鄭本濤

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左權(quán)鑫順煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032699）

我國大部分煤礦都采用井工開采，在開采過程中會(huì)有大量的地下水涌出。 為了確保礦井的安全生產(chǎn)，需要在井下建設(shè)主排水泵房 （或中央泵房），及時(shí)將涌水排出[1]。礦井排水系統(tǒng)在煤礦安全生產(chǎn)方面發(fā)揮著重要作用[2]。左權(quán)鑫順煤業(yè)有限公司開采的礦井中的4#煤層和15#煤層均設(shè)置了主排水泵房，每座泵房有三臺(tái)水泵和兩趟排水管路。其中水泵型號(hào)為BQS300-300/4-315/N，額定電壓和功率分別為10 kV和315 kW，出口閥的規(guī)格和壓力分別為DN150 和6.4 MPa。 所有水泵都通過電磁啟動(dòng)器進(jìn)行啟動(dòng)，兩個(gè)泵房的排水高度均為400 m。為了保障礦井排水泵房運(yùn)行過程的可靠性和穩(wěn)定性，現(xiàn)需要對排水泵房的排水系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)整體方案

結(jié)合礦井實(shí)際情況，以4#煤層為例，設(shè)計(jì)的礦井排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)整體方案框圖如圖1 所示。 系統(tǒng)分為兩大部分，分別是地面監(jiān)控主機(jī)部分和位于井下狀態(tài)監(jiān)測部分，地面和井下基于CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的交互。 地面部分設(shè)置有監(jiān)控主機(jī)和監(jiān)控備機(jī)，主要作用是對井下排水泵房的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、分析。 井下部分設(shè)置有各種傳感器，可以對泵房排水系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

圖1 礦井排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)整體方案

1）井下排水控制系統(tǒng)。 以PLC控制器為核心，配備有KSBC可編程控制箱、 高壓啟動(dòng)柜保護(hù)裝置、觸摸屏、傳感器和電動(dòng)（磁）閘閥等。 其作用包含兩方面，其一是利用傳感器對煤層排水泵房內(nèi)的主要機(jī)電裝備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采集，為自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。 其二是接受地面監(jiān)控主機(jī)下達(dá)的控制指令，并利用電動(dòng)（磁）閘閥執(zhí)行指令,實(shí)現(xiàn)對井下排水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

2）地面監(jiān)控上位機(jī)。 地面監(jiān)控主機(jī)房設(shè)置有兩臺(tái)監(jiān)控主機(jī)，分別作為主用和備用，配備有環(huán)網(wǎng)接入設(shè)備和監(jiān)視屏幕。 在CAN總線以及環(huán)網(wǎng)接入設(shè)備的作用下，監(jiān)控主機(jī)可以實(shí)現(xiàn)與井下排水控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互。 監(jiān)控主機(jī)需要對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，以便后續(xù)調(diào)取查詢。 同時(shí)需要基于上位機(jī)軟件程序?qū)?shù)據(jù)以圖形化的形式在監(jiān)控屏幕上進(jìn)行顯示，以便工作人員能實(shí)時(shí)掌握井下排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，可以顯示的數(shù)據(jù)信息包括電機(jī)運(yùn)行電力參數(shù)、出水口壓力、水位高低等。 根據(jù)實(shí)際需要可以在地面監(jiān)控主機(jī)中下達(dá)指令，對井下排水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，比如可以實(shí)現(xiàn)閥門動(dòng)作的控制、電機(jī)開啟與停機(jī)控制等。

2 主要硬件技術(shù)參數(shù)

2.1 主要硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)行，降低礦井工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度并提升礦井的安全性，避免發(fā)生人員傷亡事故。 以上功能的實(shí)現(xiàn)需要硬件設(shè)施作為支撐，圖2 為排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要硬件框圖。系統(tǒng)中使用的處理器為PLC控制器，具體型號(hào)為西門子公司研制的S7-1200 型PLC控制器，其在工業(yè)領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用效果。 該控制器除能滿足排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)前階段的使用要求以外，還具有良好的擴(kuò)展性能，方便系統(tǒng)后續(xù)的升級(jí)改造和功能拓展，節(jié)約系統(tǒng)的升級(jí)改造成本。

圖2 排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要硬件框圖

使用的S7-1200 型PLC控制器基于模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，除最基本的模塊以外外部還拓展了4 塊SM321 數(shù)字量輸入模塊、兩塊SM322 數(shù)字量輸出模塊和兩塊SM331 模擬量輸入模塊。 其中每塊數(shù)字量輸入/ 輸出模塊可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)16 路數(shù)字量信號(hào)的采集，主要作用是對電動(dòng)（磁）閘閥的開關(guān)狀態(tài)以及電機(jī)的啟停狀態(tài)進(jìn)行采集或控制；每塊模擬量輸入模塊可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)8 路模擬量信號(hào)的采集，主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)電量參數(shù)、出水口壓力、溫度等信號(hào)的采集。

2.1 礦用隔爆兼本安型可編程控制箱

每臺(tái)水泵配備了一臺(tái)智能型KXBC可編程控制箱，型號(hào)為KXBC-15/660。該箱可以對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行處理，內(nèi)部使用的是本質(zhì)安全型電源，且采取了非?？煽康母綦x措施，可以確保信號(hào)傳入與傳出的可靠性[3]，具有很好的環(huán)境適應(yīng)性，完全能夠滿足礦井復(fù)雜的工作環(huán)境。 其正常工作時(shí)的電壓和電流分別為AC 660V和15A，可以實(shí)現(xiàn)模擬量和開關(guān)量信號(hào)的采集。

