礦井排水自動化監控系統設計分析

摘 要：在礦山生產過程中，礦井排水系統發揮了十分重要的作用。利用礦井排水系統可將井下涌水排除，從而為礦下作業創造一個安全、穩定的環境。目前，很多礦井水泵房主要還是采取水位報警與人工操作相結合的傳統排水模式，水位檢測精度偏低，操作隨意性較大，無法對礦井涌水量進行實時監控及科學調度?；诖耍恼聦ΦV井排水自動化監控系統進行了綜合性闡述，并提出了相關設計方案，以供參考。

關鍵詞：礦井排水；自動化監控；系統設計

1 礦山井下涌水現象概述

礦井涌水是礦井作業過程中常見的現象之一，主要是由于礦井巷道采空區漏水所致，水源則包括地表水、大氣水分及采空區水等。采礦時，采掘空間可能會造成圍巖應力場發生改變，導致地下含水系統與圍巖的平衡狀態受到破壞，產生過水通道，導致股狀水流突破圍巖，涌入礦井當中[1]。這種突發性涌水現象，水壓較高且水量較大，維持時間較長，會給礦井帶來嚴重危害。若涌水現象較為嚴重，將會導致表土層、中砂層水疏干而引發地表不規律下沉，甚至造成地表塌陷，對附近建筑、道路、農田等均可能產生破壞，造成人員傷亡。因此，在礦井作業時，必須做好相應的排水工作，并構建出一個完整的礦井排水系統，以保證礦井開挖的安全性，為企業經濟效益提供保障。

2 系統需求目標分析

從國內大部分礦井水泵房情況來看，水位檢測控制主要還是依靠傳統方法，利用超限報警裝置配合人工操作進行排水。這種傳統方法應急性較差且自動化程度較低，需要人工現場操作，存在較多潛在性安全風險。隨著礦井開采規模的不斷加大，這種傳統方法已經無法滿足實際應用需求[2]。而自動化排水管理系統的出現讓上述情況得到了很大的改觀，在提升礦井作業安全性的同時，也提升了礦井生產效率，降低了排水能耗，并起到了節約成本的作用。

從系統需求方面來看，礦井排水自動化監控系統可對各臺設備運行狀態信息進行整合性管理、分析，主要包括液位信息及溫度信息。通過中央控制系統可對水泵房運行狀態進行分析，并實現自動控制。系統可對水流、數量等數據進行采集、分析，以對水泵開機、停機進行調控。若水倉水量超過闕值時，系統便會調動水泵進行排水作業，實現無人自動化排水。另外，系統除了具備排水控制功能外，還具備了一定輔助功能。例如，系統具備了基礎數據管理功能，可用于數據采集點、邏輯模型及控制數據維護，進一步降低了系統故障率；系統具備了人員管理功能，可將相關人員信息輸入于系統當中，對人員進行合理分配，并且系統會將用戶權限賦予相關人員，保證系統操作的安全性。

3 系統設計分析

3.1 系統整體架構

系統整體架構主要包括四個部分：（1）地面控制中心。地面控制中心是整個自動化監控系統的樞紐，其中包括操作系統軟件、組態軟件及數據庫等部分。（2）水泵房監控裝置。水泵房監控動態主要由電控箱、模擬量檢測模塊、開關量檢測模塊及操作臺構成。模擬量檢測模塊中又含有模擬量傳感器、數字量傳感元件、電纜及相關附件。（3）遠程控制網絡。遠程控制網絡由以太環網所構建。水泵房監控平臺利用遠程控制網絡與地面監控中心相連接，并可實時通訊，以實現遠程操控。（4）執行機構。執行機構主要包括閥門控制箱與高壓啟動器，其控制對象主要包括高壓電機與電動閥門。

