動(dòng)化程度較高的煤礦，如神話神東公司、兗礦集團(tuán)、徐礦集團(tuán)、平煤集團(tuán)都已經(jīng)把井下的泵房集控、皮帶集控、工業(yè)電視、環(huán)網(wǎng)平臺(tái)等系統(tǒng)進(jìn)行了綜合集成，極大的提高了生產(chǎn)、安全水平，為煤礦安全高效生產(chǎn)、減人提效提供了技術(shù)保障。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

排水自動(dòng)化系統(tǒng)主要由以下五部分組成。

1.1 地面自動(dòng)化控制中心

地面監(jiān)控站設(shè)置在集中控制中心，通過工作站對(duì)井下泵房相關(guān)設(shè)施進(jìn)行集控和監(jiān)視。主要設(shè)備、設(shè)施包括工作站、顯示器、不間斷電源、語(yǔ)音報(bào)警裝置等。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸線路

單泵、現(xiàn)場(chǎng)操控及顯示裝置與主控設(shè)備之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)雙向傳輸。

主控設(shè)備與礦井機(jī)房及調(diào)度中心通過環(huán)網(wǎng)或光纜實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)雙向傳輸。

1.3 泵房監(jiān)控單元

泵房監(jiān)控單元由礦用隔爆兼本安型監(jiān)控分站、 信號(hào)采集裝置、傳感器等組成，主控制站作為井下控制部分的通信核心，完成分站監(jiān)控信息與地面控制中心的監(jiān)控信息交互傳遞。 同時(shí)，通過在現(xiàn)場(chǎng)的操作顯示屏，為井下巡檢人員提供整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

井下監(jiān)控單元結(jié)構(gòu)如圖所示，對(duì)于需控制的中央泵房系統(tǒng)，中央泵房電控柜已具備微機(jī)綜合保護(hù)器， 現(xiàn)已有手動(dòng)操作的電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制需再增設(shè)控制單元。信息化整體設(shè)計(jì)在每個(gè)泵房設(shè)置了一個(gè)通訊主站，每個(gè)泵設(shè)置一個(gè)通訊分站，該監(jiān)控主站可兼作本泵房設(shè)備的控制單元，地面控制中心的控制指令通過以太網(wǎng)或?qū)Ｓ猛ㄓ嵐饫|下達(dá)到通訊主站與分站，由其控制泵系統(tǒng)的相應(yīng)動(dòng)作。

1.4 語(yǔ)音預(yù)警

語(yǔ)音報(bào)警包含地面集控中心實(shí)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警、泵房現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警。

地面集控中心語(yǔ)音報(bào)警： 能夠全面實(shí)時(shí)完成系統(tǒng)內(nèi)各種報(bào)警，通過工程師站驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警。

泵房現(xiàn)場(chǎng)語(yǔ)音報(bào)警：依據(jù)泵房實(shí)際需求，預(yù)先定制好語(yǔ)音報(bào)警內(nèi)容，系統(tǒng)控制主站綜合采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)判斷，確定符合程序設(shè)定報(bào)警條件，由系統(tǒng)程序驅(qū)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的報(bào)警內(nèi)容。 同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)定制泵房簡(jiǎn)介播報(bào)及各種歡迎用語(yǔ)等。

1.5 視頻巡檢

主要由攝像儀、專用導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、主控設(shè)備等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)就地控制攝像儀按照預(yù)設(shè)目標(biāo)移動(dòng)、能夠?qū)崿F(xiàn)圖像遠(yuǎn)傳存儲(chǔ)及實(shí)時(shí)監(jiān)視、能夠依據(jù)預(yù)設(shè)程序要求自動(dòng)移動(dòng)到對(duì)應(yīng)目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像拉遠(yuǎn)拉近、變焦等功能，能夠隨時(shí)顯示攝像儀當(dāng)前位置。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1：

圖1

2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)

2.1 主控設(shè)備

泵房排水自動(dòng)化系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，在井下泵房設(shè)立一套礦用隔爆見本安型可編程控制主站， 配套一個(gè)礦用本安型集中控制操作臺(tái)，完成對(duì)泵房?jī)?nèi)各受控設(shè)備的集中控制；每臺(tái)泵設(shè)立一臺(tái)礦用隔爆兼本安型綜合接入網(wǎng)關(guān)，配套礦用本安型顯示控制箱完成就地單泵控制；地面設(shè)立工程師站，雙機(jī)熱備，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)備，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，及時(shí)播報(bào)系統(tǒng)故障及報(bào)警點(diǎn)，形成歷史記錄，供后期查詢及打印報(bào)表等。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)

