宋沖

摘? 要：礦井主排水集控系統(tǒng)是保障煤礦排水安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為提高系統(tǒng)可靠性，該文設(shè)計了基于多主站控制模式的煤礦井下泵房排水集控系統(tǒng)，提出了由地面控制中心、網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺、泵房數(shù)據(jù)采集/控制中心組成的系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計了遠程集控子系統(tǒng)和就地集控子系統(tǒng)，提出了具有檢修、就地、遠程、單控、集控等各種組合控制方式，設(shè)計了電動機故障、真空起故障、低水位、超溫、禁止啟動、流量等多種保護方式以及系統(tǒng)詳細功能。該系統(tǒng)能夠降低工人的勞動強度，提高礦井生產(chǎn)安全和效率。

關(guān)鍵詞：礦井主排水;多主站控制;集控系統(tǒng)

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

0 引言

井下水泵排水系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)的重要設(shè)備。傳統(tǒng)主排水裝置操控體系利用繼電器操控主排水裝置，水泵裝置的啟動關(guān)閉選及檔位裝換都是依靠操作者手工完成的，工人勞動強度大、生產(chǎn)效率低。隨著計算機控制技術(shù)、通信技術(shù)、自動化技術(shù)的迅速發(fā)展，以PLC為核心的新型集成化操控裝置已逐漸替代繼電器操控模式，該類PLC控制系統(tǒng)保證礦山井下排水網(wǎng)絡(luò)可以進行集中管理及操控。為了簡化泵房控制設(shè)備的數(shù)量，一般采用單臺控制箱多線纜控制模式，實現(xiàn)對所有水泵的控制、數(shù)據(jù)采集、告警等操作。但該種模式在初期安裝和后期使用維護過程中存在一些弊端：每臺水泵的各類傳感設(shè)備和控制設(shè)備的線纜都要接入控制箱內(nèi)，這樣會造成泵房內(nèi)敷設(shè)線纜多，且一旦PLC控制箱或某一臺泵出現(xiàn)故障，需要停止整個集控設(shè)備的運轉(zhuǎn)并進行故障排查，這樣直接影響到水泵的正常自動控制，缺乏冗余性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

該文針對礦寺河煤礦西區(qū)井下排水設(shè)備，在安全、穩(wěn)定、可靠、先進的前提下，研發(fā)了基于工業(yè)以太網(wǎng)和多主站控制模式的泵房集控系統(tǒng)，實現(xiàn)水泵系統(tǒng)的全天候安全、平穩(wěn)、高效地自動運轉(zhuǎn)，真正實現(xiàn)“無人監(jiān)控”的工作狀態(tài)，顯著提升礦山井下作業(yè)生產(chǎn)的安全及自動化操作水準。

1 總體方案

1.1 現(xiàn)場情況

寺河煤礦井下排水采用集中排水方式，目前西區(qū)井下有2個水泵房，均未建集控，每個水泵房配置有3臺泵，每個泵房有兩路輸出主管道排水，每個泵房有2個水倉，都采用射流閥抽真空。西一水泵房的水排到西區(qū)中央水泵房，通過斜井排水管道排出地面。

1.2 總體設(shè)計

系統(tǒng)可以在控制中心內(nèi)部監(jiān)控礦井上下位置的安全生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)，操控礦井上下位置的相關(guān)機電裝置，實現(xiàn)某些機電自動化裝置的無人操控作業(yè)，機電設(shè)備房不需要配備專人守候，實現(xiàn)減人提效的目的。系統(tǒng)規(guī)劃為地面控制中心、網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺、泵房數(shù)據(jù)采集/控制中心3個部分。地面控制中心安置在設(shè)備監(jiān)控中心，控制中心擁有控制站點聯(lián)網(wǎng)交互的大型服務(wù)器設(shè)備，可以實現(xiàn)對水泵網(wǎng)絡(luò)的遠距離監(jiān)控。信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交互作業(yè)使用礦山架設(shè)的工業(yè)用環(huán)網(wǎng)，或從地面到井下的光纖網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)光纜專用網(wǎng)絡(luò)，以此來進行礦井內(nèi)外的信息交互。礦井內(nèi)部泵房的信息收集/操控指揮室配備了如PLC操控單元、信息收集站點、相關(guān)的傳感設(shè)備、攝像頭、屏幕及設(shè)備操控平臺等設(shè)備，用于實現(xiàn)工作現(xiàn)場實時信息和參數(shù)的收集和監(jiān)控。

