宮 強(qiáng)

（汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)有限公司，山西 孝義 032300）

由于國家發(fā)展的需要，近年來，加大了煤礦的開采力度，而煤礦的開采會(huì)產(chǎn)生較大程度的積水，這給井下作業(yè)安全造成了威脅［1］。井下排水系統(tǒng)是有效解決井下積水問題的關(guān)鍵系統(tǒng)，而監(jiān)控系統(tǒng)則是排水系統(tǒng)的核心系統(tǒng)。不斷加大對(duì)井下排水系統(tǒng)中監(jiān)控系統(tǒng)綜合性能的升級(jí)設(shè)計(jì)，成為當(dāng)下保證排水系統(tǒng)正常運(yùn)行及作業(yè)安全的關(guān)鍵，將排水監(jiān)控系統(tǒng)引入排水系統(tǒng)，對(duì)井下排水系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，保證穩(wěn)定高效的運(yùn)行，具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值［2］。因此，在分析井下排水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開展了監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)中PLC控制器、主要傳感器及顯示界面等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，最終將所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)在汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了該監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可行性，這對(duì)后期監(jiān)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 井下排水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要性

井下排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括泵房、水倉、排水管路、多級(jí)排水泵、潛水泵、監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。保證各分系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)提高井下排水效率及作業(yè)安全至關(guān)重要［3］。據(jù)估算，在煤礦開采中，開采一噸煤，會(huì)產(chǎn)生將近5～7 t的積水；同時(shí)，井下也時(shí)常出現(xiàn)突然的較大量的滲水現(xiàn)象，導(dǎo)致井下的積水迅速增加，若未及時(shí)將井下積水排出，則很可能引發(fā)井下積水及設(shè)備損壞事故［4］。而井下排水系統(tǒng)能及時(shí)排除井下積水，并通過管路將積水從井下排出至井口以外;而監(jiān)控系統(tǒng)則是整體排水系統(tǒng)的核心系統(tǒng)。目前，排水監(jiān)控系統(tǒng)雖在井下進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，但大部分煤礦中的排水監(jiān)控系統(tǒng)存在智能化程度較低、數(shù)據(jù)檢測(cè)精度較低、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較差等問題，無法較全面地對(duì)井下排水相關(guān)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及處理分析，極易產(chǎn)生信號(hào)顯示不及時(shí)、信號(hào)誤報(bào)等故障現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著井下排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行及作業(yè)安全［5］。因此，有必要采用更加先進(jìn)的控制、監(jiān)控技術(shù)，加大對(duì)排水監(jiān)控系統(tǒng)的升級(jí)設(shè)計(jì)，以保證井下的作業(yè)安全。

2 排水監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

排水監(jiān)控系統(tǒng)作為井下排水系統(tǒng)的重要組成部分，將目前先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、無線通信技術(shù)、數(shù)字化字化控制技術(shù)應(yīng)用到監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)改進(jìn)，已成為當(dāng)下重要的研究方向。因此，由山西科達(dá)自動(dòng)化公司工程師和礦方工程技術(shù)人員組成的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，選用汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)中為研究對(duì)象，對(duì)該煤礦的排水系統(tǒng)進(jìn)行了排水監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。設(shè)計(jì)了包含井下監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、設(shè)備層及操作層等方面內(nèi)容，而系統(tǒng)的控制核心則選用了西門子的S7-300PLC控制器，系統(tǒng)通訊采用了CAN總線方式進(jìn)行通訊，下端配備了包括YZ602型壓力傳感器、LED-99DE流量傳感器及CY-DB42型液位傳感器等數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案見圖1。在此方案中，通過下端的4個(gè)分站，分別對(duì)排水系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)檢測(cè)，由接收天線傳遞至數(shù)據(jù)接口，經(jīng)過PLC控制器分析處理后，將相關(guān)信號(hào)傳遞至監(jiān)控計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過HUB集線器，將各類數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行分類傳輸至服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)終端等，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下排水的有效監(jiān)控及故障報(bào)警。同時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過服務(wù)器與客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)及監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程、快速傳輸與排水狀態(tài)的監(jiān)控。

圖1 井下排水監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案

3 控制系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)PLC控制器設(shè)計(jì)

PLC控制器是井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分。選用了市場(chǎng)成熟的西門子S7-300型PLC控制器。該控制器設(shè)計(jì)了模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、通訊模塊、CPU模塊等模塊［6］，其外形見圖2。其中，井下水泵電機(jī)開關(guān)、水泵管路開關(guān)、急停開關(guān)等信號(hào)則通過PLC控制器中的開關(guān)量輸入/輸出模塊進(jìn)行信號(hào)輸入；而井下電機(jī)轉(zhuǎn)速、工作溫度、電流大小、功率等則通過模擬量輸入/輸出模塊進(jìn)行信號(hào)輸入；井下環(huán)境中的氧氣濃度、濕度、壓力大小等信號(hào)則通過數(shù)字量輸入/輸出進(jìn)行信號(hào)獲取及輸出。另外，在PLC中各模塊的工作電源采用的24VDC電源，可通過PLC中的CPU中的電壓及外部的AC/DC轉(zhuǎn)換電源進(jìn)行供電。西門子PLC與其他品牌不同的是，在其內(nèi)部設(shè)計(jì)了濾波電路，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)外部干擾信號(hào)的隔離。所選用的PLC控制器具有較高的控制性能，能較好的滿足井下排水系統(tǒng)的有效控制，保證井下作業(yè)環(huán)境的安全。

圖2 S7-300PLC控制器

3.2 主要傳感器選型設(shè)計(jì)

