煤礦井下泵房排水集控系統設計

宋沖

摘? 要：礦井主排水集控系統是保障煤礦排水安全的關鍵環節。為提高系統可靠性，該文設計了基于多主站控制模式的煤礦井下泵房排水集控系統，提出了由地面控制中心、網絡傳輸平臺、泵房數據采集/控制中心組成的系統架構，設計了遠程集控子系統和就地集控子系統，提出了具有檢修、就地、遠程、單控、集控等各種組合控制方式，設計了電動機故障、真空起故障、低水位、超溫、禁止啟動、流量等多種保護方式以及系統詳細功能。該系統能夠降低工人的勞動強度，提高礦井生產安全和效率。

關鍵詞：礦井主排水;多主站控制;集控系統

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

井下水泵排水系統是煤礦安全生產的重要設備。傳統主排水裝置操控體系利用繼電器操控主排水裝置，水泵裝置的啟動關閉選及檔位裝換都是依靠操作者手工完成的，工人勞動強度大、生產效率低。隨著計算機控制技術、通信技術、自動化技術的迅速發展，以PLC為核心的新型集成化操控裝置已逐漸替代繼電器操控模式，該類PLC控制系統保證礦山井下排水網絡可以進行集中管理及操控。為了簡化泵房控制設備的數量，一般采用單臺控制箱多線纜控制模式，實現對所有水泵的控制、數據采集、告警等操作。但該種模式在初期安裝和后期使用維護過程中存在一些弊端：每臺水泵的各類傳感設備和控制設備的線纜都要接入控制箱內，這樣會造成泵房內敷設線纜多，且一旦PLC控制箱或某一臺泵出現故障，需要停止整個集控設備的運轉并進行故障排查，這樣直接影響到水泵的正常自動控制，缺乏冗余性和系統穩定性。

該文針對礦寺河煤礦西區井下排水設備，在安全、穩定、可靠、先進的前提下，研發了基于工業以太網和多主站控制模式的泵房集控系統，實現水泵系統的全天候安全、平穩、高效地自動運轉，真正實現“無人監控”的工作狀態，顯著提升礦山井下作業生產的安全及自動化操作水準。

1 總體方案

1.1 現場情況

寺河煤礦井下排水采用集中排水方式，目前西區井下有2個水泵房，均未建集控，每個水泵房配置有3臺泵，每個泵房有兩路輸出主管道排水，每個泵房有2個水倉，都采用射流閥抽真空。西一水泵房的水排到西區中央水泵房，通過斜井排水管道排出地面。

1.2 總體設計

系統可以在控制中心內部監控礦井上下位置的安全生產相關數據，操控礦井上下位置的相關機電裝置，實現某些機電自動化裝置的無人操控作業，機電設備房不需要配備專人守候，實現減人提效的目的。系統規劃為地面控制中心、網絡傳輸平臺、泵房數據采集/控制中心3個部分。地面控制中心安置在設備監控中心，控制中心擁有控制站點聯網交互的大型服務器設備，可以實現對水泵網絡的遠距離監控。信息網絡數據的交互作業使用礦山架設的工業用環網，或從地面到井下的光纖網絡敷設光纜專用網絡，以此來進行礦井內外的信息交互。礦井內部泵房的信息收集/操控指揮室配備了如PLC操控單元、信息收集站點、相關的傳感設備、攝像頭、屏幕及設備操控平臺等設備，用于實現工作現場實時信息和參數的收集和監控。

系統按照通過遠程集控子系統實現“無人值守”和通過井下泵房的就地集控子系統2 個部分進行設計，實現“一鍵啟、停”水泵操作。系統開創性的加入現場音視頻監控和語音發聲報警，真正實現對排水系統的全方位監控，保障系統無人值守下的運行安全。系統總體結構示意圖如圖1所示。

2 遠程集控子系統設計

2.1 地面控制中心設計

地面控制中心位于監控室內，設計2臺操控站，安裝水泵集控軟件，將井下5個水泵房排水集控數據采集到地面控制中心，借助該指揮中心對礦井內部的全部水泵房的相應裝置進行遠距離集中控制及狀態監控等操作。

2.2 網絡傳輸平臺設計

系統的主要設備側都預留設計了通用的網絡接口，方便網絡數據的輸入輸出，系統傳輸時既可以采用單獨組網的方式，也可以利用礦上現有的光傳輸網絡、以太環形網絡等進行數據傳輸。該次方案設計利用礦上建設的工業環網網絡平臺進行數據傳輸，暫不進行重復設計，將PLC控制箱收集到的數據傳輸到地面，與控制中心進行數據交換。

2.3 音視頻遠程監察體系的規劃

遠程操控體系中增加了內置云端平臺的遠距離操控的高像素錄像設備（含拾音器），把整個水泵房的高清及時視頻及音頻數據傳送至地表指揮部門，可以隨時讓管理人員觀察水泵房內部的狀況，并且借助上位機圖像選項有針對性地調取和察看相關圖像文件，地面配置1套麥克風和音箱，完成上下對講，同時能監聽泵房現場的聲音，真正實現泵房的“無人值守”。

