淺談煤礦井下水泵運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

劉 剛

（大同煤礦集團 煤峪口礦，山西 大同037041）

1 概述

煤礦的安全生產(chǎn)，與現(xiàn)場使用的機械電氣設備有著密不可分的關系，特別是井工開采中的通風機、水泵、提升機以及壓風機。這些設備的安全穩(wěn)定運行關系到煤礦的安全生產(chǎn)。但由于管理的缺陷及監(jiān)控技術手段的落后，因機械設備故障造成的事故時有發(fā)生〔1〕。

在進行煤炭開采作業(yè)時，由于受到季節(jié)和氣候的影響，經(jīng)常會有大量水涌入井下。如果礦井水文地質(zhì)條件復雜，突水頻繁發(fā)生，會對煤礦采掘和安全造成嚴重的危害〔2〕，如2010年3月發(fā)生在山西王家?guī)X煤礦的透水事故，導致38人遇難，直接經(jīng)濟損失高達一億元人民幣；2015年4月發(fā)生在山西姜家灣煤礦的透水事故，導致21人遇難。

因此，必須及時將礦井積水排至井上。井下主排水系統(tǒng)就是把流入井下巷道中的水排至地面的主要設備，該系統(tǒng)主要由工作水泵、備用水泵以及檢修水泵等組成，每臺設備的電機功率從數(shù)千瓦到數(shù)百千瓦不等。在我國，煤礦排水用電總量大約為煤炭生產(chǎn)總耗電量的20%左右。如果根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)情況準確監(jiān)測水泵運行狀態(tài)，自動調(diào)度水泵合理工作，既能提高煤礦的安全生產(chǎn)程度又能節(jié)約電能。所以，研究完善煤礦水泵狀態(tài)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，提升排水系統(tǒng)的自動化程度是非常必要的。

2 舊系統(tǒng)存在的問題

井下排水泵在煤礦安全生產(chǎn)中具有非常重要的作用，能夠及時排出巷道積水。煤礦舊式排水系統(tǒng)采用的是人工控制水泵的啟停，工人按照操作規(guī)程，在水位達到預設位置時手動排水。這種方式，操作復雜，過度依賴工人的技術水平和工作經(jīng)驗，可靠性低，很容易出現(xiàn)誤操作而造成事故，影響煤炭的高效安全生產(chǎn)〔3〕。其缺點主要表現(xiàn)為以下幾點。

（1）工作效率低。排水泵的啟停工作通過工人手動完成，水泵的調(diào)度是根據(jù)工人個人對涌水量和涌水流速的經(jīng)驗進行判斷和操作，不能精確把握相關數(shù)據(jù)，無法實現(xiàn)及時的控制，工作效率低；當出現(xiàn)突發(fā)情況時，很難及時合理地對主水泵、備用水泵和檢修水泵進行組合運行，因此對電能造成了嚴重的浪費。

（2）控制精度差。煤礦中多數(shù)人工控制排水系統(tǒng)檢測水位時采用浮球、舌簧管式以及電極式水位控制器。這三種控制器原理簡單、應用廣泛，但是精度較低。不能監(jiān)測涌水速率，僅僅依靠水倉中水位來控制水泵啟停，局限性較大。

（3）設備損耗大。機組完全采用人工操作，設備非正常運轉時（抽空、過熱等）不能采取有效措施防止故障進一步擴大，出現(xiàn)問題多進行事后處理，造成設備運行損耗增大，運行效率低，壽命短。

3 煤礦水泵監(jiān)控系統(tǒng)設計

根據(jù)前文的介紹以及煤礦對于排水系統(tǒng)的要求，利用現(xiàn)代化的硬件設備和軟件系統(tǒng)設計新的煤礦井下水泵監(jiān)測與控制系統(tǒng)。新系統(tǒng)應該能夠準確監(jiān)測水泵運行數(shù)據(jù)，靈活調(diào)整水泵運行方式。其數(shù)據(jù)采集可以利用各類傳感器；程序運行和控制可以利用PLC及上位機軟件；實時通訊可以通過工業(yè)通信網(wǎng)絡實現(xiàn)。

