矿井水位监控系统研究

2015-03-19杜亚玲

机械管理开发 2015年2期

关键词：分站积水水泵

杜亚玲

（晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西晋城 048006）

引言

1 技术方案

煤矿综采巷道内积水较多，长期在进、回风巷道数千米范围内设置十多个局部排水设备，目前存在如下问题：

1）人员巡检不及时。由于煤矿地质条件复杂，涌水量大，导致综采工作面巷道上、下山等多处积水较多，严重影响生产。而采用人工巡检方式，由于抽水位置距离远，位置分散，导致人员巡检不及时。

2）水泵启动不及时。长时间的无人巡检造成水泵无法及时启动，造成巷道内局部水位过高，严重影响生产。

3）水泵停止不及时。当局部区域积水已抽放干净，水泵不能及时停止，导致水泵空转时间过长，烧毁设备。

4）巷道局部积水水位未知。针对不同巷道不同位置的积水，操作巡检人员无法了解积水水位情况，因此无法统筹安排水泵的开启和停止，减少设备运行时间，节约能源。

5）水泵状态未知。针对分散在不同区域的数十个局部抽水设备，巡检人员或调度人员无法确切了解水泵运行状态或者设备完好程度，因此，无法合理、及时对巷道内的积水进行抽放，及时对设备进行维护。

针对上述问题，在研究积水的分布和水位变化规律之后，设计了该套融合了巷道水位实时监测、声光报警以及自动控制功能的矿井水位监控装置。利用分站进行组网，进行模拟信号接收、数字信号处理，并通过联网通信将数据传输至主站进行集中处理并实施监控。各个分站之间采用RS48接口进行通信，地面监控中心可以通过以太网接口或者架设专用通讯线路从监控系统接收数据。该套装置包括一套主站和十套分站，可实现对长度2 000m的巷道内的积水进行集中监控，采用站点编号、沿线报警、主机集中控制的设计思想，达到了各个站点的状态识别、故障查询、声光报警以及自动排水的目的，为安全起见，对该套装置进行了防水设计并增加了备用电源自动投入功能。本设计特别提出了沿线报警方案，各个分站将自己检测到的信息发送到主机进行分析处理，然后主机发送相应的命令到各个分站，当某一分站监测到故障时，主机能将故障信息发送给沿线所有分站，进而实现沿线报警并显示故障站点，能够保证工作人员在任何位置处都能够实时掌握各个站点的水位情况［3］。

2 系统功能

主机主要实现显示、控制功能，能显示纵向各点水位（低、高、超高），沿线报警点位，点位编号并自动确认；接收各个分站的高水位报警信息后发出报警信号并显示该点位，同时输出高水位报警信息给各个分站进行报警；输出自动控制信号；自动记录并上传报警、状态、故障信息；主机带控制器传输距离不小于2 000m，主机纵向具备并接多个回路的功能，最低不少于2个。显示本点水位（低、高、超高），沿线报警点位，输出本点高水位报警信号并声光报警，本点超高水位控制信号输出（开关量），显示失电、信号中断、传感器故障等；要具备防水功能；可满足任意水质水位、压力及流量监测；根据水位信息可自动起停排水装置，进行优化配置，实现无人化值守，降低工人劳动强度；可靠监测测点水压信息，判别系统工作状态，迅速实现故障点查询（如有必要还可配合超声波流量传感器，实现故障点协同识别）；系统应具有断电后自动投入备用电源监测功能，保障信息的可靠性；主机必须具备纵向、横向联机功能，能实现信号上传，应能实现不同子系统之间互不干扰，即一套设备故障时不影响其他系统工作；系统具有集中信息上传下载功能，通过通信网络实现地面监控中心与井下各测点之间信息互传，可实现集中监测、遥测遥控；地面监控使用组态系统来实现，实现控制、数据存储、查询、打印等功能。

3 硬件设计

3.1 主站设计

主站控制器是一个功能齐全、性能稳定、运行安全的自动控制系统，装置内包括：PLC模块及其外围辅助电路、电源模块、RS485接口电路部分、光电转换模块以及显示电路部分等。工作示意图如图1所示。

