張麗娜

（山西安信建設(shè)工程檢測有限公司，山西 晉城 048006）

引言

礦井排水自動化系統(tǒng)是智慧礦山的一個重要研究方向。隨著PLC可編程技術(shù)的不斷成熟，排水設(shè)備更是具有了嵌入式智能控制、工業(yè)接口通信網(wǎng)絡(luò)等先進技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸和集中監(jiān)測，并借助于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和計算機技術(shù)大幅提高了礦井的自動化水平，基本具備了無人值守和遠(yuǎn)程監(jiān)控的能力，由此，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性也有了很大提高[1-3]。

1 現(xiàn)場概況

岳城煤礦中央水泵房位于副斜井底，水泵房內(nèi)現(xiàn)已安裝三臺MD85-67×6型礦用耐磨多級離心泵及兩趟DN159排水管路，配備YB2-3551-2型防爆電動機和八達電氣的QJGZ-200/6供電高壓磁力啟動器，并配套安裝溫度傳感器、出入口壓力表等。由于設(shè)備投運時間較長，啟停泵等各項工作必須現(xiàn)場人員手動依次操作，不但勞動強度大，而且操作煩瑣、容易出錯，給系統(tǒng)運行帶來很大隱患。因此有必要基于當(dāng)前設(shè)備，對主排水系統(tǒng)進行自動化、智能化改造，以提升系統(tǒng)可靠性。

2 解決方案

對礦井主排水系統(tǒng)進行自動化改造，實現(xiàn)排水操作由手動控制轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊刂?，同時可實時采集、存儲生產(chǎn)過程中的重要信息，自動實現(xiàn)事件記錄、信息傳輸、故障報警、報表生成等功能，實現(xiàn)中央泵房的就地自動化排水、遠(yuǎn)程監(jiān)測狀態(tài)、遠(yuǎn)程控制排水，提升系統(tǒng)的安全性與可靠性。

2.1 技術(shù)路線

研究開發(fā)方案的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線示意圖

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架圖

由圖2可知，系統(tǒng)總體劃分為三層結(jié)構(gòu)，具體如下：

1）管理層：即以工控機為主要設(shè)備的地面監(jiān)控中心，通過局域辦公網(wǎng)對工控機進行遠(yuǎn)程控制，并做好各類數(shù)據(jù)參數(shù)及指令的發(fā)送和終端反饋。

2）傳輸層：該層主要通過環(huán)網(wǎng)交換機、光纖等部件構(gòu)建以太環(huán)網(wǎng)，將控制箱部分與各類控制器、傳感器開關(guān)等裝置有效連接，保證各類指令數(shù)據(jù)傳輸可靠。

3）控制層：該層是基于PLC主控制器和各類傳感器、攝像儀、電動球閥和電動閘閥等執(zhí)行機構(gòu)，通過“主站+分站”模式控制的，即通過主站控制各個分站，每臺分站對應(yīng)一臺水泵及附屬設(shè)備，各分站通過一根CAN總線串接，任何一臺分站故障不影響其他分站工作。中央泵房控制設(shè)備主要安裝1個操作臺、1臺PLC控制箱及3臺系統(tǒng)采集分站，被控設(shè)備有3個電動閘閥、6個電動球閥，采集設(shè)備有2臺超聲波流量計、3個液位傳感器、6個溫度傳感器、6個壓力傳感器，輔助設(shè)備有3臺云臺攝像頭，其他設(shè)備材料根據(jù)現(xiàn)場情況配齊。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 中央泵房數(shù)據(jù)采集設(shè)計