井下控制主站作為整個(gè)系統(tǒng)的核心， 向上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全雙工通信，接受遠(yuǎn)程工程師站控制命令及各參數(shù)設(shè)置， 及時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；通過井下集中控制操作臺(tái)向控制主站向發(fā)送主控命令，由控制主站執(zhí)行各程序流程，同時(shí)在集中控制操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)顯示系統(tǒng)信息；向下與各泵網(wǎng)關(guān)進(jìn)行總線通信，主站與各泵網(wǎng)關(guān)之間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)雙向傳輸。

2.3 系統(tǒng)供電

系統(tǒng)配套礦用隔爆型不間斷電源，為系統(tǒng)主控設(shè)備提供不間斷電源。

3 系統(tǒng)控制方式

系統(tǒng)有四種控制方式：就地手動(dòng)、就地自動(dòng)、遠(yuǎn)程控制、無人值守。

3.1 就地手動(dòng)

采用手動(dòng)操作時(shí)， 由井下操作人員根據(jù)生產(chǎn)需要以及設(shè)備狀況，通過操作操作臺(tái)上的按鈕，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟動(dòng)、停止。

3.2 就地自動(dòng)

在操作臺(tái)上發(fā)出啟動(dòng)命令，水泵的電動(dòng)球閥、電動(dòng)閘閥及電機(jī)等設(shè)備，按照設(shè)定流程啟動(dòng)。當(dāng)集控操作臺(tái)發(fā)出停止命令后，水泵系統(tǒng)將關(guān)閉閘閥后，停止電機(jī)。

3.3 無人值守

系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng)水位個(gè)高低及用電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)啟停。

3.4 遠(yuǎn)程控制

水泵的啟停由地面控制， 同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無人值守與遠(yuǎn)程自動(dòng)、遠(yuǎn)程手動(dòng)間的切換。

4 系統(tǒng)功能

4.1 故障停泵

1）水泵在自動(dòng)控制工作方式下運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)，計(jì)算機(jī)將按照所設(shè)定的停泵程序自動(dòng)停止運(yùn)行水泵。

2）水泵在“檢修”工作方式下運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生故障需要停泵時(shí)，應(yīng)按下列順序操作：

同時(shí)關(guān)閉管路的手動(dòng)閘閥，嚴(yán)禁閥門在開通位置停機(jī)；

待閥門關(guān)閉到位后，停電動(dòng)機(jī)；

不論水泵在哪一種工作方式下運(yùn)行， 當(dāng)發(fā)生故障需要緊急停泵時(shí)，司機(jī)可按下“急?！卑醇~(帶機(jī)械自鎖)。

3）故障停泵后，查明故障原因，立即向有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)。

4）按下“故障復(fù)位”按紐，使系統(tǒng)恢復(fù)正常，為啟動(dòng)備用水泵做好準(zhǔn)備。

4.2 水泵自動(dòng)輪換

為了防止備用泵、電氣設(shè)備和備用管路長(zhǎng)期不用而導(dǎo)致設(shè)備受潮或出現(xiàn)其他故障未經(jīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作泵出現(xiàn)緊急故障需投入備用泵時(shí)，而不能及時(shí)投入以至影響礦井排水安全，控制程序?qū)⑺脝⑼４螖?shù)及運(yùn)行時(shí)間和管路使用次數(shù)及流量等參數(shù)自動(dòng)記錄累計(jì)，系統(tǒng)根據(jù)這些運(yùn)行參數(shù)按一定規(guī)律自動(dòng)啟停水泵，使各水泵及其管路的使用率分布均勻，當(dāng)水泵在啟動(dòng)或運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止故障水泵、投入新的水泵排水，實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)輪換工作，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，并在操作屏和地面操作站上動(dòng)態(tài)閃爍顯示，記錄事故，達(dá)到有故障早發(fā)現(xiàn)、早處理。

4.3 自動(dòng)控制

系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)選用了西門子300 系列為控制主機(jī)， 該P(yáng)LC 為模塊化結(jié)構(gòu)，由數(shù)字量I/O、模擬量輸入、通訊口等模塊構(gòu)成。PLC 自動(dòng)化控制系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng)水位的高低或者根據(jù)井下用電負(fù)荷的高、低峰和供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段供電電價(jià)時(shí)間段等因素，建立數(shù)學(xué)模型，合理調(diào)度水泵，自動(dòng)準(zhǔn)確發(fā)出啟、停水泵的命令，控制水泵運(yùn)行。

