煤礦泵房無人值守系統的研究與應用

翟學成 王海君 郝允領 劉 磊

（1.昊華紅慶梁礦業有限公司信息中心，內蒙古鄂爾多斯017000；2.華洋通信科技股份有限公司，江蘇徐州221000；3.山東新汶礦業集團華豐煤礦，山東泰安271413）

0 引言

眾所周知，煤礦井下水泵排水是涉及礦井安全生產的重要環節，一旦發生井下超負荷排水，不僅會影響煤礦的正常產煤，危害礦井安全，甚至還會造成嚴重的生命事故。

現階段我國主流煤礦自動化排水主要采用的是現場工人人工開停水泵的模式，該種方式的弊端是工人操作頻繁，突發處置能力差，不能做到遠程自動快速開停水泵，而且存在著極大的安全風險。

本文從華豐煤礦1260泵房的實際出發，針對目前排水系統的現狀，同時參考國內主流設計原理，結合現代工業控制技術和控制理論，利用先進的工業專用PLC和液位檢測裝置，設計了一套適合華豐煤礦的自動化排水系統。

系統的主要特點是可以根據水位及水泵運行時間，按照“輪班工作制”自動啟動與停止水泵，不僅延長了水泵的使用壽命，還可根據用電“避峰就谷”原則控制水泵開停。系統實現了礦井排水的自動化控制和地面遠程監控，提高了水泵有效利用率，大大降低了生產成本；可以很好地保護現場硬件設備，延長設備使用周期，提高排水效率，減少不必要的開機時間。

1 系統實施

本次改造針對華豐煤礦1260泵房。該泵房有水泵3臺，串電抗器啟動；排水管路2趟，水倉2條；真空泵2臺，射流引水真空裝置2套。

地面監控站設置在調度集中控制中心，通過工作站安裝的軟件對井下泵房相關設施進行集控和監視。針對泵房現場實際需求，定制開發滿足系統需求的組態畫面；下位機采用西門子S7系列編程軟件，開發系統控制模塊，實現泵房就地/遠程控制、無人值守、避峰填谷。

泵房配置一臺礦用隔爆兼本安型監控分站，作為每一個泵房數據采集、設備控制總站，采用西門子S7系列PLC，配置數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊、以太網通信光口/電口。

礦用PLC作為1260泵房排水點監控的核心，主要負責完成與地面調度室的雙向數據傳輸與共享，并且兼顧泵房內高壓電機啟停及數據采集，與各泵監控分站I/O進行實時通信，完成各泵設備數據采集、設備控制。針對1260泵房技術現狀，每臺水泵配置礦用隔爆兼本安型綜合接入從站及礦用本安型顯示控制箱，完成井下1260泵房的控制。

礦用隔爆兼本安型綜合接入從站作為監控分站I/O，完成單泵數據采集與設備控制，能夠與監控主站進行以太網通信，并可實時接收、發送數據，響應主站命令。礦用本安型顯示控制箱負責完成就地設備的操作與控制，并且就地顯示就地設備各狀態。礦用本安型操作臺采用不銹鋼材質，配置10寸顯示觸摸屏，在屏幕上可實時顯示泵房內設備參數以及運行狀況等，并與監控主站相互配合，實現泵房設備集中控制。還配置了語音報警，包含地面集控中心的實時語音報警、井下泵房現場實時語音報警。

地面集控中心語音報警：能夠全面實時完成系統內各種報警，通過工程師站驅動對應的報警裝置，實現實時報警。

泵房現場語音報警：依據泵房實際需求，預先定制好語音報警內容，系統控制主站綜合采集的實時數據進行及時判斷，確定符合程序設定報警條件，由系統程序驅動相對應的報警內容。同時能夠實現定制泵房簡介播報及各種歡迎用語等。

