煤礦井下泵房自動排水監控系統設計與改造

郭連敏

【摘 要】本文介紹了棗莊市留莊煤礦井下-320水平中央泵房排水系統在原有設施的基礎上進行的自動化改造，設計了基于PLC的井下排水泵房自動排水監控系統。系統自動檢測礦井水倉水位等參數，根據水倉水位的高低、礦井避峰填谷用電信息等因素，建立數學模型，對水泵的運行進行自動化控制。系統綜合了工業控制技術和現代軟件技術，保證了系統的穩定性和可靠性，并利用以太網通信技術，實現了礦井泵房的全自動監控管理。

【關鍵詞】煤礦排水；組態技術；PLC控制；遠程監控

0.緒論

棗莊市留莊煤業有限公司井田位于級索、濱湖兩鎮境內。礦井于1988年開始組織建井，1993年試生產，1997年11月正式投產達標，礦井設計生產能力30萬噸/年，核定生產能力65萬噸/年。井田地質構造屬中等型。水文地質屬中等類型，主要充水含水層有三灰、五灰、十下灰、十二灰、十四灰、奧灰。礦井-320水平中央泵房排水系統擔負著礦井主要的排水任務，各采區涌水排到-320中央泵房的水倉中，再由中央泵房的排水系統排出礦井。礦井最初設計時，采用傳統的繼電器控制排水系統，主排水泵是四臺多級離心泵型號為200D-43*9，揚程為387m，每臺水泵的額定流量為280m3/h；水泵電機采用電抗器降壓起動，電機型號為YB24004-4TH，電機額定電壓為6kV，額定功率為450KW。排水泵房的起停操作和判斷，完全依賴于工人的操作經驗和已有的操作規程。這種系統存在的主要問題是操作工序復雜，操作水平因人而異，工人的勞動強度大，不適合現代化的要求。另外，人工操作也存在著較大的安全隱患，容易損壞部件，不利于降低煤礦企業的運行成本。

本課題針對留莊煤礦現有排水系統存在的問題和不足，對替代人工監控的水位監測系統做了研究，應用先進的可編程控制器（PLC）控制系統來取代老式的繼電器控制的排水系統，并用現代化的通訊技術實現了排水系統的遠程測控。

1.煤礦井下排水自動控制系統的設計

1.1自動化系統的硬件設計

本系統的硬件由井下和地面兩部分組成。井下硬件設備主要包括礦用隔爆兼本安型可編程控制箱、本安控制顯示臺、礦用隔爆型以太網交換機、電動閘閥、真空管路電動球閥以及各種檢測傳感器。地面硬件設備主要包括數據服務器、工業控制計算機、地面以太網交換機、監控電視墻等設備。井下和地面通過光纜進行通信，實現數據交換及更新。圖1.1為系統結構示意圖。

1.1.1井下設備：

（1）本安控制顯示臺：即井下操作臺，操作臺主要用于系統工作方式的選擇和井下就地控制水泵的啟停。操作臺可以選擇的操作方式有：①井下自動方式，PLC通過對輸入參數的判斷，自動控制水泵的啟停；②井下手動方式，本系統保留了原有的操作方式，通過操作臺上的按鈕，按照原有開停水泵操作順序依次操作啟動各設備；③遠程控制方式，允許地面集控室通過計算機對水泵進行控制。

（2）礦用隔爆兼本安型可編程控制箱：中央泵房設置礦用PLC控制箱一臺，PLC通過判斷各輸入模塊采集的各監測傳感器的信號，按照程序要求自動控制水泵的工作，并通過通訊接口與地面集控室各計算機進行數據交換，根據地面計算機和操作臺的命令控制水泵的啟停。

（3）礦用隔爆型以太網交換機：內有數據光端機和視頻光端機，將井下PLC數據與井下攝像頭視頻轉換為光信號，通過光纜與地面集控室各設備進行通訊。

（4）主要監測傳感器：①負壓傳感器：選用礦用本安型壓力傳感器監測水泵吸水管內的真空度，每臺水泵安裝一臺。②正壓傳感器：選用礦用本安型壓力傳感器監測水泵出水口水壓，每臺水泵安裝一臺。③水位傳感器：水位傳感器用于監測水泵吸水井內的水位高低，內環水倉與外環水倉各安裝一臺。水倉水位的測量是排水控制系統的關鍵環節。系統采用了2 套水位檢測裝置來監測水倉中的水位，一套為 2 組浮球開關，分別用于檢測內外環水倉幾個水位點，包括超低限水位，低水位、高水位、超高限水位。另外一套是超聲波水位傳感器檢測，用于探測水位細微變化，能夠用來判斷水位上升或者下降的趨勢。它屬于非接觸式傳感器，性能不受被檢測介質的影響，精度較高。④流量傳感器：采用超聲波流量計監測排水管路的流量，每條排水管路安裝一臺。

1.1.2地面設備

在地面設置集控室用于各設備的安裝及操作，主要設備有：地面交換機、數據服務器、視頻服務器、電視墻等設備。

1.2系統工作原理

該系統選用了PLC作為中心控制器，完成模擬量輸入、數字量輸入輸出、與上位機通信等功能。其中，需要處理的模擬量輸入信號包括水倉水位高度，水泵出水口壓力，真空度，水泵軸溫，排水管流量，電機運行電流等。數字量輸出控制信號包括各離心泵電動球閥的開關信號，各水泵電機的開關信號，排水管電動閘閥的開關信號等。數據監測模塊檢測各傳感器狀態，并將檢測數據通過通訊模塊傳送至監控計算機，PLC控制水泵自動排水工作流程如圖2.2所示。PLC控制器還對電機電流、水泵軸溫、電機溫度、排水管流量等變量進行檢測，如果變量值超過設定范圍，則進行超限報警。

PLC控制器通過以太網接口連接上位監控主機。主排水系統運行的模擬圖可動態地顯示在監控主機上，同時顯示出4臺水泵的運行參數。系統自動記錄井下主排水系統設備的所有檢測數據及工作狀態，運行和故障數據，并可顯示排水系統的故障點，便于操作人員查找問題。

本系統中設計有兩條排水管路，用四臺離心式排水泵進行排水，并且每一臺排水泵都通過電動閘閥分別和兩個排水管路相連接，這樣，當其中一個管路出現故障或需要維修時，可以繼續通過另外一個管路排水，排水工作不會中斷。

系統的控制方式以PLC集中程序控制為主，控制器根據水倉的水位的高低，以及涌水量的大小，通過操作電動閥，實現開啟或關閉排水泵。水泵自動控制系統包括自動、手動兩種方式。自動控制方式工作時，系統根據程序設定條件和各設備之間的聯鎖關系，對排水系統的各種參數進行實時監控，并依據控制邏輯設定，完成對水泵及其它關聯設備的開?？刂?。當出現涌水量異常增大的情況時，系統發出報警，并緊急啟動水泵。當 PLC控制器發生故障，或者設備檢修后需要單機試車的情況，可選擇手動控制模式，進行系統測試。操作員可以根據各設備的聯鎖關系，依照操作規程按順序控制水泵及其關聯設備的開?？刂?。