在井下每個水泵房內配置1臺礦用本安型云臺攝像機，采用高清攝像鏡頭，分辨率在200萬以上，通過內部云臺控制器實現360°全方位旋轉攝取視頻數據，通過在泵房內安裝高清云臺攝像儀能實現4個功能。1）高清云臺攝像機自帶拾音功能，可以實時監控水泵房的工作狀況并拾取現場的聲音，判斷水泵電機的運轉是否存在異常。2）高清云臺攝像機內置有喇叭，地面監控中心的人員可以通過麥克與井下維護人員進行雙向語音通話，便于完成實時通信，相互接收、回傳操作等指定。3）云臺攝像儀可以手工調整攝取圖像的大小、遠近和方向。同時將操作指令寫入泵房控制平臺的系統中，可以通過一鍵方式，攝取所需圖像。4）云臺攝像儀通過協議開發包，嵌入組態軟件中，通過預設點位的方式，在開啟水泵指令后，系統將按預設點位巡航到指定位置。

3 就地集控子系統設計

3.1 多主站的控制模式

單臺控制箱多線纜控制模式的可靠性不高，泵房內需敷設多條線纜。主站選用PLC作為邏輯控制核心，多主站之間通過現場總線進行邏輯通信，各臺水泵的控制和采集信號就近接入監控主站，這樣不僅可以減少現場線纜的布置，而且便于后期進行故障查找和檢修。單臺主站的故障不影響其他分站的正常運行，所以其提升了系統的冗余可靠性，使排水更加穩定可靠。因此，采用多主站的控制模式設計就地集控子系統。

3.2 泵房控制中心設計

如圖1所示，泵房控制中心采用多主分站控制結構。主站配置高性能PLC控制箱，完成整套泵房的控制邏輯運算。所有水泵都會搭配1部收集監控數據的站點以及分開控制箱體，每個站點之間各自獨立運行，不會相互干擾，所以當某個站點發生問題時，不會干擾其他站點的正常工作，進而可以切實保證整個系統的平穩運行。另一方面，在相應控制方案的初始設計階段，應全方位考察極端狀況下，整個系統運轉可能出現的安全問題，當相關的主站點和分站點都發生問題時，借助分開控制箱體的作用，依然可以正常開動和終止水泵的排水工作。PLC控制箱和采集監控分站都留有接口，為后期擴容做準備，使其可以在不需要增加接口設備的情況下直接進行對接。每臺PLC控制箱可以接入4～6臺采集監控分站。

西一水泵房和西區中央水泵房各設3臺礦用隔爆兼本安型監控主站。在水泵房值班區域內配置1臺礦用本安型操作臺，用于就地集中操作。井下西區中央水泵房內配置1臺具備語音報警功能的本安LED顯示屏，在故障報警時，不僅能進行語音播報，而且還能直接顯示文字報警信息。

3.3 泵房信息收集系統規劃

泵房信息收集一般采用在每個核心位置配備傳感裝置的模式進行，借助傳感設備捕捉每個環節的關鍵參數信息，并將其輸送到收集站點。設置傳感設備主要包含水倉內部水位信息、管道內部流量信息，閘閥動作信息、驅動電機的電流信息、工作電壓、壓力變送裝置、溫度檢測裝置等。

3.3.1 排水管道設置出水口

現階段礦井內部西側水泵房里所有的水泵均配備1個可控的放水用閥門（可手動操控），將人工操控的閥門升級為自動控制的閥門，并配有閘閥控制箱，控制閘閥的開、閉等狀態。系統共設計了3臺礦用電動閘閥[1]。

3.3.2 排真空管路配置

整個結構使用水泵抽水形成真空狀態的模式，所有的水泵均配備1～2部礦山專用的安全自動化球閥裝置，該次設計需要新增6臺DFB20/7型礦用電動球閥。

3.3.3 出水口相關壓力參數測量

所有水泵的出水口位置都會裝備1部水壓傳感裝置，整個系統一共配置了3部礦山專用的安全式水壓變送裝置。

3.3.4 真空狀探測態

所有水泵的進水口上半部分會裝備1部真空狀態傳感設備，整個系統一共配置了3部安全式水壓變送裝置。

3.3.5 系統液體水位探測

現階段礦山內部水泵房水倉有2個，在每個水倉配置1臺液位傳感器，共設置2部礦用液體水位傳感裝置。

4 系統控制保護方式與功能設計

4.1 操控模式的規劃

作業現場實際操控動作一般是由PLC控制盒、收集站點及外部探測裝置構成。遠程控制由監控室內計算機（服務器）及控制軟件構成。井下水泵房排水監控系統具備遠距離自動化操控、遠距離單獨水泵自動化操控、遠距離單獨水泵人工操控、實地人工綜合操控4類運作模式。

