臺 鵬

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司， 山西 長治 046600）

引言

目前，我國煤礦井下排水設備的控制手段相對單一，自動化程度較低，各排水系統(tǒng)之間相對獨立運行，無法實現(xiàn)設備聯(lián)動，故障率高、反應速度差，在生產(chǎn)過程中一旦發(fā)生礦井涌水事故，不僅會造成煤礦停產(chǎn)，而且嚴重者將造成人員傷亡事故[1]，因此為了提高煤礦井下排水系統(tǒng)整體的可靠性與安全性，提高煤礦井下排水系統(tǒng)的自動化、智能化程度，在結合煤礦行業(yè)現(xiàn)有狀況的基礎上，提出了基于自動化控制的集成控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對煤礦井下各個排水控制系統(tǒng)的集成控制，大幅減少所需地人員，同時極大地提高煤礦井下排水系統(tǒng)安全性和可靠性。

1 井下排水系統(tǒng)整體結構設計

為了實現(xiàn)對煤礦井下排水系統(tǒng)的集中控制，自動化排水系統(tǒng)應該具有以下核心功能：

1）PLC控制系統(tǒng)。該功能要求煤礦井下排水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對各區(qū)域排水系統(tǒng)運行時的電壓、電流、流量、水壓等各種系統(tǒng)實時運行信號的采集、分析、篩選、控制。

2）參數(shù)顯示功能。該功能要求系統(tǒng)所采用的組態(tài)控制軟件具有對水倉水位、流量、壓力、管路靜壓、電路控制系統(tǒng)的電流、電壓等信息的實時動態(tài)顯示功能，便于管理人員能夠實時、直觀地掌握各分站點排水設備和系統(tǒng)的運行情況，能夠方便、快捷地對各設備的運行傳遞工作指令。

3）故障監(jiān)測及保護功能。煤礦井下排水設備控制系統(tǒng)的故障監(jiān)測及保護功能是指控制系統(tǒng)對設備在運行過程中的電壓、電流、漏電保護、流量、水壓、水泵漏水保護、電機超溫保護等[2]的運行信息進行實時監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測信號超過設定的區(qū)間時，系統(tǒng)自動采取斷電、調(diào)整、修復、報警等處理措施，避免設備更大事故的發(fā)生。

4）控制系統(tǒng)冗余設計。為保證自動化控制系統(tǒng)具有高度的適應性及強大的抗干擾能力，要求在自動化控制系統(tǒng)設計時采用冗余設計的概念，確保自動化控制系統(tǒng)在后續(xù)使用中的穩(wěn)定性。

根據(jù)井下排水自動化系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能，其主要包括地面集控中心、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡及井下水泵房的監(jiān)控單元組成，其構成示意圖如圖1所示。

圖1 井下排水自動控制系統(tǒng)結構示意圖

地面集控中心是井下排水自動化控制系統(tǒng)的核心單元，其位于地面，在地面集控中心設置有控制大廳，工作人員通過控制大廳內(nèi)的監(jiān)控設施即可實現(xiàn)對煤礦井下所有排水設備運行情況的實時掌握。集控中心內(nèi)設置有監(jiān)控站、實時運行、控制參數(shù)顯示屏、UPS不間斷電源等。

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡是聯(lián)系地面集控中心與井下設備控制單元的核心通信單元[3]，為了確保信號傳遞的穩(wěn)定性與及時性，要求在自動化控制系統(tǒng)中所采用的網(wǎng)絡系統(tǒng)具有高度穩(wěn)定性。

