煤矿泵房无人值守系统的研究与应用

翟学成 王海君 郝允领 刘 磊

（1.昊华红庆梁矿业有限公司信息中心，内蒙古鄂尔多斯017000；2.华洋通信科技股份有限公司，江苏徐州221000；3.山东新汶矿业集团华丰煤矿，山东泰安271413）

0 引言

众所周知，煤矿井下水泵排水是涉及矿井安全生产的重要环节，一旦发生井下超负荷排水，不仅会影响煤矿的正常产煤，危害矿井安全，甚至还会造成严重的生命事故。

现阶段我国主流煤矿自动化排水主要采用的是现场工人人工开停水泵的模式，该种方式的弊端是工人操作频繁，突发处置能力差，不能做到远程自动快速开停水泵，而且存在着极大的安全风险。

本文从华丰煤矿1260泵房的实际出发，针对目前排水系统的现状，同时参考国内主流设计原理，结合现代工业控制技术和控制理论，利用先进的工业专用PLC和液位检测装置，设计了一套适合华丰煤矿的自动化排水系统。

系统的主要特点是可以根据水位及水泵运行时间，按照“轮班工作制”自动启动与停止水泵，不仅延长了水泵的使用寿命，还可根据用电“避峰就谷”原则控制水泵开停。系统实现了矿井排水的自动化控制和地面远程监控，提高了水泵有效利用率，大大降低了生产成本；可以很好地保护现场硬件设备，延长设备使用周期，提高排水效率，减少不必要的开机时间。

1 系统实施

本次改造针对华丰煤矿1260泵房。该泵房有水泵3台，串电抗器启动；排水管路2趟，水仓2条；真空泵2台，射流引水真空装置2套。

地面监控站设置在调度集中控制中心，通过工作站安装的软件对井下泵房相关设施进行集控和监视。针对泵房现场实际需求，定制开发满足系统需求的组态画面；下位机采用西门子S7系列编程软件，开发系统控制模块，实现泵房就地/远程控制、无人值守、避峰填谷。

泵房配置一台矿用隔爆兼本安型监控分站，作为每一个泵房数据采集、设备控制总站，采用西门子S7系列PLC，配置数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、以太网通信光口/电口。

矿用PLC作为1260泵房排水点监控的核心，主要负责完成与地面调度室的双向数据传输与共享，并且兼顾泵房内高压电机启停及数据采集，与各泵监控分站I/O进行实时通信，完成各泵设备数据采集、设备控制。针对1260泵房技术现状，每台水泵配置矿用隔爆兼本安型综合接入从站及矿用本安型显示控制箱，完成井下1260泵房的控制。

矿用隔爆兼本安型综合接入从站作为监控分站I/O，完成单泵数据采集与设备控制，能够与监控主站进行以太网通信，并可实时接收、发送数据，响应主站命令。矿用本安型显示控制箱负责完成就地设备的操作与控制，并且就地显示就地设备各状态。矿用本安型操作台采用不锈钢材质，配置10寸显示触摸屏，在屏幕上可实时显示泵房内设备参数以及运行状况等，并与监控主站相互配合，实现泵房设备集中控制。还配置了语音报警，包含地面集控中心的实时语音报警、井下泵房现场实时语音报警。

地面集控中心语音报警：能够全面实时完成系统内各种报警，通过工程师站驱动对应的报警装置，实现实时报警。

泵房现场语音报警：依据泵房实际需求，预先定制好语音报警内容，系统控制主站综合采集的实时数据进行及时判断，确定符合程序设定报警条件，由系统程序驱动相对应的报警内容。同时能够实现定制泵房简介播报及各种欢迎用语等。

在现场布置视频巡检摄像仪，配置导轨，摄像仪采用球形摄像仪，360°旋转对泵房情况进行监视。

系统能够采集与检测的数据类型如下：

PLC模拟量数据检测：水泵吸水口真空度、水仓水位、流量、主排水管压力、电动闸阀开度、电机温度、泵体温度、高开柜电流、高开柜电压。

PLC开关量数据采集：水泵电机启动柜合分闸状态及故障状态、电动阀门的开关到位与限位、射流球阀到位状态与故障指示状态、水泵控制电机的显示状态、高低水位状态、摄像仪移动位置状态等。

系统能够准确描述储水仓水位，而且可以在系统设定好的高低水位进行语音及声光报警提示。

温度巡检功能：系统可接入温度巡检仪传感器，采集电机预埋的温度传感器的信号，标准为PT100热电阻探头。

水泵控制程序如图1所示。

图1 水泵自动控制程序图

系统的数据及程序处理主要通过可编程控制器实现，可编程控制器通过埋入水池的液位传感器测量水仓水位，将采集到的水位变化信号及模拟量值进行逻辑判断及处理，同时根据事先编制好的程序按照逻辑关系开停各种设备。矿井的涌水量采用大数据系统进行分析，根据水量开停一定数量的水泵。系统各种辅助传感器如水泵系统电流、温度、流量、压力、烟雾等等传感器，主要用于辅助判定设备的状态，根据逻辑关系辅助控制水泵系统的启停。

2 系统主要特点

1260泵房无人值守智能化系统建成至今，使用效果显著，不仅能够实现压力、流量、液位等相关数据的实时采集，而且可以对泵房相关数据的参数进行监视；结合吸水井液位、工艺流程或用电费用情况合理调度水泵投入或备用；结合传感器采集到的设备状态判断设备是否有故障，如有故障可以发出告警指示，并根据故障类型停泵。

具体从以下几个方面进行说明：

（1）利用传感器能自动进行排水流量计算。

（2）根据水仓水位自动控制水泵开停，具备高低水位检测功能；具备超水位保护报警功能；当真空度排到开泵值时能自动泵水，自动打开闸阀；当水位至最低时自动关闭闸阀，自动停泵。

（3）该系统安装有无人值守工业电视监视系统，视频巡检摄像头可以变焦、旋转云台控制，可以手动、自动录像，并在任意时间段定时设定录像。

（4）自动控制：系统设置了两套水位传感器——模拟量和数字量传感器，两套传感器互为备用参考，可根据矿井涌水量和用电负荷，控制在用电低峰和一天中电价最低时开启水泵，用电高峰和电价高时停运水泵，以达到避峰填谷及节能的目的。

（5）系统可以通过检测水仓水位和其他参数，控制水泵轮流工作并合理调度启动备用泵运行。系统通过触摸屏以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映系统工作状态以及水仓水位、电机工作电流、电机温度、轴承温度、2趟排水管流量等参数，并通过通信模块与综合监测监控主机实现数据交换。

（6）预警功能：系统用图形填充以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位，并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警，用不同的音响形式提醒工作人员注意。

（7）通信接口：可编程控制器通过标准的以太网通信接口和标准的通信协议，与触摸屏、从站进行全双工通信，将水泵机组的工作状态与运行参数传至触摸屏，完成各数据的动态显示；同时，操作人员也可利用触摸屏将操作指令传至PLC，控制水泵运行；且通过通信接口上传至调度室，可与矿井其他系统进行数据联动。

3 结语

1260泵房无人值守系统设计安装完成至今，运行状况良好，各级领导都比较满意，达到了无人值守和大数据分析的目的。本系统的成功运用为煤矿的智能化建设以及煤炭行业大数据的成功实践起到了表率作用，而且该项目能够提升矿井的形象及效益，值得行业内借鉴。