煤礦井下排水控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計

李 冰

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 壽陽 045400）

引言

在煤礦開采過程中經(jīng)常會有大量的地下水涌出，若地下水位超過一定的安全閾值，不僅會使井下工作面出現(xiàn)嚴(yán)重的積水現(xiàn)象，也極容易使煤礦開采設(shè)備出現(xiàn)漏電現(xiàn)象，這將給井下作業(yè)安全及煤礦開采效率造成嚴(yán)重影響[1]。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)每年約有15%的礦井都會出現(xiàn)一定程度的漏水現(xiàn)象[2]。目前，國內(nèi)煤礦普遍采用的井下排水控制系統(tǒng)存在控制精度較低、系統(tǒng)響應(yīng)較慢、智能化控制水平較弱等問題，無法滿足當(dāng)前智能化井下排水遠程控制的使用需求[3]。因此，將更加先進的控制技術(shù)應(yīng)用到井下排水控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)井下排水控制系統(tǒng)的升級優(yōu)化，是有效保障井下作業(yè)安全的重要方向。

1 目前井下排水控制系統(tǒng)存在的問題

通過對煤礦領(lǐng)域井下排水系統(tǒng)的綜合調(diào)研，結(jié)合新元煤礦主井中現(xiàn)有的排水控制系統(tǒng)特點，分析當(dāng)前井下排水控制系統(tǒng)在使用過程中存在的諸多問題[3-4]，主要包括如下幾點：

1）僅實現(xiàn)了對水泵的現(xiàn)場控制，未有效將水泵作業(yè)狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)通過通訊方式傳輸至相應(yīng)的監(jiān)控平臺上，整體自動化、智能化程度相對較低；

2）各類檢測傳感器精度相對較低，且為幾年前的產(chǎn)品，存在響應(yīng)速度較慢、異常故障明顯、數(shù)據(jù)信息不準(zhǔn)確等問題；

3）數(shù)據(jù)通訊接口是傳統(tǒng)的RS232，與RS485通訊接口相比，存在信息傳輸速度慢、信息傳輸量少等問題；

4）整個控制過程需手動操作控制，未實現(xiàn)對井下排水設(shè)備的自動化遠程控制，也無法實現(xiàn)對排水過程及狀態(tài)的實時監(jiān)控和控制；

5）由于未實現(xiàn)智能化控制，導(dǎo)致排水過程的電量消耗相對較高。

為此，設(shè)計一套智能化井下排水控制系統(tǒng)，以提高井下排水效率及作業(yè)安全，降低企業(yè)的費用支出。

2 智能化井下排水控制系統(tǒng)總體框架的設(shè)計

以新元煤礦主井控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，進行升級優(yōu)化設(shè)計。如圖1所示，整套控制系統(tǒng)包括執(zhí)行層、運算層、監(jiān)控層等。其中：執(zhí)行層中檢測單元部分有液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、流量傳感器、電壓傳感器等，可實現(xiàn)對井下排水過程的相關(guān)參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集[5]；執(zhí)行單元主要由水泵電機、出水閥、真空閥、射流閥等組成，在接收來自PLC的執(zhí)行命令后，執(zhí)行相應(yīng)的動作，實現(xiàn)對井下排水過程的相關(guān)控制操作；運算層包括PLC控制器、水泵調(diào)度和控制單元等，結(jié)合采集的相關(guān)信號，可完成排水過程的自動運行、模式切換、水泵自動輪換、水泵啟停等操作，對相關(guān)數(shù)據(jù)分析判斷處理后將其傳輸至監(jiān)控平臺實時顯示，其中，PLC控制器為西門子S7-300，內(nèi)部控制程序的編程設(shè)計軟件為STEP7，調(diào)度控制系統(tǒng)的控制器為KXJ600型礦用防爆型控制器，可有效保證整套系統(tǒng)的高效計算；監(jiān)控層主要包括上機位PC主機、液晶顯示器、服務(wù)器等，對整套控制系統(tǒng)進行狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)分析及執(zhí)行命令操作等。整套系統(tǒng)基于以太網(wǎng)和RS485進行數(shù)據(jù)信號的傳遞，可實現(xiàn)整個排水過程的自動化遠程操作。

圖1 排水控制系統(tǒng)總體框架圖

3 排水控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分的設(shè)計

3.1 硬件部分的設(shè)計

硬件模塊是整個排水控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，如圖2所示，包括檢測單元、水泵控制單元、PLC控制器、通訊線路等。硬件模塊中的PLC為西門子S7-300型控制器，可有效保證整套系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行，并提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的計算速度。檢測單元包括GUCS10型液位傳感器、PT-100溫度傳感器、GYD10壓力傳感器、JSZW3-10電壓互感器等檢測元件，具有采集精度高、性能穩(wěn)定可靠、抗爆性較高等特點，能實現(xiàn)對井下關(guān)鍵參數(shù)的實時數(shù)據(jù)采集，通過RS485通訊接口和以太網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)傳輸至PLC進行分析判斷處理[6]，PLC經(jīng)過分析處理后，將相關(guān)信息通過交換機傳輸至地面監(jiān)控中心，地面監(jiān)控中心根據(jù)實際情況發(fā)出相應(yīng)的控制命令，PLC則經(jīng)過分析轉(zhuǎn)換后發(fā)出電機啟停、報警、復(fù)位、控制方式等相關(guān)執(zhí)行控制命令，以實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的操作控制。

