智能無人值守系統在王莊煤礦中央水泵房的應用

龐海清

(潞安化工集團 王莊煤礦，山西 長治 046031)

王莊煤礦目前主采區為+540 m水平，540中央水泵房是主采區排水系統的樞紐設備，它的穩定性是決定礦井安全、穩定運行的關鍵。在智能化改造以前，540主排水泵房采用人工開啟水泵，存在打開閘板閥困難、應急能力差等問題，嚴重影響主排水泵的安全穩定性。

1 +540中央水泵房原系統簡介

1.1 原系統操作流程

+540中央水泵房在改造前，水泵的開啟、停止以及各配套的閥門全部由人工現場操作，操作流程見圖1。

圖1 原540中央水泵房示意

如圖1所示：

1) 手動打開射流管路手動球閥和吸氣球閥，進行抽真空；

2) 關閉射流管路手動球閥，啟動水泵；

3) 手動打開閘板閥，觀察出水管路壓力表及電流表示數是否正常，以判斷是否開泵成功，若未成功則重新進行排真空。

1.2 原系統存在問題

1) 要求人員對水倉水位、涌水量大小及時準確預判，以便及時開停水泵；

2) 在極端情況下，如排水管路內沒有靜壓水時，由于壓力差過大，閘板閥開啟困難，兩人合力仍無法打開閘板閥時，會導致開泵失??；

3) 既需要主排水泵司機值守，又需要檢修工投入，僅值守司機年人工成本約100多萬元，成本過高。

鑒于上述原因，為保證中央水泵房的安全穩定運行，同時實現“減人增效”的目的，主排水泵房的智能化無人值守改造勢在必行。

2 改造思路及方案

2.1 改造思路

更換手動射流閥門為電動射流閥門、手動閘板閥為電動閘板閥，同時采用PLC進行集中控制，實現主排水泵房的自動啟停和一鍵啟停、切換，通過設置不同條件，使主排水系統根據水倉水位及水位變化情況開啟水泵，實現泵房智能化。再通過工業環網實現泵房的遠程控制及調度室遠程監控。

2.2 改造方案

本次改造主要分兩大部分,即井下部分和地面部分。

2.2.1 地面部分

地面部分位于供電二隊隊部集控室內，配備監控上位機、交換機、大屏幕顯示器等設備；集控室內所有數據均可通過工業環網上傳至礦調度中心。

監控上位機不僅負責對水泵自動控制系統進行實時監控，還對水泵房內水倉水位和泵房內情況進行實時視頻監控，并與可編程控制箱通過工業以太網通訊，進行信息交換。系統可在上位機上對水泵及其關聯設備進行遠程控制與監測。

上位機部分由兩臺工控機和工業組態軟件組成，上位機通過礦井網絡系統將信息傳送到全礦井綜合自動化平臺，對有關信息進行分析后在WEB網頁上發布，實現信息共享。工業組態軟件畫面模擬現場實際設備情況，畫面直觀，操作方便。水泵的工作電壓、工作電流及功率等參數可以從電網監控的數據庫中讀取，在水泵上位機上顯示。

在上位機上可以實時模擬顯示水倉水位，顯示水泵高壓開關的工作電壓、電流、功率，水泵軸溫，定子溫度，吸水管的真空度，排水管的壓力、流量等參數，可以監測系統當前的控制方式及當前泵的工作狀態。

2.2.2 井下部分

隔爆型可編程閥門控制箱作為水泵自動控制系統的核心，主要負責采集控制關聯水泵閥門設備的運行信息、設備狀態，通過工業以太網與上位機通訊、交換信息，同時對各設備進行集中監控；視頻監控器利用視頻傳輸對水倉水位和泵房內情況進行實時監控?？刂葡涮峁┕I以太網通訊接口，通過礦井以太環網接入井上自動化平臺。

每臺水泵的驅動器、閥門、射流泵系統及各種傳感器，組成排水監控系統，以設備少、功能全、維護方便，且每臺水泵控制系統獨立維護、互不影響的原則。具體的配置如下：

1) 泵房配置礦用隔爆兼本安型可編程控制箱、礦用隔爆兼本安型控制臺和16路礦用隔爆兼本質安全型閥門電動裝置控制箱各1臺,可根據礦井水倉水位自動完成相應管路閥門的開啟或關閉,實現自動啟、停水泵功能。

2) 每臺泵附近配置1臺就地控制箱，完成整臺水泵電動閘閥、配水閥門、射流泵電動球閥的配電及控制，以及水泵、電機溫度和各類傳感器的配電及信號采集，實現對正壓、負壓、流量、電流、電壓、溫度的實時監測。為保證系統的可靠，所有電動閘閥均可采用手動/電動兩種方式控制，以備緊急需要。