井下水泵房的監(jiān)控單元主要是對排水設備在運行過程中的電壓、電流、漏電保護、流量、水壓、水泵漏水保護、電機超溫保護等信息進行實時監(jiān)測[4]。

系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時，地面集控中心的PLC控制系統(tǒng)實時對每一個需要控制的物理量所對應的模擬信號進行監(jiān)測、收集，并對這些收集到的信號進行一定的過濾和處理，使經(jīng)過處理的信號能更加反映設備真實的運行狀況，然后系統(tǒng)將這些信號與在PLC控制系統(tǒng)內(nèi)設定的初始物理量進行對比，如果對比數(shù)據(jù)在系統(tǒng)設定的范圍內(nèi)則說明設備一切運行正常，若對比數(shù)據(jù)超出了設定值域則說明設備運行出現(xiàn)了故障，需要進行報警處理，由控制人員根據(jù)系統(tǒng)所反映出的不同的情況采取相應的控制措。同時集控系統(tǒng)所具有的邏輯錯誤保護功能能夠在設備正常運行時對系統(tǒng)的模擬輸入量、輸出量進行監(jiān)測，若這些信號之間的關系滿足預制的邏輯關系則說明系統(tǒng)運行正常，若不能滿足預制的邏輯關系則說明設備運行出現(xiàn)了故障，在設置系統(tǒng)時需要將常見故障的異常邏輯關系進行預制，一旦系統(tǒng)判定所出現(xiàn)的故障滿足異常邏輯關系，則即可采取報警、停機等保護措施。

2 井下泵房監(jiān)控單元的設計

井下泵房監(jiān)控單元的主要作用是利用分布在一線排水設備控制終端上的信息設備對各排水裝置的實時運行狀態(tài)進行不間斷監(jiān)測與控制并保證排水裝置能夠正確執(zhí)行從地面集控中心傳遞過來的控制信號，保證控制人員能夠對設備進行實時的控制，其主要包括CPU控制模塊及各種傳感器設備，其模擬量輸入信號主要由電機溫度、流量、水泵真空度等組成，其數(shù)字量輸入信號、數(shù)字量輸出信號、及通信模塊的構成如圖2所示。

圖2可以看出，在通信模塊上分別裝有上位監(jiān)控計算機設備及電機的電量監(jiān)控模塊，通過這兩個數(shù)據(jù)接口，PLC控制系統(tǒng)可以實時采集到排水設備的驅動電機的運行情況和狀態(tài)，同時為了保證在電力供應系統(tǒng)發(fā)生故障時的正常使用，在上位計算機設備上還配有UPS不間斷電源，防止忽然斷電導致的數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)癱瘓等。

3 控制系統(tǒng)的冗余設計

3.1 PLC的并行設計

PLC的并行設計是指其信號的輸入、輸出分別位于集控系統(tǒng)內(nèi)部的兩臺獨立的PLC上，這樣在正常工作狀態(tài)下，一個PLC為主控系統(tǒng)，另一個為輔用系統(tǒng)，兩臺設備間并行連接，當主控PLC出現(xiàn)故障時可自動或者人工切換到輔用PLC上，從而確保系統(tǒng)的正常的不間斷工作，如圖3所示，當1號PLC系統(tǒng)閉合時，此PLC即執(zhí)行主控任務，當1號機出現(xiàn)故障時就切換到2號機接替其開始執(zhí)行主控任務，但該并行系統(tǒng)中PLC的并列的運行方案只能適用于信號輸入快、信號輸出點位較少、走線相對容易的中、小規(guī)模的控制系統(tǒng)。

圖2 井下泵房監(jiān)控單元結構示意圖

圖3 PLC并行運行結構示意圖

3.2 雙機后備控制系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)的主要特征是在系統(tǒng)里采用兩個完全相同的CPU模塊參與系統(tǒng)控制，當一個CPU進行控制時另一個也同時參與到運算控制中但卻是處于后備的狀態(tài)，此時備用CPU能實時復制主CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)，當主CPU出現(xiàn)故障時，備用CPU就能立刻調(diào)出并執(zhí)行從主CPU上拷貝的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)立刻接管自動化控制系統(tǒng)的功能。

其他的例如采用表決式冗余系統(tǒng)[5]、使用PLC控制系統(tǒng)與老式的繼電器控制系統(tǒng)配合使用的結構等，均可以實現(xiàn)對集成控制系統(tǒng)的冗余設計，具體的需要綜合考慮煤礦井下排水裝置的實際情況、成本等進行選用。

4 結語

通過分析井下排水系統(tǒng)整體結構的設計，設計符合我國礦山實際的排水系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用冗余設計，大幅提高了煤礦井下排水系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為煤礦行業(yè)的安全生產(chǎn)提供了極強有力的保障。