圖2 控制系統(tǒng)硬件模塊框架圖

3.2 監(jiān)控模塊的設(shè)計

監(jiān)控模塊是整個系統(tǒng)的重要組成部分，對井下排水過程及設(shè)備運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。如圖3所示，此監(jiān)控模塊的開發(fā)設(shè)計軟件為iFix組態(tài)軟件，其功能主要包括系統(tǒng)管理模塊、實時監(jiān)控模塊、報表模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊等。其中，實時監(jiān)控模塊主要對水泵的運行狀態(tài)、排水中相關(guān)參數(shù)等進行遠程監(jiān)控，通過PLC進行數(shù)據(jù)的分析處理和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)信號傳輸后，將監(jiān)控數(shù)據(jù)信息傳輸至監(jiān)控中心，供操控人員通過監(jiān)控界面對井下排水狀態(tài)進行實時遠程監(jiān)測和操作控制，同時生成年/月/日的報表，并對相關(guān)數(shù)據(jù)進行存儲，以便后期對數(shù)據(jù)進行查詢。

圖3 監(jiān)控模塊結(jié)構(gòu)框架圖

3.3 水泵控制模塊的設(shè)計

水泵是實現(xiàn)井下水的快速排放并將其控制在安全范圍內(nèi)的重要設(shè)備。因此，對水泵的運行進行控制模塊設(shè)計。在此控制模塊中，分為參數(shù)顯示、控制模式的顯示及啟停控制等部分。其中：參數(shù)顯示部分主要對水泵運行過程中的電流、電壓、流量、出水口壓力等參數(shù)進行檢測及界面顯示，當(dāng)某一個參數(shù)超過相應(yīng)閾值時，該控制模塊則會發(fā)出相應(yīng)的報警提示和異常情況顯示，以供相關(guān)人員根據(jù)報警提示對水泵進行有針對性的檢查和維修；控制模式部分則主要對水泵進行手動或自動控制，并通過界面進行控制模式顯示；啟停控制部分對手動控制模式下水泵的每一步操作進度以綠燈方式進行狀態(tài)顯示。

3.4 傳感器屏蔽模塊的設(shè)計

由于井下環(huán)境復(fù)雜，會經(jīng)常出現(xiàn)某一個指標(biāo)雖超過相應(yīng)閾值但不會影響控制系統(tǒng)的整體性能，此時，可對相關(guān)傳感器進行屏蔽操作，而傳感器閾值的設(shè)置一般是二級閾值設(shè)置。在進行傳感器屏蔽功能設(shè)計時，主要是對傳感器的檢測參數(shù)進行一級閾值屏蔽，包括電壓、電流、電機軸承溫度、排水量、井下水位等參數(shù)，需人員進行判斷后手動屏蔽，但此時系統(tǒng)仍會發(fā)出一級聲光報警提示。此功能不僅可實現(xiàn)整套系統(tǒng)的預(yù)警提示，也可保證排水過程不間斷操作，提高排水效果。

4 系統(tǒng)測試的評價

為進一步驗證所設(shè)計的井下排水控制系統(tǒng)的綜合性能，在新元煤礦主井進行了現(xiàn)場應(yīng)用驗證，測試周期為6個月。經(jīng)過對該系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用測試，表明該排水控制系統(tǒng)運行良好，各項數(shù)據(jù)檢測功能、數(shù)據(jù)顯示及分析功能等均正常，能清晰、高精度地實時顯示井下排水過程的相關(guān)參數(shù)，當(dāng)井下水位超過閾值或水泵出現(xiàn)異常現(xiàn)象時，該系統(tǒng)也能夠及時發(fā)出相應(yīng)的聲光報警提示，并執(zhí)行相應(yīng)的控制操作命令，并通過顯示界面顯示所有異常現(xiàn)象類型及發(fā)生位置，有關(guān)人員只需通過顯示界面提示，有針對性地對井下異常情況進行檢查、維修等操作，正常排水過程無需人工干預(yù)和操作。由此實現(xiàn)了整個排水過程的自動化遠程控制，大大提高了井下作業(yè)的安全性，降低了人員的作業(yè)危險程度。顯然，該系統(tǒng)具有重要的實踐應(yīng)用價值。