井下排水自动化监控系统

2018-02-23石国峰

科技创新与应用 2018年6期

石国峰

摘要：矿山井下作业时，排水系统具有重要作用，能创造安全稳定的开采环境，基于信息技术下设计一套自动化监控系统，成为学者的重要研究课题。文章介绍了井下排水监控的现状和意义，分析了自动化监控系统的组成和功能，阐述了系统模块设计，以供参考。

关键词：井下排水；意义；自动化监控；模块设计

中图分类号：TD636 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）06-0099-02

Abstract： The drainage system plays an important role in underground mine operation and can create a safe and stable mining environment. It has become an important research topic for scholars to design an automatic monitoring system based on information technology. This paper introduces the present situation and significance of underground drainage monitoring and control， analyzes the composition and function of automatic monitoring system， and expounds the design of system module for reference.

Keywords： underground drainage； significance； automatic monitoring； module design

矿井涌水是常见的事故之一，分析其原因，主要是巷道采空区漏水，水源除了采空区水以外，还包括地表水、大气水等。矿体开采过程中，会改变围岩应力场，打破了围岩和地下水之间的平衡状态，继而形成过水通道、出现涌水事故。自动化监控系统的应用，可以对井下排水进行监测和预警，避免发生涌水事故，保证井下作业的安全性。以下对此进行探讨。

1 井下排水自动化监控系统的组成和功能

1.1 系统组成

以PLC技术为依据，井下排水自动化监控系统的结构如图1所示，主要包括两个系统：一是水泵组控制系统，二是视频监控系统。系统结构分为上下两个部分，其中工控机在上、PLC在下，具体到控制系统的组成，包括：（1）工控机；（2）编程控制器；（3）温度/压力/振动/液位变送器；（4）EPS电源柜；（5）集中控制柜；（6）电动阀门。利用光纤信号，各种设备的运行数据可以传输到上一级。在水泵控制系统中，由检测、控制、执行三个部分组成；在视频监控系统中，由服务器、硬盘、网络终端及各种设备（摄像、传输、显示、存储）组成。

1.2 系统配置

在软件配置上，监控操作系统使用的是Window Professional，编程软件使用的是STEP7，组态软件使用的是WINCCV，数据库使用的是SQLserver。在硬件配置上，PLC属于S7-300系列，系统电源是EPS系统，变送器则没有具体要求。监控系统的运行，分为以下三种模式：一是就地手動运行，根据水仓内的水位高低，利用手动控制柜对水泵进行启动或停止。二是远程手动运行，工作人员经授权后，可以使用计算机对水泵远程控制，确定处于启动状态还是停止状态。系统运行期间，可以采集现场排水参数，将设备运行状态传输到调度室，实现统一管理。三是全自动运行，PLC实时监测水仓内的水位变化，结合水泵运行参数，确定启动还是停止。

1.3 系统功能

（1）地面监控站。地面监控站能采集现场监测参数，和PLC之间保持实时通信状态，然后记录并显示运行数据，为运行决策提供依据。

（2）现场控制站。现场控制站的功能较多，具体如下：监控各个子系统，保证系统正常运行；采集水泵的出水压力，并调整电机的运行参数；采集水泵进水口的真空度，评估电机的运行状态；采集开关部位的运行参数；通过就地控制箱，对系统运行进行调整等。

（3）视频系统。视频系统的应用具有以下特点：a. 结构灵活，扩展性强，直接利用网络传输信息；b. 数字摄像机的可靠性高，不会受到外界干扰，对于摄像距离没有限制；c. 工作人员获得授权后，通过客户端可以进行录音、摄像，并查询历史数据，且没有时间、空间的限制；d. 能定时录像，针对过期影像资料定期自动清理；e. 支持录像文件的切换与输出，利用网络客户端，可以和主机同步进行录像、播放等。

（4）轮换功能。水泵在长时间运行后，可能发生故障影响运行效率，对此系统内设计了自动轮换功能，可以记录水泵的运行时间，决定开机顺序，确保每一台水泵都能够工作，且工作时间相对均衡，从而延长水泵的使用寿命。

（5）自动控制。水泵在启动之前，首先应该保证处于满水状态，利用真空度判断灌水程度，当真空度指标达到特定值，水泵才能正常启动；如果真空度不达标，说明水泵内有空气，由于不能正常上水，会导致内部元件烧毁。水泵在运行时，运行状态是否正常，依靠真空度、水流量、出水压力三个数据判断。

（6）故障警报。系统中装设了震动检测设备，一方面能加快检测速度，另一方面可以提高数据传输能力，增强抗干扰能力。水泵一旦出现运行故障，系统就会发生声光警报，提示工作人员及时维修；同时也会将警报信号显示在工控机、触摸屏上，对故障信息进行记录保存。

1.4 应用优势

（1）系统可靠。将就地控制、远程控制结合起来，利用最佳程序实现系统的启动或停止。即使因故障导致通讯信号切断，也能够从自动控制转变为就地控制，不会影响系统的正常运行。而且，可以对各个子系统进行全方位监控，例如电机、水泵、启动柜、真空系统等，一旦发生异常就会发出预警，避免造成严重的后果和损失。

（2）技术先进。技术上实现了两个转变：一是利用光纤环网通讯技术，取代了总线传输技术，能提高数据传输的效率和安全性；二是利用组态软件控制技术，取代了NET编程技术，提高了系统的可靠性和通用性，为二次开发扩容提供了有利条件。

（3）运行经济。在水泵的启动算法上，利用了电价计算避峰填谷原则，保证水泵的能耗更加经济。水泵运行期间，系统会记录具体的运行时间，以及启动时间最短的水泵，可以避免一台水泵重复工作，保证所有水泵均匀磨损。另外，利用水位启动、停机水位、水位报警等功能，保证水仓内的水位始终处于合理范围，降低水泵的启动频率。

2 自动化监控系统的模块设计

2.1 模拟量检测模块

该模块中包含了多种传感变送器，涉及电流、温度、功率、水位等要素，可以检测排水系统的模拟参数，了解水位高低，明确排水流量、水泵温度、电能损耗等指标。通过这些信息的采集、分析，能判断出模块是否正常运行，一旦达到临界值或超过预设值，系统就会调控设备，保证处于正常的排水状态。

2.2 开关量检测模块

该模块的检测内容，主要是水泵高压柜中的设备开关，例如真空断路器、电动阀、真空接触器等，此外还能检测真空泵的运行状态。采集数据信息后，通过分析了解开关是否正常工作；一旦数据信号异常，系统会采取保护措施，例如重启开关，或者将开关信号、PLC连接在一起。

2.3 液位信息模块

該模块能采集水仓水位、排水流量信息，对数据分析后形成曲线，帮助工作人员了解排水情况。由于矿井作业环境恶劣，水源比较浑浊，使用普通的接触式传感器，会加快探头损耗。对此，系统采用了超声波液位传感器，不仅测量精准度高，而且方便安装，能输出稳定的信号，能适应井下环境。

2.4 温度采集模块

该模块能反映出水泵的工作状态，不仅能采集水泵温度信息，实现实时监控，还具备预警功能。首先模块分析采集到的温度数据，如果超过正常温度范围，就会发出警报，将信息反馈给工作人员。然后工作人员进行调整，促使水泵恢复正常运行。其中，铂电阻的精度高，能准确反映出温度变化。

2.5 开停机模块

该模块是系统的执行模块，对信息采集分析后，系统会将指令传输给开停机模块，依据排水系统的运行现状，对水泵开关进行调节，促使系统良性运行。

2.6 数据库模块