3) 每臺泵配置1臺GPD0.1負壓傳感器監測真空度、1臺GPD40(60)正壓傳感器監測出水壓力。

4) 水倉配置3臺超聲波水位傳感器，連續監測水倉水位變化，以此來控制配水閘閥的開閉。同時，采集量將作為自動起停水泵的關鍵參數。

5) 為了避免水泵出水流量的檢測帶不準確，因而配置兩臺GLC250/500外貼式超聲波流量傳感器，分別安裝在兩趟管路上，實時監測每臺泵的出水流量，該采集量可作為水泵性能評估的關鍵參數。

6) 整個泵房配置多路通用I/O接口，接入每臺泵的模擬量參數(如電機溫度等)。

7) 整個泵房配置防爆高清攝像頭8個,用于對水泵房的水位、泵房區域監視、高壓開關及軟啟動器進行監視，能夠聽清監視區域內的聲音，通過視頻采集的畫面及聲音，在監視區域內出現異常(含聲音異常)情況時能夠及時報警。

+540中央水泵房控制系統示意圖如圖2所示。

圖2 智能無人值守水泵房控制系統示意

改造后的系統如圖3所示。

圖3 改造后540主排水泵房示意

2.3 改造后實現的功能

改造后泵房將實現三種控制方式，分別為：

手動操作：在就地模式下，PLC控制器不參與控制，通過手動控制各個閥門控制箱按鈕，實現水泵啟停、切換，該功能主要用于檢修時使用。

集中控制：PLC參與控制，可以實現一鍵啟停切換水泵，系統根據設置好的程序進行排真空、啟動水泵、開啟相應閘板閥等操作，實現程序化啟停水泵。該功能在泵房內和地面均可實現。

自動控制：系統根據設置好的程序，根據水倉水位情況、自動分析涌水量大小，實現水泵的開啟時間和開啟數量，實現自動控制。

泵房實現的三級管控方式：

一級是泵房內一鍵操作、手動操作，該級別最高，在泵房內操作，主要用于水泵的檢修、測試；二級是操作隊組集控室遠程控制，該級別為常用模式；三級是礦調度室遠程監，對主排水泵的各種參數進行監測。

2.4 改造后系統具有的優點

以井下PLC控制箱為控制核心，它將PLC控制系統、計算機網絡通信技術和排水控制系統結合，實現以“集中控制為主，遠程監測為輔”的控制模式。其與多路閥門控制箱之間以MPI形式通訊及相關控制，與水泵高壓軟啟動之間以RS-485總線(MODBUS-RTU 協議)形式通訊，最終實現自動控制、一鍵啟動和地面遠程控制，實現對井下泵房系統機電設備的遠程監測控制。

系統具有先進性、可靠性和可擴展性，易于安裝和拆卸，選擇的計算機和系統軟件留有備用容量和以太網接口，可以方便地實現系統擴展和接入全礦綜合自動化平臺。

540中央水泵房智能化無人值守系統具備終端APP軟件功能和智能+大數據分析功能，適用于安卓操作系統和蘋果操作系統，可以在移動終端上瀏覽系統工藝流程圖、視頻監控、管道參數、設備參數、運行狀態、故障狀態、報警信息、歷史曲線等信息。通過這些信息可以知道設備運行狀況、檢修工檢修質量、設備以往故障原因及處理方法等，為管理設備及維護生產提供保障。

3 改造前后的經濟效益分析及現場應用效果

3.1 改造前后的經濟效益分析

改造以前，+540中央水泵房在實現無人值守前，每班設置2名司機，該單位人工薪酬平均為490元/d，年需人工費為2×490×3×365=107.31萬元。

改造以后，+540中央水泵房實現無人值守，可以減員1人/班，設置1名巡檢工，負責對+540中央水泵及其他設施的巡檢維護。

改造前后的對比分析：

改造前，僅年人工薪酬成本為107.31萬元，改造后，可節省一半人工成本，即53.655萬元。無人值守改造的一次性投資為118萬元，預計年維護成本為10萬元，設計使用壽命10 a。預計產生的經濟效益為53.655×10-118-10×10=318.55萬元，年平均節約30余萬元。

3.2 現場應用效果

2) +540中央水泵房智能無人值守從2019年11月28日試運行以來，系統運行穩定正常，未發生因電控系統故障引發的排水事故。

4 結 語

+540中央水泵房通過智能無人值守改造，減少了人員投入，提高了設備穩定性，創造了良好的經濟社會效益，值得在煤礦井下主排水系統中推廣應用。