煤礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)計(jì)分析

臺(tái) 鵬

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046600）

引言

目前，我國(guó)煤礦井下排水設(shè)備的控制手段相對(duì)單一，自動(dòng)化程度較低，各排水系統(tǒng)之間相對(duì)獨(dú)立運(yùn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動(dòng)，故障率高、反應(yīng)速度差，在生產(chǎn)過(guò)程中一旦發(fā)生礦井涌水事故，不僅會(huì)造成煤礦停產(chǎn)，而且嚴(yán)重者將造成人員傷亡事故[1]，因此為了提高煤礦井下排水系統(tǒng)整體的可靠性與安全性，提高煤礦井下排水系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度，在結(jié)合煤礦行業(yè)現(xiàn)有狀況的基礎(chǔ)上，提出了基于自動(dòng)化控制的集成控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下各個(gè)排水控制系統(tǒng)的集成控制，大幅減少所需地人員，同時(shí)極大地提高煤礦井下排水系統(tǒng)安全性和可靠性。

1 井下排水系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下排水系統(tǒng)的集中控制，自動(dòng)化排水系統(tǒng)應(yīng)該具有以下核心功能：

1）PLC控制系統(tǒng)。該功能要求煤礦井下排水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各區(qū)域排水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的電壓、電流、流量、水壓等各種系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行信號(hào)的采集、分析、篩選、控制。

2）參數(shù)顯示功能。該功能要求系統(tǒng)所采用的組態(tài)控制軟件具有對(duì)水倉(cāng)水位、流量、壓力、管路靜壓、電路控制系統(tǒng)的電流、電壓等信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示功能，便于管理人員能夠?qū)崟r(shí)、直觀地掌握各分站點(diǎn)排水設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行情況，能夠方便、快捷地對(duì)各設(shè)備的運(yùn)行傳遞工作指令。

3）故障監(jiān)測(cè)及保護(hù)功能。煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)的故障監(jiān)測(cè)及保護(hù)功能是指控制系統(tǒng)對(duì)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的電壓、電流、漏電保護(hù)、流量、水壓、水泵漏水保護(hù)、電機(jī)超溫保護(hù)等[2]的運(yùn)行信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)被監(jiān)測(cè)信號(hào)超過(guò)設(shè)定的區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)采取斷電、調(diào)整、修復(fù)、報(bào)警等處理措施，避免設(shè)備更大事故的發(fā)生。

4）控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)。為保證自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有高度的適應(yīng)性及強(qiáng)大的抗干擾能力，要求在自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用冗余設(shè)計(jì)的概念，確保自動(dòng)化控制系統(tǒng)在后續(xù)使用中的穩(wěn)定性。

根據(jù)井下排水自動(dòng)化系統(tǒng)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，其主要包括地面集控中心、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)及井下水泵房的監(jiān)控單元組成，其構(gòu)成示意圖如圖1所示。

圖1 井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

地面集控中心是井下排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心單元，其位于地面，在地面集控中心設(shè)置有控制大廳，工作人員通過(guò)控制大廳內(nèi)的監(jiān)控設(shè)施即可實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下所有排水設(shè)備運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)掌握。集控中心內(nèi)設(shè)置有監(jiān)控站、實(shí)時(shí)運(yùn)行、控制參數(shù)顯示屏、UPS不間斷電源等。

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是聯(lián)系地面集控中心與井下設(shè)備控制單元的核心通信單元[3]，為了確保信號(hào)傳遞的穩(wěn)定性與及時(shí)性，要求在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中所采用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有高度穩(wěn)定性。

井下水泵房的監(jiān)控單元主要是對(duì)排水設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的電壓、電流、漏電保護(hù)、流量、水壓、水泵漏水保護(hù)、電機(jī)超溫保護(hù)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]。

