具有故障自诊断功能的矿井节能排水控制系统

魏晶

(大同煤矿集团 轩岗煤电有限责任公司， 山西 大同 037000)

0 引言

水灾事故是我国煤矿最严重事故之一，尤其是特别重大的水灾事故，每年都会导致大量人员伤亡与财产损失。水灾事故是仅次于瓦斯事故的、造成群死群伤煤矿事故的第二大杀手[1]。由于水灾事故相对多发[2-3]、应急救援难度大以及事故后恢复生产困难等特点，长期以来，很多专家、学者对煤矿的水灾事故原因与预防进行了研究,其中通过工程技术方法来改进设备、提高系统的安全性，是预防水灾事故的主要技术手段之一，这种技术手段在实际应用中占了很大比重。文献[4]实际应用了“无底阀水泵自动排”设施，文献[5]介绍了计算保安煤柱距离的同时设计了双套管探放水技术和水杆分离器装置。

矿井排水系统是煤矿生产的四大件之一,担负着将井下源源不断的积水排出的重要任务,安全可靠的矿井排水系统是矿井工作人员的生命安全和煤矿安全生产的重要保障。本文提出一种具有故障自诊断功能的矿井节能排水控制系统,可达到优化矿井自动排水控制系统结构、提高节能效果、提升系统可靠性的目的。

1 矿井节能排水控制

1.1 主要组成

本系统主要由上位机监控系统、S7-300 PLC控制器、ET200分布式IO工模块、排水设备系统、信号实时采集与处理系统和故障诊断与优化系统等几个模块组成。其中，信号采集与处理系统包括信号隔离与处理单元、震动传感器、闸阀上端管路压力传感器、闸阀下端管路压力传感器、泵腔负压传感器、超声波液位传感器和浮球式液位传感器；故障诊断与优化系统包括采集板卡、通信板卡和Labview故障诊断软件平台；排水设备系统包括电动机、排水泵、电动闸阀、抽真空电磁阀和射流电磁阀。

1.2 各模块之间的连接方式

上位机监控系统通过PROFIBUS接口与PLC控制器相连；PLC控制器通过PROFIBUS接口与分布式IO模块相连；信号采集与处理系统中的信号隔离与处理单元输入端分别与震动传感器、闸阀上端管路压力传感器、闸阀下端管路压力传感器、泵腔负压传感器、超声波液位传感器和浮球式液位传感器相连；故障诊断与优化系统采集板卡的输入端与信号隔离与处理单元的输出端相连，通信板卡与PLC控制器通过总线方式相连；排水设备系统中的电动机、排水泵、电动闸阀、抽真空电磁阀和射流电磁阀的控制端子分别连接到分布式工IO模块的输入输出端上。

2 系统工作原理及工作过程

2.1 工作原理

该系统的结构原理如图1所示。

图1 系统结构原理

信号采集与处理系统同时使用超声波液位传感器和浮球式液位传感器监测水位,超声波水位传感器用于检测实时水位信号,以计算水位变化率,浮球式液位传感器用于检测上下极限水位和关键水位,双传感器冗余检测,以提高系统可靠性。

泵腔负压传感器用于射流抽真空过程中检测水泵泵腔真空度,判断水泵是否可以正常自吸排水,以控制电动机的启动时机。

电动闸阀接于水泵出水口管路上,上下方均设置有压力传感器,在水泵电动机启动后,在判断出水口压力大于闸阀上方管路压力的条件下,打开电动闸阀进行正常排水,以避免因出水口压力不足造成的水锤事故。

电动机、水泵、管路上均布置震动传感器采集震动频率,震动频率经采集板卡进入故障诊断与优化系统与典型故障震动频率特征信号进行比对分析,进行故障诊断,诊断结果通过总线传输给控制器,控制器响应执行相应的安全动作输出,保证系统安全。

2.2 工作过程

PLC根据当前水位、水位变化率、当前时间和阶梯电价时间综合分析处理后,决策开启排水系统进行排水时,PLC控制通过总线将启动命令传输给分布式IO模块,分布式IO模块输出具体控制信号,打开射流电磁阀和真空电磁阀,进行抽真空过程,通过泵腔负压传感器检测泵腔内部真空度,当真空度达到设定值后,PLC控制器输出信号控制电动机启动运行,水泵正常吸水同时关闭射流电磁阀和真空电磁阀,并通过电动闸阀下方管路压力传感器检测水泵出水口压力,通过与闸阀上方管路压力传感器的值相比对,在下方压力传感器的值大于上方压力传感器的值时,再开启电动闸阀,接通出水管路,进行正常排水。

3 故障诊断过程

1) 参数设定与优化过程。各传感器信号通过信号隔离与处理单元进入故障诊断与优化系统,故障诊断与优化系统结合当前的实时传感器信号,结合历史积累的季节性水文记录进行处理,推测未来一段时间内的水位变化量和变化趋势,制定开启水泵进行排水的水位和水位变化率的参数值,并将此参数值通过总线传输给PLC控制器,作为决策开泵排水的依据。

2) 故障诊断与处理过程。将当前状态信号、压力信号、震动频率信号等通过采集板卡输入故障诊断与优化系统,故障诊断与优化系统的Labview软件将数据与典型故障震动频率特征信号进行比对分析,诊断结果通过总线传输给PLC控制器,PLC控制器按照预先设定好的故障应对策略,响应执行相应的安全动作逻辑输出,保证系统安全。

4 结论

本故障自诊断功能的矿井节能排水控制系统能根据实时的检测数据和历史记录,自动优化关键控制参数,并传输给控制器作为控制依据,不仅能优化矿井自动排水控制系统结构、提高节能效果,而且可以在系统运行过程中进行故障自诊断,并根据诊断结果自动执行相应的应对方案,提升系统的可靠性。通过实际应用表明,该排水控制系统已取得了良好的效果。