李 冰

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 壽陽 045400）

引言

在煤礦開采過程中經(jīng)常會有大量的地下水涌出，若地下水位超過一定的安全閾值，不僅會使井下工作面出現(xiàn)嚴重的積水現(xiàn)象，也極容易使煤礦開采設(shè)備出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，這將給井下作業(yè)安全及煤礦開采效率造成嚴重影響[1]。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)每年約有15%的礦井都會出現(xiàn)一定程度的漏水現(xiàn)象[2]。目前，國內(nèi)煤礦普遍采用的井下排水控制系統(tǒng)存在控制精度較低、系統(tǒng)響應(yīng)較慢、智能化控制水平較弱等問題，無法滿足當前智能化井下排水遠程控制的使用需求[3]。因此，將更加先進的控制技術(shù)應(yīng)用到井下排水控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)井下排水控制系統(tǒng)的升級優(yōu)化，是有效保障井下作業(yè)安全的重要方向。

1 目前井下排水控制系統(tǒng)存在的問題

通過對煤礦領(lǐng)域井下排水系統(tǒng)的綜合調(diào)研，結(jié)合新元煤礦主井中現(xiàn)有的排水控制系統(tǒng)特點，分析當前井下排水控制系統(tǒng)在使用過程中存在的諸多問題[3-4]，主要包括如下幾點：

1）僅實現(xiàn)了對水泵的現(xiàn)場控制，未有效將水泵作業(yè)狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)通過通訊方式傳輸至相應(yīng)的監(jiān)控平臺上，整體自動化、智能化程度相對較低；

2）各類檢測傳感器精度相對較低，且為幾年前的產(chǎn)品，存在響應(yīng)速度較慢、異常故障明顯、數(shù)據(jù)信息不準確等問題；

3）數(shù)據(jù)通訊接口是傳統(tǒng)的RS232，與RS485通訊接口相比，存在信息傳輸速度慢、信息傳輸量少等問題；

4）整個控制過程需手動操作控制，未實現(xiàn)對井下排水設(shè)備的自動化遠程控制，也無法實現(xiàn)對排水過程及狀態(tài)的實時監(jiān)控和控制；

5）由于未實現(xiàn)智能化控制，導(dǎo)致排水過程的電量消耗相對較高。

為此，設(shè)計一套智能化井下排水控制系統(tǒng)，以提高井下排水效率及作業(yè)安全，降低企業(yè)的費用支出。

2 智能化井下排水控制系統(tǒng)總體框架的設(shè)計

以新元煤礦主井控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進行升級優(yōu)化設(shè)計。如圖1所示，整套控制系統(tǒng)包括執(zhí)行層、運算層、監(jiān)控層等。其中：執(zhí)行層中檢測單元部分有液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、流量傳感器、電壓傳感器等，可實現(xiàn)對井下排水過程的相關(guān)參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集[5]；執(zhí)行單元主要由水泵電機、出水閥、真空閥、射流閥等組成，在接收來自PLC的執(zhí)行命令后，執(zhí)行相應(yīng)的動作，實現(xiàn)對井下排水過程的相關(guān)控制操作；運算層包括PLC控制器、水泵調(diào)度和控制單元等，結(jié)合采集的相關(guān)信號，可完成排水過程的自動運行、模式切換、水泵自動輪換、水泵啟停等操作，對相關(guān)數(shù)據(jù)分析判斷處理后將其傳輸至監(jiān)控平臺實時顯示，其中，PLC控制器為西門子S7-300，內(nèi)部控制程序的編程設(shè)計軟件為STEP7，調(diào)度控制系統(tǒng)的控制器為KXJ600型礦用防爆型控制器，可有效保證整套系統(tǒng)的高效計算；監(jiān)控層主要包括上機位PC主機、液晶顯示器、服務(wù)器等，對整套控制系統(tǒng)進行狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)分析及執(zhí)行命令操作等。整套系統(tǒng)基于以太網(wǎng)和RS485進行數(shù)據(jù)信號的傳遞，可實現(xiàn)整個排水過程的自動化遠程操作。

圖1 排水控制系統(tǒng)總體框架圖

3 排水控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分的設(shè)計

3.1 硬件部分的設(shè)計

硬件模塊是整個排水控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，如圖2所示，包括檢測單元、水泵控制單元、PLC控制器、通訊線路等。硬件模塊中的PLC為西門子S7-300型控制器，可有效保證整套系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行，并提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的計算速度。檢測單元包括GUCS10型液位傳感器、PT-100溫度傳感器、GYD10壓力傳感器、JSZW3-10電壓互感器等檢測元件，具有采集精度高、性能穩(wěn)定可靠、抗爆性較高等特點，能實現(xiàn)對井下關(guān)鍵參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集，通過RS485通訊接口和以太網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳輸至PLC進行分析判斷處理[6]，PLC經(jīng)過分析處理后，將相關(guān)信息通過交換機傳輸至地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心根據(jù)實際情況發(fā)出相應(yīng)的控制命令，PLC則經(jīng)過分析轉(zhuǎn)換后發(fā)出電機啟停、報警、復(fù)位、控制方式等相關(guān)執(zhí)行控制命令，以實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的操作控制。