3.2 子模塊設計分析

礦井排水自動化監控系統主要包括以下模塊：

（1）模擬量檢測模塊。模擬量檢測模塊當中含有各類模擬量傳感器，具體包括功率變送器、電流傳感變送器、溫度傳感變送器、流量傳感變送器及水位傳感變送器。利用這些傳感器可對主排水系統的各種模擬量參數進行檢測，以獲取水位、主排水管路流量、水泵運行電流、水泵溫度、電機溫度計及電能損耗等信息[3]。模塊獲取這些信息后將其傳遞至系統進行數據分析，以判斷模塊是否正常工作。若發現數據達到預設值范圍或達到臨界闕值，便會由系統對相關設備進行調控，以保持正常排水狀態。

（2）開關量檢測模塊。開關量檢測模塊主要檢測對象為排水泵高壓柜中的相關設備開關，包括真空斷路器、真空接觸器、電動閥等設備的開關，還可對真空泵工作狀態進行檢測。所得到的數據也會反饋至分析模塊進行判斷。利用開關量檢測模塊可判斷開關是否正常工作，若發現數據或信號異常，系統會采取保護措施，重啟開關或將開關信號接入PLC。

（3）液位信息模塊。液位信息模塊主要是對水倉液位、排水管流量等信息進行采集、分析，并可將相關數據整合為曲線，以便于用戶觀察實際排水狀況[4]?？紤]到礦井排水現場環境較為特殊，水體渾濁度較高，如果只是使用一般的接觸式傳感器，礦井水體易造成探頭損壞。因此，應選用超聲波液位傳感器對液位信息數據進行采集。該類型傳感器不僅測量精度較高，而且安裝便捷、輸出信號較為穩定，在井下環境中具有良好的適用性。

（4）溫度采集模塊。通過溫度信息可將水泵的工作狀態反映出來，以判斷水泵是否處于良性狀態。溫度采集模塊主要負責水泵溫度信息采集，并可進行實時監控，具備了預警功能。此模塊先會采集溫度信息數據，并將其傳遞至系統進行分析，若發現溫度值超過正常范圍，則會由系統發出警報，并將異常溫度信息反饋至用戶，以便于及時調整水泵工作狀態，保證水泵正常運行[5]。溫度采集模塊當中，溫度傳感器選用鉑電阻，其電阻值能跟隨溫度變化而發生改變，性能較為穩定，靈敏性好，且具備較高的精度。

（5）數據分析模塊。數據分析模塊在整個礦井排水自動化監控系統起到了中樞作用，可對各類采集數據進行分析，以此來判斷水泵具體運行狀態。若發現數據信息異常，則會引導系統調試，直至系統恢復至正常工作狀態為止。

（6）開停機模塊。開停機模塊是系統的執行模塊。數據分析模塊對采集信息進行分析后，便會將相關指令發送至開停機模塊，開停機模塊便可根據排水系統實際運行狀況，對泵開關進行調節，實現開、停機動態化監控，讓系統始終保持良性運行狀態。

（7）數據庫。數據庫是整個監控系統的核心組成，其會對所有采集信息數據進行整合，并為相關操作執行提供基礎。

整個系統以PLC為基礎，并在PLC上添加了一個以太網模塊。利用以太網模塊可將設備信息、運行狀態信息、故障信息等設備模擬量及開關信息數據通過以太網傳輸至地面控制中心，而地面控制中心可將相關反饋指令通過以太網傳輸至PLC，即完成指令調控。

4 結束語

利用礦井排水自動化監控系統可實現排水自動化操作，為排水泵安全運行提供基礎，有利于促進企業安全生產，為企業整體效益提供保障。

參考文獻

[1]王盛杰，李小喜，許春雨.礦井主排水自動化監測監控系統的開發[J].中國礦業，2014（12）：147-151.

[2]李順，巨明偉.基于PLC的礦井排水監控系統的設計[J].工礦自動化，2011（10）：89-91.

[3]李春華，夏國良，魏超全.礦井排水智能監控系統結構設計[J].工業儀表與自動化裝置，2014（1）：57-59+63.

[4]寇彥飛，楊潔明，寇子明.基于安全節能的礦井自動化排水控制系統設計[J].煤炭工程，2016，（1）：31-34.

[5]于圣濤.淺談礦井排水自動化監控系統的應用[J].科協論壇（下半月），2013（9）：53-54.