劉 剛

（大同煤礦集團(tuán) 煤峪口礦，山西 大同037041）

1 概述

煤礦的安全生產(chǎn)，與現(xiàn)場(chǎng)使用的機(jī)械電氣設(shè)備有著密不可分的關(guān)系，特別是井工開(kāi)采中的通風(fēng)機(jī)、水泵、提升機(jī)以及壓風(fēng)機(jī)。這些設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)。但由于管理的缺陷及監(jiān)控技術(shù)手段的落后，因機(jī)械設(shè)備故障造成的事故時(shí)有發(fā)生〔1〕。

在進(jìn)行煤炭開(kāi)采作業(yè)時(shí)，由于受到季節(jié)和氣候的影響，經(jīng)常會(huì)有大量水涌入井下。如果礦井水文地質(zhì)條件復(fù)雜，突水頻繁發(fā)生，會(huì)對(duì)煤礦采掘和安全造成嚴(yán)重的危害〔2〕，如2010年3月發(fā)生在山西王家?guī)X煤礦的透水事故，導(dǎo)致38人遇難，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)一億元人民幣；2015年4月發(fā)生在山西姜家灣煤礦的透水事故，導(dǎo)致21人遇難。

因此，必須及時(shí)將礦井積水排至井上。井下主排水系統(tǒng)就是把流入井下巷道中的水排至地面的主要設(shè)備，該系統(tǒng)主要由工作水泵、備用水泵以及檢修水泵等組成，每臺(tái)設(shè)備的電機(jī)功率從數(shù)千瓦到數(shù)百千瓦不等。在我國(guó)，煤礦排水用電總量大約為煤炭生產(chǎn)總耗電量的20%左右。如果根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)情況準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)水泵運(yùn)行狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)度水泵合理工作，既能提高煤礦的安全生產(chǎn)程度又能節(jié)約電能。所以，研究完善煤礦水泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，提升排水系統(tǒng)的自動(dòng)化程度是非常必要的。

2 舊系統(tǒng)存在的問(wèn)題

井下排水泵在煤礦安全生產(chǎn)中具有非常重要的作用，能夠及時(shí)排出巷道積水。煤礦舊式排水系統(tǒng)采用的是人工控制水泵的啟停，工人按照操作規(guī)程，在水位達(dá)到預(yù)設(shè)位置時(shí)手動(dòng)排水。這種方式，操作復(fù)雜，過(guò)度依賴工人的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗(yàn)，可靠性低，很容易出現(xiàn)誤操作而造成事故，影響煤炭的高效安全生產(chǎn)〔3〕。其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

（1）工作效率低。排水泵的啟停工作通過(guò)工人手動(dòng)完成，水泵的調(diào)度是根據(jù)工人個(gè)人對(duì)涌水量和涌水流速的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷和操作，不能精確把握相關(guān)數(shù)據(jù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)及時(shí)的控制，工作效率低；當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，很難及時(shí)合理地對(duì)主水泵、備用水泵和檢修水泵進(jìn)行組合運(yùn)行，因此對(duì)電能造成了嚴(yán)重的浪費(fèi)。

（2）控制精度差。煤礦中多數(shù)人工控制排水系統(tǒng)檢測(cè)水位時(shí)采用浮球、舌簧管式以及電極式水位控制器。這三種控制器原理簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛，但是精度較低。不能監(jiān)測(cè)涌水速率，僅僅依靠水倉(cāng)中水位來(lái)控制水泵啟停，局限性較大。

（3）設(shè)備損耗大。機(jī)組完全采用人工操作，設(shè)備非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)（抽空、過(guò)熱等）不能采取有效措施防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，出現(xiàn)問(wèn)題多進(jìn)行事后處理，造成設(shè)備運(yùn)行損耗增大，運(yùn)行效率低，壽命短。