选择2017年5月—2018年2月在本科入住的40例0级糖尿病足患者,且温度觉正常者,随机均分为两组,观察组20例(中药泡洗联合穴位按摩)和对照组20例(中药泡洗),两组间病程、年龄、性别以及并发症等均无显著性差异(P>0.05)。

图1 主站工作原理框图

煤矿井下交流127V或660V电源经隔离开关变压器变压后输入到一路开关电源输出直流24V供内部非本安电路使用，另一路输入到本质安全型输出电源。电源部分由开关、变压器、开关电源、本安电源构成。变压器一侧的进线电源为交流单相127V或660V，2档可选，输出为127V。外供的单相127V或660V单相交流电经开关隔离后，进入变压器降压，降压后的电压输出为交流127V，此后分为两路，一路进入宽范围输入开关电源，得到一个较为平滑的直流24V电压，输出额定电流2A，供PLC的操作按钮开关量输入电路，PLC输出驱动隔离继电器电路，触摸屏显示模块，模拟量输入输出模块，以太网模块、光纤收发器模块使用。另一路进入本质安全型输出电源的输入端，经整流、滤波、双重过流过压保护输出，其目的是防止输出端可能出现的非安全电压电流而造成输出电压瞬间超压或过流而形成不安全因素。其中电源CSTI具有本质安全输出特性并放置在隔爆腔内，构成了隔爆兼本安型电源，该电源自带双重过流保护功能并能够实现18V稳压输出，额定电流是0.9A，可向I类设备供电。过流保护值≤1A，过压保护值≤18.5V，最大负载电容2.2μF，最大负载电感0.1mH，短路电流≤17mA。

3.2 分站设计

隔爆兼本安分站主要完成现场采集、通信及控制任务。隔爆兼本安分站采用单片机设计，经过光电隔离后可采集现场200～1 000Hz频率量水位信号及1mA到5mA开关量信号设备开停信号，与外部设备的通信也采用经光电隔离后的RS485通信模式实现与外部的本安通信，通过继电器隔离可实现外部报警控制。

在煤矿井下水位监控系统中，水位监控分站是井下监控模块和井上监控中心数据交换的枢纽，其不仅具有矿用传感器接口采集水位信息和输出接口控制水泵的开停，而且具有远程数据通信功能，可方便地与地面中心站点之间进行数据传输和信息交换，而且连接了多种传感器实现智能传输［4］。各个站点既能协同工作又能互不影响，当某一站点不能与其他站点正常通信时仍可以正常进行数据采集和自动控制水泵开停，进入独立工作模式。矿用控制系统的分站具有以下功能：

1）基于矿井下的特殊环境，布置于井下的监控分站都配有备用电源，当电网出现供电故障时，瞬间启用备用电源，实现持续供电，能够保证系统监测数据的安全。

2）在井下的监控分站完全断电的特殊情况下，重新上电之后，不需要地面监控中心进行操作启动，分站能够自动恢复并按照设计的流程独立进行工作。同时，分站具有红外遥控功能，能够通过遥控进行初始化。

3）各个分站都具有自锁功能。工作人员可根据矿井下巷道内的实际情况自定义分站的控制逻辑、控制值以及恢复值，还可以利用红外传感开关进行遥控赋值或通过上位机手动赋值。

4）系统采用的微控制器的数据处理能力强大、反应速度敏捷，并设计了简洁易懂的人机界面。同时支持远程中心集控、本地手动、无线遥控等多种控制方式。

5）分站根据巷道内各个站点的水位情况，通过对采集的数据进行处理及综合分析，可自行决定开启水泵的台数和位置。同时分站还要相应兼顾到水泵的维护和运行状态，以保证系统的安全运行。

6）专门设计的总线通讯接口，可方便连接个中通信设备。

水位监控分站是一台以单片机为核心的微机系统，它由主板、显示板、通信板组成，数据采集和控制电路集中在主板上；显示板用于显示分站监测到的水位参数及控制量状态、电源状态、通信状态；通信板用于分站与地面中心主机的RS485通信。