系統(tǒng)按照通過遠程集控子系統(tǒng)實現(xiàn)“無人值守”和通過井下泵房的就地集控子系統(tǒng)2 個部分進行設(shè)計，實現(xiàn)“一鍵啟、?！彼貌僮?。系統(tǒng)開創(chuàng)性的加入現(xiàn)場音視頻監(jiān)控和語音發(fā)聲報警，真正實現(xiàn)對排水系統(tǒng)的全方位監(jiān)控，保障系統(tǒng)無人值守下的運行安全。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 遠程集控子系統(tǒng)設(shè)計

2.1 地面控制中心設(shè)計

地面控制中心位于監(jiān)控室內(nèi)，設(shè)計2臺操控站，安裝水泵集控軟件，將井下5個水泵房排水集控數(shù)據(jù)采集到地面控制中心，借助該指揮中心對礦井內(nèi)部的全部水泵房的相應(yīng)裝置進行遠距離集中控制及狀態(tài)監(jiān)控等操作。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺設(shè)計

系統(tǒng)的主要設(shè)備側(cè)都預(yù)留設(shè)計了通用的網(wǎng)絡(luò)接口，方便網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的輸入輸出，系統(tǒng)傳輸時既可以采用單獨組網(wǎng)的方式，也可以利用礦上現(xiàn)有的光傳輸網(wǎng)絡(luò)、以太環(huán)形網(wǎng)絡(luò)等進行數(shù)據(jù)傳輸。該次方案設(shè)計利用礦上建設(shè)的工業(yè)環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺進行數(shù)據(jù)傳輸，暫不進行重復(fù)設(shè)計，將PLC控制箱收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妫c控制中心進行數(shù)據(jù)交換。

2.3 音視頻遠程監(jiān)察體系的規(guī)劃

遠程操控體系中增加了內(nèi)置云端平臺的遠距離操控的高像素錄像設(shè)備（含拾音器），把整個水泵房的高清及時視頻及音頻數(shù)據(jù)傳送至地表指揮部門，可以隨時讓管理人員觀察水泵房內(nèi)部的狀況，并且借助上位機圖像選項有針對性地調(diào)取和察看相關(guān)圖像文件，地面配置1套麥克風(fēng)和音箱，完成上下對講，同時能監(jiān)聽泵房現(xiàn)場的聲音，真正實現(xiàn)泵房的“無人值守”。

在井下每個水泵房內(nèi)配置1臺礦用本安型云臺攝像機，采用高清攝像鏡頭，分辨率在200萬以上，通過內(nèi)部云臺控制器實現(xiàn)360°全方位旋轉(zhuǎn)攝取視頻數(shù)據(jù)，通過在泵房內(nèi)安裝高清云臺攝像儀能實現(xiàn)4個功能。1）高清云臺攝像機自帶拾音功能，可以實時監(jiān)控水泵房的工作狀況并拾取現(xiàn)場的聲音，判斷水泵電機的運轉(zhuǎn)是否存在異常。2）高清云臺攝像機內(nèi)置有喇叭，地面監(jiān)控中心的人員可以通過麥克與井下維護人員進行雙向語音通話，便于完成實時通信，相互接收、回傳操作等指定。3）云臺攝像儀可以手工調(diào)整攝取圖像的大小、遠近和方向。同時將操作指令寫入泵房控制平臺的系統(tǒng)中，可以通過一鍵方式，攝取所需圖像。4）云臺攝像儀通過協(xié)議開發(fā)包，嵌入組態(tài)軟件中，通過預(yù)設(shè)點位的方式，在開啟水泵指令后，系統(tǒng)將按預(yù)設(shè)點位巡航到指定位置。