3 煤礦水泵監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)前文的介紹以及煤礦對(duì)于排水系統(tǒng)的要求，利用現(xiàn)代化的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)新的煤礦井下水泵監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。新系統(tǒng)應(yīng)該能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)，靈活調(diào)整水泵運(yùn)行方式。其數(shù)據(jù)采集可以利用各類傳感器；程序運(yùn)行和控制可以利用PLC及上位機(jī)軟件；實(shí)時(shí)通訊可以通過(guò)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

3.1 功能介紹

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能有：

（1）運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)。為了確保對(duì)水泵運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，因此傳感器應(yīng)當(dāng)能夠測(cè)量水泵軸溫、電機(jī)軸溫、壓力、電壓、電流、功率等參數(shù)。除了必要參數(shù)的監(jiān)測(cè)外，還應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)水倉(cāng)水位情況等。

（2）多種控制方式。系統(tǒng)應(yīng)該具備多種控制方式以適應(yīng)不同的現(xiàn)場(chǎng)條件。控制方式可以有井下現(xiàn)場(chǎng)的直接操作控制、監(jiān)控室的遠(yuǎn)程控制、全自動(dòng)控制。其中全自動(dòng)控制是利用傳感器和PLC系統(tǒng)完成，通過(guò)PLC內(nèi)部的程序做到最優(yōu)化配合，節(jié)省費(fèi)用。

（3）保護(hù)與報(bào)警。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障或者錯(cuò)誤時(shí)，能夠通過(guò)PLC內(nèi)部的程序啟動(dòng)保護(hù)措施。同時(shí)，發(fā)出報(bào)警，并在上位機(jī)中有所顯示。

（4）數(shù)據(jù)記錄。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，對(duì)水倉(cāng)水位數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并繪制水位曲線表，最終形成相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)表并保存。

3.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由測(cè)量機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)、通信機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

（1）測(cè)量機(jī)構(gòu)。主要由系統(tǒng)相關(guān)的電氣監(jiān)測(cè)、溫度傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器以及流量計(jì)等組成，根據(jù)測(cè)得的參數(shù)能夠計(jì)算水泵的功率和效率等性能參數(shù)。

電氣監(jiān)測(cè)部分選擇能夠?qū)崿F(xiàn)線路保護(hù)的WGB－152N型裝置；壓力傳感器選擇GYD10和GYD100分別測(cè)量10MPa和100kPa范圍的壓力值；振動(dòng)傳感器可以選擇HZYT898；流量計(jì)選擇LCZ－803。

（2）處理機(jī)構(gòu)。主要由采集卡、PLC以及上位工控機(jī)組成。

采集卡選擇PCI－9812A和8554；PLC選擇S7－300系列PLC并通過(guò)STEP7進(jìn)行編程；上位機(jī)選擇IPC－300H型計(jì)算機(jī)，而且上位工控機(jī)要設(shè)置為“一主一備”，確保系統(tǒng)正常工作，避免一臺(tái)計(jì)算機(jī)故障而導(dǎo)致系統(tǒng)停止或者數(shù)據(jù)丟失。

（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由PLC控制柜、就地控制箱以及各類閘閥等組行。

通過(guò)PLC控制柜、就地控制箱可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇操作方式，再通過(guò)閘閥、球閥和配水閥等實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的控制。其中閘閥、球閥和配水閥可以選擇ZB250P64、ZB20P64以及PZ800。

（4）通訊機(jī)構(gòu)。以PLC為核心，通過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、MPI技術(shù)以及以太網(wǎng)通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.3 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)軟件部分應(yīng)該包括PLC程序設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)等。其中上位機(jī)軟件采用Intouch組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，包括監(jiān)控界面和故障界面〔4〕；通信軟件設(shè)計(jì)選擇OPC技術(shù)〔5〕。這兩種軟件技術(shù)都成熟而且廣泛應(yīng)用，因此不再贅述。下面主要介紹PLC對(duì)水泵的控制。

（1）突發(fā)故障處理與報(bào)警。通過(guò)對(duì)水泵運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取緊急措施處理故障。如高壓柜掉電，通信系統(tǒng)故障，電機(jī)溫度過(guò)高等。當(dāng)出現(xiàn)故障以后，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)停機(jī)程序并開(kāi)啟備用水泵，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（2）水泵控制軟件流程（見(jiàn)圖2）。

