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)。
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。
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
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
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
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
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。
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。