系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時(shí)，地面集控中心的PLC控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)每一個(gè)需要控制的物理量所對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、收集，并對(duì)這些收集到的信號(hào)進(jìn)行一定的過(guò)濾和處理，使經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)能更加反映設(shè)備真實(shí)的運(yùn)行狀況，然后系統(tǒng)將這些信號(hào)與在PLC控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的初始物理量進(jìn)行對(duì)比，如果對(duì)比數(shù)據(jù)在系統(tǒng)設(shè)定的范圍內(nèi)則說(shuō)明設(shè)備一切運(yùn)行正常，若對(duì)比數(shù)據(jù)超出了設(shè)定值域則說(shuō)明設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)了故障，需要進(jìn)行報(bào)警處理，由控制人員根據(jù)系統(tǒng)所反映出的不同的情況采取相應(yīng)的控制措。同時(shí)集控系統(tǒng)所具有的邏輯錯(cuò)誤保護(hù)功能能夠在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)對(duì)系統(tǒng)的模擬輸入量、輸出量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若這些信號(hào)之間的關(guān)系滿足預(yù)制的邏輯關(guān)系則說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行正常，若不能滿足預(yù)制的邏輯關(guān)系則說(shuō)明設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)了故障，在設(shè)置系統(tǒng)時(shí)需要將常見(jiàn)故障的異常邏輯關(guān)系進(jìn)行預(yù)制，一旦系統(tǒng)判定所出現(xiàn)的故障滿足異常邏輯關(guān)系，則即可采取報(bào)警、停機(jī)等保護(hù)措施。

2 井下泵房監(jiān)控單元的設(shè)計(jì)

井下泵房監(jiān)控單元的主要作用是利用分布在一線排水設(shè)備控制終端上的信息設(shè)備對(duì)各排水裝置的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)與控制并保證排水裝置能夠正確執(zhí)行從地面集控中心傳遞過(guò)來(lái)的控制信號(hào)，保證控制人員能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制，其主要包括CPU控制模塊及各種傳感器設(shè)備，其模擬量輸入信號(hào)主要由電機(jī)溫度、流量、水泵真空度等組成，其數(shù)字量輸入信號(hào)、數(shù)字量輸出信號(hào)、及通信模塊的構(gòu)成如圖2所示。

圖2可以看出，在通信模塊上分別裝有上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)設(shè)備及電機(jī)的電量監(jiān)控模塊，通過(guò)這兩個(gè)數(shù)據(jù)接口，PLC控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集到排水設(shè)備的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行情況和狀態(tài)，同時(shí)為了保證在電力供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)的正常使用，在上位計(jì)算機(jī)設(shè)備上還配有UPS不間斷電源，防止忽然斷電導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)癱瘓等。

3 控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)

3.1 PLC的并行設(shè)計(jì)

PLC的并行設(shè)計(jì)是指其信號(hào)的輸入、輸出分別位于集控系統(tǒng)內(nèi)部的兩臺(tái)獨(dú)立的PLC上，這樣在正常工作狀態(tài)下，一個(gè)PLC為主控系統(tǒng)，另一個(gè)為輔用系統(tǒng)，兩臺(tái)設(shè)備間并行連接，當(dāng)主控PLC出現(xiàn)故障時(shí)可自動(dòng)或者人工切換到輔用PLC上，從而確保系統(tǒng)的正常的不間斷工作，如圖3所示，當(dāng)1號(hào)PLC系統(tǒng)閉合時(shí)，此PLC即執(zhí)行主控任務(wù)，當(dāng)1號(hào)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)就切換到2號(hào)機(jī)接替其開(kāi)始執(zhí)行主控任務(wù)，但該并行系統(tǒng)中PLC的并列的運(yùn)行方案只能適用于信號(hào)輸入快、信號(hào)輸出點(diǎn)位較少、走線相對(duì)容易的中、小規(guī)模的控制系統(tǒng)。

圖2 井下泵房監(jiān)控單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 PLC并行運(yùn)行結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 雙機(jī)后備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主要特征是在系統(tǒng)里采用兩個(gè)完全相同的CPU模塊參與系統(tǒng)控制，當(dāng)一個(gè)CPU進(jìn)行控制時(shí)另一個(gè)也同時(shí)參與到運(yùn)算控制中但卻是處于后備的狀態(tài)，此時(shí)備用CPU能實(shí)時(shí)復(fù)制主CPU內(nèi)部的數(shù)據(jù)，當(dāng)主CPU出現(xiàn)故障時(shí)，備用CPU就能立刻調(diào)出并執(zhí)行從主CPU上拷貝的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)立刻接管自動(dòng)化控制系統(tǒng)的功能。

其他的例如采用表決式冗余系統(tǒng)[5]、使用PLC控制系統(tǒng)與老式的繼電器控制系統(tǒng)配合使用的結(jié)構(gòu)等，均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)集成控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，具體的需要綜合考慮煤礦井下排水裝置的實(shí)際情況、成本等進(jìn)行選用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析井下排水系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)符合我國(guó)礦山實(shí)際的排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，大幅提高了煤礦井下排水系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為煤礦行業(yè)的安全生產(chǎn)提供了極強(qiáng)有力的保障。