為了確?？刂葡溥\(yùn)行時(shí)的安全，箱體外殼采取隔爆型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本質(zhì)安全型電源以及其他硬件裝置全部安裝在隔爆箱體內(nèi)部。 考慮到控制箱防爆和安全，所有輸入到PLC控制器中的信號(hào)都要通過本安光耦隔離技術(shù)進(jìn)行處理，所有從PLC控制器中輸出的信號(hào)要通過繼電器隔離技術(shù)進(jìn)行處理。

2.2 主要傳感器

（1）流量傳感器。 選用GLC250/500 型超聲波流量儀對流量進(jìn)行檢測，屬于本質(zhì)安全型設(shè)施。 通過流量傳感器可以對排水管道中的水流量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將檢測結(jié)果傳輸?shù)娇刂破髦羞M(jìn)行分析與處理。 如果檢測發(fā)現(xiàn)水管中的流量過低則會(huì)發(fā)出警告。 每趟排水管中都要安裝一個(gè)流量傳感器。

圖3 流量傳感器的基本工作原理

（2）壓力傳感器。 選用GPD40 型壓力傳感器，屬于本質(zhì)安全型設(shè)備，可以對管道內(nèi)部的氣體或者液體壓力進(jìn)行持續(xù)性檢測[4]。 可以通過CAN總線、RS485 等多有方式與外部設(shè)施實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。 利用壓力傳感器可以對水泵內(nèi)部的壓力進(jìn)行檢測，并將結(jié)果傳輸?shù)娇刂破髦羞M(jìn)行處理。 如果分析發(fā)現(xiàn)水泵內(nèi)部壓力過低，則需要立即停止水泵工作。

（3）水位傳感器。 基于GUCS10 型水位傳感器對水倉中的水位進(jìn)行檢測，該傳感器屬于本質(zhì)安全型設(shè)備，如圖4 所示為水位傳感器的基本工作原理示意圖。 傳感器利用支架在水倉的正上方進(jìn)行安裝，要求探頭與液面保持平行。 工作時(shí)傳感器會(huì)向外部發(fā)射超聲波，設(shè)備根據(jù)超聲波發(fā)射與反射的時(shí)間差，結(jié)合超聲波在空氣中的傳播速度，來計(jì)算探頭與液面之間的距離。

圖4 GUCS10 型水位傳感器的工作原理

3 主要檢測與保護(hù)功能

3.1 水倉水位及避峰填谷檢測

本系統(tǒng)中，將水倉中的水位劃分成為3 個(gè)等級(jí)，分別為低水位、高水位和危險(xiǎn)水位。 當(dāng)實(shí)際水位超過危險(xiǎn)水位時(shí)，無條件啟動(dòng)水泵進(jìn)行排水；當(dāng)實(shí)際水位在高水位與危險(xiǎn)水位中間時(shí)，視負(fù)荷情況確定；當(dāng)實(shí)際水位處于低水位時(shí)，停止水泵運(yùn)行。 根據(jù)我國的用電政策，在用電低谷時(shí)段的電價(jià)相對便宜[5]。本系統(tǒng)可以自動(dòng)判斷用電的低谷和高峰時(shí)段，進(jìn)而控制水泵的停止與啟動(dòng)。

3.2 系統(tǒng)功能

礦井排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）共設(shè)置有4 種工作模式，分別為無人值守模式、遠(yuǎn)程控制模式、就地自動(dòng)控制模式和就地檢修模式。 根據(jù)不同場景可以在系統(tǒng)中對工作模式進(jìn)行切換。 正常情況下使用無人值守模式或者遠(yuǎn)程控制模式即可，需要對排水泵房進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)檢修時(shí)，則啟用就地檢修模式。

（2）每臺(tái)水泵可單獨(dú)控制，可以提升整個(gè)排水系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

（3）排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)如果檢測發(fā)現(xiàn)排水系統(tǒng)中的水泵存在故障問題或者安全隱患，比如軸承過熱、壓力下降、泵體過熱等問題時(shí)，會(huì)向外發(fā)出聲音警報(bào)，以提示工作人員及時(shí)進(jìn)行處理，同時(shí)還會(huì)對相關(guān)水泵進(jìn)行停機(jī)處理。

（4）地面監(jiān)控中心設(shè)置有12.1 寸的彩色液晶顯示器，可以對井下排水泵房的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，特別是出現(xiàn)故障問題時(shí)會(huì)彈出故障警告。每個(gè)排水泵房設(shè)置有觸摸屏，可以在該觸摸屏中設(shè)置相關(guān)保護(hù)值。

4 應(yīng)用效果分析

將該系統(tǒng)應(yīng)用到左權(quán)鑫順煤業(yè)有限公司礦井工程實(shí)踐中，并進(jìn)行連續(xù)半年時(shí)間的測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行良好，各項(xiàng)功能均達(dá)到了預(yù)期效果。 具體而言，應(yīng)用效果主要包含以下幾個(gè)方面：①顯著提升了煤礦企業(yè)的自動(dòng)化水平，地面監(jiān)控主機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示井下泵房的運(yùn)行情況。 ②井下排水泵房的運(yùn)行可靠性有了顯著提升，出現(xiàn)人為誤操作的概率降低了70%左右。③自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，可以節(jié)省大量的人力成本。 每個(gè)泵房可以少安排6 人，每人每年的開支按12 萬元計(jì)算，則每年可以為煤礦企業(yè)節(jié)省72 萬元的人力成本。

5 結(jié)語

利用自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可以對井下排水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障問題并向外發(fā)出警告，顯著提升了排水泵房運(yùn)行過程的可靠性。 將設(shè)計(jì)的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到左權(quán)鑫順煤業(yè)有限公司礦井井下排水泵房中，通過實(shí)踐測試取得了理想的效果，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。