圖2 控制系統(tǒng)硬件模塊框架圖

3.2 監(jiān)控模塊的設(shè)計

監(jiān)控模塊是整個系統(tǒng)的重要組成部分，對井下排水過程及設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。如圖3所示，此監(jiān)控模塊的開發(fā)設(shè)計軟件為iFix組態(tài)軟件，其功能主要包括系統(tǒng)管理模塊、實時監(jiān)控模塊、報表模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊等。其中，實時監(jiān)控模塊主要對水泵的運行狀態(tài)、排水中相關(guān)參數(shù)等進行遠程監(jiān)控，通過PLC進行數(shù)據(jù)的分析處理和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)信號傳輸后，將監(jiān)控數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)控中心，供操控人員通過監(jiān)控界面對井下排水狀態(tài)進行實時遠程監(jiān)測和操作控制，同時生成年/月/日的報表，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行存儲，以便后期對數(shù)據(jù)進行查詢。

圖3 監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)框架圖

3.3 水泵控制模塊的設(shè)計

水泵是實現(xiàn)井下水的快速排放并將其控制在安全范圍內(nèi)的重要設(shè)備。因此，對水泵的運行進行控制模塊設(shè)計。在此控制模塊中，分為參數(shù)顯示、控制模式的顯示及啟停控制等部分。其中：參數(shù)顯示部分主要對水泵運行過程中的電流、電壓、流量、出水口壓力等參數(shù)進行檢測及界面顯示，當某一個參數(shù)超過相應(yīng)閾值時，該控制模塊則會發(fā)出相應(yīng)的報警提示和異常情況顯示，以供相關(guān)人員根據(jù)報警提示對水泵進行有針對性的檢查和維修；控制模式部分則主要對水泵進行手動或自動控制，并通過界面進行控制模式顯示；啟?？刂撇糠謱κ謩涌刂颇Ｊ较滤玫拿恳徊讲僮鬟M度以綠燈方式進行狀態(tài)顯示。

3.4 傳感器屏蔽模塊的設(shè)計

由于井下環(huán)境復(fù)雜，會經(jīng)常出現(xiàn)某一個指標雖超過相應(yīng)閾值但不會影響控制系統(tǒng)的整體性能，此時，可對相關(guān)傳感器進行屏蔽操作，而傳感器閾值的設(shè)置一般是二級閾值設(shè)置。在進行傳感器屏蔽功能設(shè)計時，主要是對傳感器的檢測參數(shù)進行一級閾值屏蔽，包括電壓、電流、電機軸承溫度、排水量、井下水位等參數(shù)，需人員進行判斷后手動屏蔽，但此時系統(tǒng)仍會發(fā)出一級聲光報警提示。此功能不僅可實現(xiàn)整套系統(tǒng)的預(yù)警提示，也可保證排水過程不間斷操作，提高排水效果。

4 系統(tǒng)測試的評價

為進一步驗證所設(shè)計的井下排水控制系統(tǒng)的綜合性能，在新元煤礦主井進行了現(xiàn)場應(yīng)用驗證，測試周期為6個月。經(jīng)過對該系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用測試，表明該排水控制系統(tǒng)運行良好，各項數(shù)據(jù)檢測功能、數(shù)據(jù)顯示及分析功能等均正常，能清晰、高精度地實時顯示井下排水過程的相關(guān)參數(shù)，當井下水位超過閾值或水泵出現(xiàn)異?，F(xiàn)象時，該系統(tǒng)也能夠及時發(fā)出相應(yīng)的聲光報警提示，并執(zhí)行相應(yīng)的控制操作命令，并通過顯示界面顯示所有異?，F(xiàn)象類型及發(fā)生位置，有關(guān)人員只需通過顯示界面提示，有針對性地對井下異常情況進行檢查、維修等操作，正常排水過程無需人工干預(yù)和操作。由此實現(xiàn)了整個排水過程的自動化遠程控制，大大提高了井下作業(yè)的安全性，降低了人員的作業(yè)危險程度。顯然，該系統(tǒng)具有重要的實踐應(yīng)用價值。