3 就地集控子系統(tǒng)設(shè)計

3.1 多主站的控制模式

單臺控制箱多線纜控制模式的可靠性不高，泵房內(nèi)需敷設(shè)多條線纜。主站選用PLC作為邏輯控制核心，多主站之間通過現(xiàn)場總線進行邏輯通信，各臺水泵的控制和采集信號就近接入監(jiān)控主站，這樣不僅可以減少現(xiàn)場線纜的布置，而且便于后期進行故障查找和檢修。單臺主站的故障不影響其他分站的正常運行，所以其提升了系統(tǒng)的冗余可靠性，使排水更加穩(wěn)定可靠。因此，采用多主站的控制模式設(shè)計就地集控子系統(tǒng)。

3.2 泵房控制中心設(shè)計

如圖1所示，泵房控制中心采用多主分站控制結(jié)構(gòu)。主站配置高性能PLC控制箱，完成整套泵房的控制邏輯運算。所有水泵都會搭配1部收集監(jiān)控數(shù)據(jù)的站點以及分開控制箱體，每個站點之間各自獨立運行，不會相互干擾，所以當(dāng)某個站點發(fā)生問題時，不會干擾其他站點的正常工作，進而可以切實保證整個系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。另一方面，在相應(yīng)控制方案的初始設(shè)計階段，應(yīng)全方位考察極端狀況下，整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)可能出現(xiàn)的安全問題，當(dāng)相關(guān)的主站點和分站點都發(fā)生問題時，借助分開控制箱體的作用，依然可以正常開動和終止水泵的排水工作。PLC控制箱和采集監(jiān)控分站都留有接口，為后期擴容做準備，使其可以在不需要增加接口設(shè)備的情況下直接進行對接。每臺PLC控制箱可以接入4～6臺采集監(jiān)控分站。

西一水泵房和西區(qū)中央水泵房各設(shè)3臺礦用隔爆兼本安型監(jiān)控主站。在水泵房值班區(qū)域內(nèi)配置1臺礦用本安型操作臺，用于就地集中操作。井下西區(qū)中央水泵房內(nèi)配置1臺具備語音報警功能的本安LED顯示屏，在故障報警時，不僅能進行語音播報，而且還能直接顯示文字報警信息。

3.3 泵房信息收集系統(tǒng)規(guī)劃

泵房信息收集一般采用在每個核心位置配備傳感裝置的模式進行，借助傳感設(shè)備捕捉每個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)信息，并將其輸送到收集站點。設(shè)置傳感設(shè)備主要包含水倉內(nèi)部水位信息、管道內(nèi)部流量信息，閘閥動作信息、驅(qū)動電機的電流信息、工作電壓、壓力變送裝置、溫度檢測裝置等。

3.3.1 排水管道設(shè)置出水口

現(xiàn)階段礦井內(nèi)部西側(cè)水泵房里所有的水泵均配備1個可控的放水用閥門（可手動操控），將人工操控的閥門升級為自動控制的閥門，并配有閘閥控制箱，控制閘閥的開、閉等狀態(tài)。系統(tǒng)共設(shè)計了3臺礦用電動閘閥[1]。

3.3.2 排真空管路配置

整個結(jié)構(gòu)使用水泵抽水形成真空狀態(tài)的模式，所有的水泵均配備1～2部礦山專用的安全自動化球閥裝置，該次設(shè)計需要新增6臺DFB20/7型礦用電動球閥。

3.3.3 出水口相關(guān)壓力參數(shù)測量

所有水泵的出水口位置都會裝備1部水壓傳感裝置，整個系統(tǒng)一共配置了3部礦山專用的安全式水壓變送裝置。

3.3.4 真空狀探測態(tài)