井下排水系統(tǒng)主要由電機(jī)、水泵、各類閥門、管道等組成，因此，所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)對(duì)水位高度、流量、水泵的運(yùn)行壓力、電機(jī)工作狀態(tài)等方面信號(hào)檢測(cè)，選用性能穩(wěn)定，檢測(cè)精度較高的傳感器尤為重要。下面就排水監(jiān)控系統(tǒng)中的流量傳感器及液位傳感器進(jìn)行選型設(shè)計(jì)分析。

（1）流量傳感器

流量傳感器主要安裝在排水管道上，負(fù)責(zé)對(duì)水泵中的水位的流量進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)過篩選對(duì)比，選用了LED-99DE型流量傳感器，其外形見圖3。該傳感器具有數(shù)據(jù)檢測(cè)精度高，設(shè)備性能穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，一方面可對(duì)水泵的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)水泵出現(xiàn)問題時(shí)，可向PLC發(fā)出相應(yīng)提示，并做出水泵運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)調(diào)整；另一方面則可完成對(duì)排水系統(tǒng)的有效檢測(cè)，當(dāng)排水系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題時(shí)，流量傳感器也能發(fā)出相應(yīng)的提示，協(xié)助完成對(duì)排水系統(tǒng)故障的排除。

圖3 LED-99DE型流量傳感器實(shí)物

（2）液位傳感器

有效控制排水系統(tǒng)中水位高度，是整個(gè)排水監(jiān)控系統(tǒng)的核心。由于排水過程中，經(jīng)常出現(xiàn)管路滲水或漏水現(xiàn)象，加上所滲漏出的水中帶有一定的酸堿性，大量滲、漏水的長(zhǎng)期積累，也將出現(xiàn)各類淤泥的堆積現(xiàn)象。因此，選用了兩個(gè)同種規(guī)格的CYDB42型液位傳感器，其實(shí)物見圖4。該傳感器具有較強(qiáng)的抗腐蝕性及防水等級(jí)，能較好適應(yīng)井下環(huán)境；同時(shí)，所設(shè)計(jì)的兩個(gè)液位傳感器安裝于水倉的不同部位。當(dāng)兩個(gè)液位傳感器檢測(cè)的信號(hào)參數(shù)基本相同時(shí)，則認(rèn)為檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確；當(dāng)兩個(gè)傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)差距較大時(shí)，則認(rèn)為水位檢測(cè)有問題，需進(jìn)行水位的再次復(fù)查及檢測(cè)，以保證了所檢測(cè)水位的準(zhǔn)確性。

圖4 液位傳感器實(shí)物

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)顯示界面設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)有的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)功能，對(duì)排水監(jiān)控系統(tǒng)的顯示界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在該顯示界面中設(shè)計(jì)了管路流量顯示、管路壓力、閥門開度、水泵運(yùn)轉(zhuǎn)情況、水倉液位值、報(bào)警功能、數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)曲線等功能，并將各類數(shù)據(jù)信號(hào)通過數(shù)字或流動(dòng)畫面等方式進(jìn)行顯示，整個(gè)顯示界面見圖5。同時(shí)，在該顯示界面中，能對(duì)電機(jī)的啟停、設(shè)備的開關(guān)等情況進(jìn)行控制及顯示；當(dāng)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)值超過相應(yīng)閥值時(shí)，該顯示界面則會(huì)發(fā)生相應(yīng)的黃色報(bào)警，并在整個(gè)流程圖中對(duì)異?，F(xiàn)象發(fā)生位置進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，以快速方便地對(duì)操作人員發(fā)出故障信息的提示。另外，通過顯示界面中的報(bào)表輸出，可將排水系統(tǒng)中的各類信號(hào)參數(shù)進(jìn)行打印及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，由此，完成對(duì)整個(gè)井下排水系統(tǒng)的全面監(jiān)控。

圖5 排水監(jiān)控系統(tǒng)顯示界面

4 控制系統(tǒng)的測(cè)試驗(yàn)證

為進(jìn)一步掌握所設(shè)計(jì)的井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可行性，將該監(jiān)控系統(tǒng)用于汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)的井下進(jìn)行了將近6個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行正常，且能對(duì)排水過程中的各類信號(hào)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并通過顯示界面進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)及排水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題時(shí)，也能將相關(guān)故障信息通過顯示界面進(jìn)行顯示。與該煤礦現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)相比，其監(jiān)控的遠(yuǎn)程控制功能更加強(qiáng)大，顯示更加直觀。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員介紹，該監(jiān)控系統(tǒng)能使排水系統(tǒng)故障問題排除率提高約50%，并使井下排水系統(tǒng)作業(yè)安全性提高了將近45%。按照一年估算，可給企業(yè)節(jié)約將近50萬的相關(guān)費(fèi)用支出，得到了現(xiàn)場(chǎng)人員及企業(yè)管理人的一致認(rèn)可。由此，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的排水監(jiān)控系統(tǒng)具有一定的可靠性及可行性，可對(duì)該井下排水監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

將更加先進(jìn)的控制技術(shù)及設(shè)備應(yīng)用到井下排水監(jiān)控系統(tǒng)中，已成為目前提升排水系統(tǒng)工作效率及作業(yè)安全的關(guān)鍵。因此，通過對(duì)井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的重要性進(jìn)行分析，進(jìn)而開展了監(jiān)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)，并對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。為驗(yàn)證該系統(tǒng)的監(jiān)控性能，將其在汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。結(jié)果表明：與現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)相比，所設(shè)計(jì)的排水監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行正常，監(jiān)控功能更加全面，能使排水系統(tǒng)中的故障排除時(shí)間縮短將近50%，并為企業(yè)節(jié)約將近50萬元/年的費(fèi)用支出，得到了相關(guān)人員的一致好評(píng)，建議將此系統(tǒng)進(jìn)行推廣應(yīng)用。