為了保證井下安全生產(chǎn)，系統(tǒng)可靠運(yùn)行，水位信號(hào)是水泵自動(dòng)化一個(gè)非常重要的參數(shù)，因此，系統(tǒng)設(shè)置在不同水艙的兩套超聲波水位傳感器，PLC 將接受到的模擬量水位信號(hào)分成若干個(gè)水位段， 計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率， 從而判斷礦井的涌水量，也本系統(tǒng)可以同時(shí)檢測(cè)井下供電電流值，計(jì)算用電負(fù)荷率，根據(jù)礦井涌水量和用電負(fù)荷， 控制在用電低峰和一天中電價(jià)最低時(shí)開啟水泵，用電高峰和電價(jià)高時(shí)停止水泵運(yùn)行，以達(dá)到避峰填谷及節(jié)能的目的。

4.4 動(dòng)態(tài)顯示

就地動(dòng)態(tài)模擬顯示選用操作屏，地面操作站系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬顯示采用組態(tài)王組態(tài)軟件開發(fā)，系統(tǒng)通過圖形動(dòng)態(tài)顯示水泵、真空泵、電磁閥和電動(dòng)閘閥的運(yùn)行狀態(tài)， 采用改變圖形顏色和閃爍功能進(jìn)行事故報(bào)警，直觀地顯示電磁閥和電動(dòng)閘閥的開閉位置，實(shí)時(shí)顯示水泵抽真空情況和出水口壓力值。

用實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖方式和數(shù)字形式準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地顯示水倉(cāng)水位，并在啟停水泵的水位段發(fā)出預(yù)告信號(hào)和低段、超低段、高段、超高段水位分段報(bào)警，用事先錄制的語(yǔ)音提示形式提醒操作人員注意。

采用圖形、趨勢(shì)圖和數(shù)字形式直觀地顯示趟管路的瞬時(shí)流量及累計(jì)流量、水泵軸溫、電機(jī)溫度等動(dòng)態(tài)值，超限報(bào)警，自動(dòng)記錄故障類型、時(shí)間等歷史數(shù)據(jù)， 并通過每臺(tái)水泵的流量計(jì)算出水泵的有效功率，以提醒巡檢人員及時(shí)檢修或更換水泵。

4.5 現(xiàn)場(chǎng)編程

用戶可在現(xiàn)場(chǎng)通過面板上的鍵盤對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改。

4.6 組網(wǎng)功能

該分站掛接在中央變電所的交換機(jī)上，通過交換機(jī)與全礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)連接。

4.7 水泵運(yùn)行計(jì)量/時(shí)間/運(yùn)行統(tǒng)計(jì)

圖2 動(dòng)態(tài)顯示圖

在地面控制站上應(yīng)可分別對(duì)每臺(tái)水泵的運(yùn)行電耗、工作時(shí)間等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，便于管理人員及時(shí)掌握每臺(tái)水泵的工況。

4.8 圖形曲線顯示

在地面控制站上應(yīng)可實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備運(yùn)行圖。并提供開放式的圖形制作軟件，用戶可描繪各種動(dòng)態(tài)圖形、靜態(tài)圖形，同時(shí)支持多種圖形格式，圖形畫面具有鏈接功能，可以很方面地切換其它畫面顯示?？娠@示實(shí)時(shí)曲線，可顯示年、月、日個(gè)時(shí)間段的歷史曲線和具體數(shù)據(jù)表。

4.9 實(shí)時(shí)報(bào)警/報(bào)警記錄

在現(xiàn)場(chǎng)PLC 控制器上可漢字顯示各故障信息并報(bào)警， 在地面控制站上可顯示現(xiàn)場(chǎng)單元當(dāng)前的報(bào)警信息以及保存的報(bào)警記錄。

圖3 報(bào)警信息查詢

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦井下排水系統(tǒng)在煤礦的應(yīng)用越來越廣泛，切實(shí)提高了礦井的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了減員增效，提高了安全生產(chǎn)的可靠性，通過管理制度的調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)了無人值守作業(yè)，對(duì)煤礦科技水平的提高和新型生產(chǎn)工藝的探索有重要的意義。

［1］付鐵斌,王洪林.礦井排水系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置的研制[J].煤礦安全,2004.

［2］宋杰,肖興明,張憲鋒,馬馳.PLC 在煤礦井下主排水控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2006，5.

［3］袁小東，鄧先明，王冬冬，盧佳，張敏.基于以太網(wǎng)的煤礦排水綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[J].工況自動(dòng)化,2009，7.