中央泵房系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。

圖3 中央泵房系統(tǒng)設(shè)計圖

由圖3可知，中央泵房主要通過流量、液位、正壓等傳感器，將各執(zhí)行器的開關(guān)情況等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號傳輸至PLC控制箱，經(jīng)PLC分析后進行動態(tài)反饋控制，現(xiàn)場數(shù)據(jù)現(xiàn)場存儲于400 MHz的顯示系統(tǒng)FLASH中。此外，在主水倉安裝2臺礦用本質(zhì)安全型液位傳感器，在主排水管道上安裝2臺礦用隔爆兼本質(zhì)安全型數(shù)字超聲波流量計，每臺水泵內(nèi)預(yù)埋溫度采集接口，系統(tǒng)將采集每臺水泵電機的三相定子溫度和軸承溫度等工況信息。

3.2 控制方式設(shè)計

中央水泵房排水監(jiān)控系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程控制、就地控制及自動控制三種操作方式。遠(yuǎn)程控制即通過地面監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程啟停單臺或多臺水泵；就地控制必須在自動和遠(yuǎn)程控制故障的情況下，人為就地啟停水泵，并能觀察水位、壓力等主要參數(shù)；自動控制即根據(jù)水位和井下用電負(fù)荷“移峰填谷”原則，按照水泵工藝流程，自動執(zhí)行單臺或多臺水泵的啟停，并能輪換水泵工作。

3.3 上位機軟件設(shè)計

在地面監(jiān)控中心編輯上位機軟件，能夠自動存儲設(shè)備運行參數(shù)，并將重要的參數(shù)以報表、曲線等形式合理地匯總、保存；在井下現(xiàn)場出現(xiàn)各種異常情況時進行聲光報警，并將報警信息詳細(xì)存儲下來，作為事故分析的依據(jù)；采用組態(tài)軟件進行設(shè)計和實現(xiàn)，組態(tài)軟件擁有圖形化的編程界面，組態(tài)方式靈活，內(nèi)置了強大的基本功能，可提供豐富的庫函數(shù)，無縫集成眾多通用的ActiveX控件，這樣大大減少了系統(tǒng)開發(fā)周期，可為用戶快速構(gòu)建具有通用層次功能的監(jiān)控軟件，同時組態(tài)軟件支持類似C語言編程語言，可以進行深層次的軟件開發(fā)。

3.4 系統(tǒng)界面設(shè)計

結(jié)合上位機控制程序設(shè)計系統(tǒng)界面，操作人員可以看到井下中央泵房排水系統(tǒng)主要設(shè)備的運行狀態(tài)，如排水閥、注水閥、排氣閥和水泵運行狀態(tài)，各個小井液位值、各管路瞬時流量和累計流量狀態(tài)，電機電壓及電流情況顯示，3臺水泵控制方式顯示，水泵房噪聲顯示，攝像頭布置情況，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，485網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)等，同時畫面中小井的水位高度會根據(jù)實際水位動態(tài)變化，管路也會根據(jù)閥門的開閉狀態(tài)顯示礦井水的流動效果，生動形象地反映井下排水作業(yè)情況。

4 現(xiàn)場實施及結(jié)論

本項目于2018年11月—2019年5月在岳城主水倉進行了為期6個月的工業(yè)性試驗。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠自動根據(jù)水量確定水泵開啟臺數(shù)和運行時間，實現(xiàn)對各水泵的在線監(jiān)控和自動控制；出現(xiàn)故障時具有自診斷功能，能夠立即判斷故障類型并同時報警，無法啟動時能夠自動開啟備用水泵并自動啟停，實現(xiàn)泵房的無人值守。

5 經(jīng)濟、社會效益分析

以岳城中央泵房為例，原先排水工有3人，每人每月工資以4 000元為例，一年人工成本14.4萬元。經(jīng)自動化改造后，可以至少減員2人，人力成本減少9.6萬元。同時結(jié)合水位情況和峰谷電價的不同，自動選擇時間段進行排水，每月可節(jié)約電費48.5萬元。系統(tǒng)投入運行后可以在無人值守的情況下可靠工作，只需每班派巡檢工查看現(xiàn)場情況，同時可以避免電機空轉(zhuǎn)導(dǎo)致的機電事故，保障礦井的安全、高效運行。