圖2 水泵控制軟件流程

4 系統(tǒng)抗干擾

煤礦井下排水系統(tǒng)所用的主要設(shè)備都是高電壓、大電流的大功率設(shè)備，而且工作環(huán)境為井下，線路布置受到很大的局限性，容易受到強(qiáng)烈的電磁干擾，影響系統(tǒng)的可靠性。因此，在水泵狀態(tài)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中，必須減少信號(hào)采集和傳輸過(guò)程中的干擾，還要降低諧波電流不穩(wěn)定變化、浪涌等負(fù)荷不穩(wěn)定變化對(duì)電源的影響。所以，系統(tǒng)必須對(duì)電磁干擾采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

4.1 電磁干擾的危害

PLC控制系統(tǒng)中如果混入了電磁干擾，會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生非常不利的影響，可能造成系統(tǒng)的失靈、水泵無(wú)法正常工作等，甚至由此引發(fā)重大的安全事故。電磁干擾對(duì)PLC控制系統(tǒng)造成的危害主要有以下幾點(diǎn)：

（1）程序不能正常運(yùn)行，造成數(shù)據(jù)讀寫錯(cuò)誤。當(dāng)PLC系統(tǒng)受到電磁干擾時(shí)，其內(nèi)部數(shù)據(jù)的讀寫可能發(fā)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致程序出現(xiàn)問(wèn)題。

（2）影響PLC與其它設(shè)備的通訊。當(dāng)PLC系統(tǒng)受到電磁干擾時(shí)，其與外部設(shè)備之間的通訊也會(huì)受到影響。導(dǎo)致輸入的數(shù)據(jù)出現(xiàn)混亂，輸出的控制信號(hào)也被降低，從而影響到整個(gè)系統(tǒng)。

（3）增加了系統(tǒng)的能耗。當(dāng)PLC系統(tǒng)受到電磁干擾時(shí)，諧波增加了電子元件的能耗，降低了各個(gè)電機(jī)的工作效率。

4.2 電磁干擾的抑制措施

（1）采用接地和屏蔽。合理正確的接地，能夠有效降低諧波帶來(lái)的影響；增加屏蔽，可以有效減少電磁輻射帶來(lái)的影響。

（2）在變頻器輸入端加入電抗器，能夠改善輸入功率因素，減小甚至避免波形失真。

（3）在電源入口處安裝濾波器。濾波器能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的諧波進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。

（4）采用數(shù)字濾波法。在PLC系統(tǒng)程序軟件中，采用數(shù)字濾波法，減少硬件設(shè)備的使用，確保系統(tǒng)軟件部分的正常運(yùn)行，提高系統(tǒng)可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

1）介紹了井下排水系統(tǒng)的作用和重要意義，指出了舊式系統(tǒng)存在的問(wèn)題，并提出了基于PLC的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

2）建立了由測(cè)量機(jī)構(gòu)、處理機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與檢測(cè)、自動(dòng)化多種控制方式的切換、自動(dòng)保護(hù)與報(bào)警以及數(shù)據(jù)記錄等。

3）設(shè)計(jì)繪制了PLC對(duì)水泵控制的軟件流程圖。程序根據(jù)對(duì)水倉(cāng)水位的監(jiān)測(cè)，自動(dòng)控制主水泵、備用水泵的啟動(dòng)與停止，并可以對(duì)主水泵運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷是否存在故障或者是否需要啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

4）該系統(tǒng)的自動(dòng)化操作方式對(duì)于節(jié)省勞動(dòng)力、節(jié)省電力資源以及確保煤礦安全生產(chǎn)具有一定的意義。

〔1〕丁 濤，王 芳，任工昌 .旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷研究現(xiàn)狀〔J〕.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009，（12）：159－160.

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〔3〕姚桂艷，孫麗媛.機(jī)械故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)〔J〕.河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，（08）：35－37.

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