3.1 功能介紹

系統(tǒng)能夠實現(xiàn)的主要功能有：

（1）運行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測。為了確保對水泵運行時的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行準確監(jiān)測，因此傳感器應當能夠測量水泵軸溫、電機軸溫、壓力、電壓、電流、功率等參數(shù)。除了必要參數(shù)的監(jiān)測外，還應該能夠實時觀測水倉水位情況等。

（2）多種控制方式。系統(tǒng)應該具備多種控制方式以適應不同的現(xiàn)場條件。控制方式可以有井下現(xiàn)場的直接操作控制、監(jiān)控室的遠程控制、全自動控制。其中全自動控制是利用傳感器和PLC系統(tǒng)完成，通過PLC內(nèi)部的程序做到最優(yōu)化配合，節(jié)省費用。

（3）保護與報警。系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)故障或者錯誤時，能夠通過PLC內(nèi)部的程序啟動保護措施。同時，發(fā)出報警，并在上位機中有所顯示。

（4）數(shù)據(jù)記錄。對采集到的數(shù)據(jù)進行記錄，對水倉水位數(shù)據(jù)進行記錄并繪制水位曲線表，最終形成相關數(shù)據(jù)報表并保存。

3.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由測量機構、數(shù)據(jù)處理機構、通信機構和執(zhí)行機構組成，其結構框圖見圖1。

（1）測量機構。主要由系統(tǒng)相關的電氣監(jiān)測、溫度傳感器、壓力傳感器、振動傳感器以及流量計等組成，根據(jù)測得的參數(shù)能夠計算水泵的功率和效率等性能參數(shù)。

電氣監(jiān)測部分選擇能夠實現(xiàn)線路保護的WGB－152N型裝置；壓力傳感器選擇GYD10和GYD100分別測量10MPa和100kPa范圍的壓力值；振動傳感器可以選擇HZYT898；流量計選擇LCZ－803。

（2）處理機構。主要由采集卡、PLC以及上位工控機組成。

采集卡選擇PCI－9812A和8554；PLC選擇S7－300系列PLC并通過STEP7進行編程；上位機選擇IPC－300H型計算機，而且上位工控機要設置為“一主一備”，確保系統(tǒng)正常工作，避免一臺計算機故障而導致系統(tǒng)停止或者數(shù)據(jù)丟失。

（3）執(zhí)行機構。執(zhí)行機構主要由PLC控制柜、就地控制箱以及各類閘閥等組行。

通過PLC控制柜、就地控制箱可以根據(jù)現(xiàn)場情況選擇操作方式，再通過閘閥、球閥和配水閥等實現(xiàn)對水泵的控制。其中閘閥、球閥和配水閥可以選擇ZB250P64、ZB20P64以及PZ800。

（4）通訊機構。以PLC為核心，通過Profibus現(xiàn)場總線技術、MPI技術以及以太網(wǎng)通信技術可以實現(xiàn)強大的監(jiān)控和遠程控制。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖

3.3 軟件結構

系統(tǒng)軟件部分應該包括PLC程序設計、上位機軟件設計、通信系統(tǒng)軟件設計等。其中上位機軟件采用Intouch組態(tài)軟件實現(xiàn)，包括監(jiān)控界面和故障界面〔4〕；通信軟件設計選擇OPC技術〔5〕。這兩種軟件技術都成熟而且廣泛應用，因此不再贅述。下面主要介紹PLC對水泵的控制。

（1）突發(fā)故障處理與報警。通過對水泵運行時的狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)并采取緊急措施處理故障。如高壓柜掉電，通信系統(tǒng)故障，電機溫度過高等。當出現(xiàn)故障以后，系統(tǒng)自動啟動停機程序并開啟備用水泵，同時發(fā)出報警信號。