在現場布置視頻巡檢攝像儀，配置導軌，攝像儀采用球形攝像儀，360°旋轉對泵房情況進行監視。

系統能夠采集與檢測的數據類型如下：

PLC模擬量數據檢測：水泵吸水口真空度、水倉水位、流量、主排水管壓力、電動閘閥開度、電機溫度、泵體溫度、高開柜電流、高開柜電壓。

PLC開關量數據采集：水泵電機啟動柜合分閘狀態及故障狀態、電動閥門的開關到位與限位、射流球閥到位狀態與故障指示狀態、水泵控制電機的顯示狀態、高低水位狀態、攝像儀移動位置狀態等。

系統能夠準確描述儲水倉水位，而且可以在系統設定好的高低水位進行語音及聲光報警提示。

溫度巡檢功能：系統可接入溫度巡檢儀傳感器，采集電機預埋的溫度傳感器的信號，標準為PT100熱電阻探頭。

水泵控制程序如圖1所示。

圖1 水泵自動控制程序圖

系統的數據及程序處理主要通過可編程控制器實現，可編程控制器通過埋入水池的液位傳感器測量水倉水位，將采集到的水位變化信號及模擬量值進行邏輯判斷及處理，同時根據事先編制好的程序按照邏輯關系開停各種設備。礦井的涌水量采用大數據系統進行分析，根據水量開停一定數量的水泵。系統各種輔助傳感器如水泵系統電流、溫度、流量、壓力、煙霧等等傳感器，主要用于輔助判定設備的狀態，根據邏輯關系輔助控制水泵系統的啟停。

2 系統主要特點

1260泵房無人值守智能化系統建成至今，使用效果顯著，不僅能夠實現壓力、流量、液位等相關數據的實時采集，而且可以對泵房相關數據的參數進行監視；結合吸水井液位、工藝流程或用電費用情況合理調度水泵投入或備用；結合傳感器采集到的設備狀態判斷設備是否有故障，如有故障可以發出告警指示，并根據故障類型停泵。

具體從以下幾個方面進行說明：

（1）利用傳感器能自動進行排水流量計算。

（2）根據水倉水位自動控制水泵開停，具備高低水位檢測功能；具備超水位保護報警功能；當真空度排到開泵值時能自動泵水，自動打開閘閥；當水位至最低時自動關閉閘閥，自動停泵。

（3）該系統安裝有無人值守工業電視監視系統，視頻巡檢攝像頭可以變焦、旋轉云臺控制，可以手動、自動錄像，并在任意時間段定時設定錄像。

（4）自動控制：系統設置了兩套水位傳感器——模擬量和數字量傳感器，兩套傳感器互為備用參考，可根據礦井涌水量和用電負荷，控制在用電低峰和一天中電價最低時開啟水泵，用電高峰和電價高時停運水泵，以達到避峰填谷及節能的目的。

（5）系統可以通過檢測水倉水位和其他參數，控制水泵輪流工作并合理調度啟動備用泵運行。系統通過觸摸屏以圖形、圖像、數據、文字等方式，直觀、形象、實時地反映系統工作狀態以及水倉水位、電機工作電流、電機溫度、軸承溫度、2趟排水管流量等參數，并通過通信模塊與綜合監測監控主機實現數據交換。

（6）預警功能：系統用圖形填充以及趨勢圖、棒狀圖方式和數字形式準確實時地顯示水倉水位，并在啟停水泵的水位段發出預告信號和低段、超低段、高段、超高段水位分段報警，用不同的音響形式提醒工作人員注意。

（7）通信接口：可編程控制器通過標準的以太網通信接口和標準的通信協議，與觸摸屏、從站進行全雙工通信，將水泵機組的工作狀態與運行參數傳至觸摸屏，完成各數據的動態顯示；同時，操作人員也可利用觸摸屏將操作指令傳至PLC，控制水泵運行；且通過通信接口上傳至調度室，可與礦井其他系統進行數據聯動。

3 結語

1260泵房無人值守系統設計安裝完成至今，運行狀況良好，各級領導都比較滿意，達到了無人值守和大數據分析的目的。本系統的成功運用為煤礦的智能化建設以及煤炭行業大數據的成功實踐起到了表率作用，而且該項目能夠提升礦井的形象及效益，值得行業內借鑒。