所有水泵的進水口上半部分會裝備1部真空狀態(tài)傳感設(shè)備，整個系統(tǒng)一共配置了3部安全式水壓變送裝置。

3.3.5 系統(tǒng)液體水位探測

現(xiàn)階段礦山內(nèi)部水泵房水倉有2個，在每個水倉配置1臺液位傳感器，共設(shè)置2部礦用液體水位傳感裝置。

4 系統(tǒng)控制保護方式與功能設(shè)計

4.1 操控模式的規(guī)劃

作業(yè)現(xiàn)場實際操控動作一般是由PLC控制盒、收集站點及外部探測裝置構(gòu)成。遠程控制由監(jiān)控室內(nèi)計算機（服務(wù)器）及控制軟件構(gòu)成。井下水泵房排水監(jiān)控系統(tǒng)具備遠距離自動化操控、遠距離單獨水泵自動化操控、遠距離單獨水泵人工操控、實地人工綜合操控4類運作模式。

遠距離自動化操控：在地表指揮中心進行遠程水泵自動化操控，包含液體水位上升的水泵啟動、用電高峰時段及低谷時段等情況下啟動水泵等模式。

遠距離單獨水泵自動化操控：即地表指揮中心自動啟動所有的水泵設(shè)備。

遠距離單獨水泵人工操控：即地表指揮中心獨立啟動或者停止驅(qū)動電機、閥門等單獨的某一部相關(guān)裝置。

實地人工綜合操控：在目前的作業(yè)模式的前提下，讓現(xiàn)場操作者借助控制臺綜合操控水泵裝置及閥門的啟動和停止。

4.2 系統(tǒng)故障保護設(shè)計

井下水泵房排水監(jiān)控結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性標(biāo)準很嚴格。該結(jié)構(gòu)體系預(yù)設(shè)了以下4類保護機制。1）液體流量保障機制：水泵平穩(wěn)運行后，假如液體流量沒有符合預(yù)期的設(shè)定值，借助警報信號來提醒相關(guān)操作者檢測水泵和管道閥門等裝置的運行狀態(tài)是否正常，延時一定的時間，關(guān)閉設(shè)備確保整體裝置的安全[2]。2）驅(qū)動電動機斷電保護機制：借助PLC和顯示屏監(jiān)控水泵驅(qū)動電機過載、漏電、電壓不穩(wěn)等故障，并及時進行調(diào)控。3）真空狀態(tài)故障保護機制：水泵抽真空時間超過預(yù)定值或水泵正壓小于預(yù)定值，自動停止水泵運行。4）水位過低：當(dāng)水倉液體水位低于標(biāo)準時，水泵停止運行。

4.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

4.3.1 顯示功能

實時動態(tài)顯示井下水泵房所有水泵運行的各類工況，直觀了解水泵運行狀態(tài)。

4.3.2 操控功能

排水操控裝置能依據(jù)水倉內(nèi)液體的容量、水泵運行情況及用電成本等條件的不同，操控水泵啟動、停止及水泵的輪換。

首先，依據(jù)水位狀況，操控水泵的啟動和停止。其次，水泵輪流啟動：為了杜絕備用水泵、備用管道等設(shè)備長時間閑置而產(chǎn)生的相應(yīng)故障，整個系統(tǒng)會對水泵的啟動和停止次數(shù)、工作時間及管道的工作次數(shù)、液體流量等數(shù)據(jù)進行詳細記錄并且疊加，整體系統(tǒng)會依據(jù)上述參數(shù)的特定規(guī)律啟停特定的水泵裝置，讓所有水泵和管道的工作頻率處于均衡狀態(tài)[3]。最后，根據(jù)用電成本自動化啟動停止：依據(jù)水倉水量的多少、礦井內(nèi)部用電負荷的實際情況及供電企業(yè)所設(shè)定的谷值、峰值用電電價等因素，合理啟停水泵。