遠距離自動化操控：在地表指揮中心進行遠程水泵自動化操控，包含液體水位上升的水泵啟動、用電高峰時段及低谷時段等情況下啟動水泵等模式。

遠距離單獨水泵自動化操控：即地表指揮中心自動啟動所有的水泵設備。

遠距離單獨水泵人工操控：即地表指揮中心獨立啟動或者停止驅動電機、閥門等單獨的某一部相關裝置。

實地人工綜合操控：在目前的作業模式的前提下，讓現場操作者借助控制臺綜合操控水泵裝置及閥門的啟動和停止。

4.2 系統故障保護設計

井下水泵房排水監控結構的安全性、穩定性標準很嚴格。該結構體系預設了以下4類保護機制。1）液體流量保障機制：水泵平穩運行后，假如液體流量沒有符合預期的設定值，借助警報信號來提醒相關操作者檢測水泵和管道閥門等裝置的運行狀態是否正常，延時一定的時間，關閉設備確保整體裝置的安全[2]。2）驅動電動機斷電保護機制：借助PLC和顯示屏監控水泵驅動電機過載、漏電、電壓不穩等故障，并及時進行調控。3）真空狀態故障保護機制：水泵抽真空時間超過預定值或水泵正壓小于預定值，自動停止水泵運行。4）水位過低：當水倉液體水位低于標準時，水泵停止運行。

4.3 系統功能設計

4.3.1 顯示功能

實時動態顯示井下水泵房所有水泵運行的各類工況，直觀了解水泵運行狀態。

4.3.2 操控功能

排水操控裝置能依據水倉內液體的容量、水泵運行情況及用電成本等條件的不同，操控水泵啟動、停止及水泵的輪換。

首先，依據水位狀況，操控水泵的啟動和停止。其次，水泵輪流啟動：為了杜絕備用水泵、備用管道等設備長時間閑置而產生的相應故障，整個系統會對水泵的啟動和停止次數、工作時間及管道的工作次數、液體流量等數據進行詳細記錄并且疊加，整體系統會依據上述參數的特定規律啟停特定的水泵裝置，讓所有水泵和管道的工作頻率處于均衡狀態[3]。最后，根據用電成本自動化啟動停止：依據水倉水量的多少、礦井內部用電負荷的實際情況及供電企業所設定的谷值、峰值用電電價等因素，合理啟停水泵。

4.3.3 音視頻監控及聯動功能

系統在水泵監控系統中加入視頻監控和聲音拾取功能，改變當前各廠家在建設水泵監控系統時，只有圖像沒有聲音的情況，同時利用自由音圖像監控方式，達到圖像的聯動效果，為泵房實時監控突破監聽的障礙，達到無人值班的狀態。

云平臺攝像儀可以與礦井排水自動化系統實現音視頻聯動，當某臺水泵啟動時，系統可以自動調節云臺攝像儀監視設備轉動部位，并能監聽設備的運轉聲音。現場圖像和聲音通過以太網信號傳輸到地面監控中心，視頻能融入礦井現有的視頻監控系統中。

4.3.4 報文調取功能

檢查所需的數據比如電流、溫度等各種參數，可以生成報表的形式，可被相關操作者調取使用。

4.3.5 過往參數曲線調用功能

可以調用全部的過往參數曲線，為相應的設備問題原因的查找提供有效參考。

4.3.6 遠距離設置功能

操作者依據系統工作的具體狀況，設置全部裝置的相關參數，為系統報警提供依據。

4.3.7 系統警報、問題點判定功能

便捷、穩定的報警裝置能夠報告系統狀態及系統潛在的風險，保證系統的穩定工作。報警管控體系具備多類報警管控能力，其中包括無限的報警區域管控、報警事件等級、錯報篩選功能。該裝置可以精準捕捉問題，實際作業場所配備的顯示屏將故障信息通過文字顯示和語音播報的方式提醒人員，及時故障排除。

4.3.8 整體結構易擴充和集合

使用分散式構造，該結構符合各類應用及規模的要求。

5 結語

礦井主排水集控系統是保障煤礦排水安全的關鍵技術，對自身的可靠性要求較高。該系統采用多主站+分站模式，每臺分站對應1臺水泵及附屬設備，結構明晰、節約線纜、穩定可靠 。各分站通過1根CAN總線串接，任何一臺分站故障，都不影響其他分站工作。控制主站及分站斷電、故障時，操作臺仍能正常開停水泵，充分保證系統安全。系統配置本安操作臺、音視頻攝像機，具有檢修、就地、遠程、單控、集控等各種組合控制方式，能實現對泵房水泵排水系統的遠程＼就地自動啟停、自動輪換、故障智能切換、避峰填谷、自動診斷、音視頻監視功能。系統為實現礦井主排水系統的信息采集、存儲自動化、數據傳輸處理網絡化、調度決策數字化提供了技術與裝備支持，能夠降低操作人員的勞動強度，提高礦井生產效率。

參考文獻

[1]程玉龍.基于用電避峰填谷的小河嘴煤礦主排水監控系統[J].煤礦安全，2019，50（11）：99-102.

[2]謝春華，劉輝.煤礦井下排水監控系統的設計與分析[J].內蒙古煤炭經濟，2019（20）：208.

[3]張偉.煤礦井下自動排水遠程監控系統的研究與設計[J].礦業裝備，2019（4）：172-173.