（2）水泵控制軟件流程（見圖2）。

圖2 水泵控制軟件流程

4 系統(tǒng)抗干擾

煤礦井下排水系統(tǒng)所用的主要設備都是高電壓、大電流的大功率設備，而且工作環(huán)境為井下，線路布置受到很大的局限性，容易受到強烈的電磁干擾，影響系統(tǒng)的可靠性。因此，在水泵狀態(tài)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中，必須減少信號采集和傳輸過程中的干擾，還要降低諧波電流不穩(wěn)定變化、浪涌等負荷不穩(wěn)定變化對電源的影響。所以，系統(tǒng)必須對電磁干擾采取相應的預防措施。

4.1 電磁干擾的危害

PLC控制系統(tǒng)中如果混入了電磁干擾，會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生非常不利的影響，可能造成系統(tǒng)的失靈、水泵無法正常工作等，甚至由此引發(fā)重大的安全事故。電磁干擾對PLC控制系統(tǒng)造成的危害主要有以下幾點：

（1）程序不能正常運行，造成數(shù)據(jù)讀寫錯誤。當PLC系統(tǒng)受到電磁干擾時，其內(nèi)部數(shù)據(jù)的讀寫可能發(fā)生錯誤，導致程序出現(xiàn)問題。

（2）影響PLC與其它設備的通訊。當PLC系統(tǒng)受到電磁干擾時，其與外部設備之間的通訊也會受到影響。導致輸入的數(shù)據(jù)出現(xiàn)混亂，輸出的控制信號也被降低，從而影響到整個系統(tǒng)。

（3）增加了系統(tǒng)的能耗。當PLC系統(tǒng)受到電磁干擾時，諧波增加了電子元件的能耗，降低了各個電機的工作效率。

4.2 電磁干擾的抑制措施

（1）采用接地和屏蔽。合理正確的接地，能夠有效降低諧波帶來的影響；增加屏蔽，可以有效減少電磁輻射帶來的影響。

（2）在變頻器輸入端加入電抗器，能夠改善輸入功率因素，減小甚至避免波形失真。

（3）在電源入口處安裝濾波器。濾波器能夠對電網(wǎng)中的諧波進行檢測，并根據(jù)檢測結果進行補償。

（4）采用數(shù)字濾波法。在PLC系統(tǒng)程序軟件中，采用數(shù)字濾波法，減少硬件設備的使用，確保系統(tǒng)軟件部分的正常運行，提高系統(tǒng)可靠性。

5 結語

1）介紹了井下排水系統(tǒng)的作用和重要意義，指出了舊式系統(tǒng)存在的問題，并提出了基于PLC的自動化控制系統(tǒng)。

2）建立了由測量機構、處理機構以及執(zhí)行機構組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時采集與檢測、自動化多種控制方式的切換、自動保護與報警以及數(shù)據(jù)記錄等。

3）設計繪制了PLC對水泵控制的軟件流程圖。程序根據(jù)對水倉水位的監(jiān)測，自動控制主水泵、備用水泵的啟動與停止，并可以對主水泵運行狀態(tài)進行檢測，根據(jù)檢測結果判斷是否存在故障或者是否需要啟動應急預案。

4）該系統(tǒng)的自動化操作方式對于節(jié)省勞動力、節(jié)省電力資源以及確保煤礦安全生產(chǎn)具有一定的意義。

〔1〕丁 濤，王 芳，任工昌 .旋轉機械故障診斷研究現(xiàn)狀〔J〕.機械設計與制造，2009，（12）：159－160.

〔2〕王 凱，張永祥，李 軍 .水泵故障診斷研究綜述〔J〕.煤礦機械，2006，（10）：185－187.

〔3〕姚桂艷，孫麗媛.機械故障診斷技術的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢〔J〕.河北理工學院學報，2005，（08）：35－37.

〔4〕譚偉城 .離心式水泵振動監(jiān)測與故障診斷〔J〕.機械工程與自動化，2011，（03）：127－128.

〔5〕高宏巖，畢麗君，王 毅 .基于OPC技術的上位機與PLC之間的通信〔J〕.可編程控制器與工廠自動化，2006，（05）：79－80.