4.3.3 音視頻監(jiān)控及聯(lián)動功能

系統(tǒng)在水泵監(jiān)控系統(tǒng)中加入視頻監(jiān)控和聲音拾取功能，改變當(dāng)前各廠家在建設(shè)水泵監(jiān)控系統(tǒng)時，只有圖像沒有聲音的情況，同時利用自由音圖像監(jiān)控方式，達到圖像的聯(lián)動效果，為泵房實時監(jiān)控突破監(jiān)聽的障礙，達到無人值班的狀態(tài)。

云平臺攝像儀可以與礦井排水自動化系統(tǒng)實現(xiàn)音視頻聯(lián)動，當(dāng)某臺水泵啟動時，系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)云臺攝像儀監(jiān)視設(shè)備轉(zhuǎn)動部位，并能監(jiān)聽設(shè)備的運轉(zhuǎn)聲音?，F(xiàn)場圖像和聲音通過以太網(wǎng)信號傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控中心，視頻能融入礦井現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。

4.3.4 報文調(diào)取功能

檢查所需的數(shù)據(jù)比如電流、溫度等各種參數(shù)，可以生成報表的形式，可被相關(guān)操作者調(diào)取使用。

4.3.5 過往參數(shù)曲線調(diào)用功能

可以調(diào)用全部的過往參數(shù)曲線，為相應(yīng)的設(shè)備問題原因的查找提供有效參考。

4.3.6 遠距離設(shè)置功能

操作者依據(jù)系統(tǒng)工作的具體狀況，設(shè)置全部裝置的相關(guān)參數(shù)，為系統(tǒng)報警提供依據(jù)。

4.3.7 系統(tǒng)警報、問題點判定功能

便捷、穩(wěn)定的報警裝置能夠報告系統(tǒng)狀態(tài)及系統(tǒng)潛在的風(fēng)險，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。報警管控體系具備多類報警管控能力，其中包括無限的報警區(qū)域管控、報警事件等級、錯報篩選功能。該裝置可以精準捕捉問題，實際作業(yè)場所配備的顯示屏將故障信息通過文字顯示和語音播報的方式提醒人員，及時故障排除。

4.3.8 整體結(jié)構(gòu)易擴充和集合

使用分散式構(gòu)造，該結(jié)構(gòu)符合各類應(yīng)用及規(guī)模的要求。

5 結(jié)語

礦井主排水集控系統(tǒng)是保障煤礦排水安全的關(guān)鍵技術(shù)，對自身的可靠性要求較高。該系統(tǒng)采用多主站+分站模式，每臺分站對應(yīng)1臺水泵及附屬設(shè)備，結(jié)構(gòu)明晰、節(jié)約線纜、穩(wěn)定可靠 。各分站通過1根CAN總線串接，任何一臺分站故障，都不影響其他分站工作。控制主站及分站斷電、故障時，操作臺仍能正常開停水泵，充分保證系統(tǒng)安全。系統(tǒng)配置本安操作臺、音視頻攝像機，具有檢修、就地、遠程、單控、集控等各種組合控制方式，能實現(xiàn)對泵房水泵排水系統(tǒng)的遠程＼就地自動啟停、自動輪換、故障智能切換、避峰填谷、自動診斷、音視頻監(jiān)視功能。系統(tǒng)為實現(xiàn)礦井主排水系統(tǒng)的信息采集、存儲自動化、數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)化、調(diào)度決策數(shù)字化提供了技術(shù)與裝備支持，能夠降低操作人員的勞動強度，提高礦井生產(chǎn)效率。

參考文獻

[1]程玉龍.基于用電避峰填谷的小河嘴煤礦主排水監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤礦安全，2019，50（11）：99-102.

[2]謝春華，劉輝.煤礦井下排水監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與分析[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2019（20）：208.

[3]張偉.煤礦井下自動排水遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].礦業(yè)裝備，2019（4）：172-173.