岳城煤矿智能排水控制系统改造

张丽娜

（山西安信建设工程检测有限公司，山西 晋城 048006）

引言

矿井排水自动化系统是智慧矿山的一个重要研究方向。随着PLC可编程技术的不断成熟，排水设备更是具有了嵌入式智能控制、工业接口通信网络等先进技术，实现了数据的远距离传输和集中监测，并借助于工业网络和计算机技术大幅提高了矿井的自动化水平，基本具备了无人值守和远程监控的能力，由此，系统的准确性和稳定性也有了很大提高[1-3]。

1 现场概况

岳城煤矿中央水泵房位于副斜井底，水泵房内现已安装三台MD85-67×6型矿用耐磨多级离心泵及两趟DN159排水管路，配备YB2-3551-2型防爆电动机和八达电气的QJGZ-200/6供电高压磁力启动器，并配套安装温度传感器、出入口压力表等。由于设备投运时间较长，启停泵等各项工作必须现场人员手动依次操作，不但劳动强度大，而且操作烦琐、容易出错，给系统运行带来很大隐患。因此有必要基于当前设备，对主排水系统进行自动化、智能化改造，以提升系统可靠性。

2 解决方案

对矿井主排水系统进行自动化改造，实现排水操作由手动控制转变为自动化控制，同时可实时采集、存储生产过程中的重要信息，自动实现事件记录、信息传输、故障报警、报表生成等功能，实现中央泵房的就地自动化排水、远程监测状态、远程控制排水，提升系统的安全性与可靠性。

2.1 技术路线

研究开发方案的技术路线如图1所示。

图1 技术路线示意图

2.2 系统架构

系统总体架构如图2所示。

图2 系统总体框架图

由图2可知，系统总体划分为三层结构，具体如下：

1）管理层：即以工控机为主要设备的地面监控中心，通过局域办公网对工控机进行远程控制，并做好各类数据参数及指令的发送和终端反馈。

2）传输层：该层主要通过环网交换机、光纤等部件构建以太环网，将控制箱部分与各类控制器、传感器开关等装置有效连接，保证各类指令数据传输可靠。

3）控制层：该层是基于PLC主控制器和各类传感器、摄像仪、电动球阀和电动闸阀等执行机构，通过“主站+分站”模式控制的，即通过主站控制各个分站，每台分站对应一台水泵及附属设备，各分站通过一根CAN总线串接，任何一台分站故障不影响其他分站工作。中央泵房控制设备主要安装1个操作台、1台PLC控制箱及3台系统采集分站，被控设备有3个电动闸阀、6个电动球阀，采集设备有2台超声波流量计、3个液位传感器、6个温度传感器、6个压力传感器，辅助设备有3台云台摄像头，其他设备材料根据现场情况配齐。

3 系统设计

3.1 中央泵房数据采集设计

中央泵房系统设计如图3所示。

图3 中央泵房系统设计图

由图3可知，中央泵房主要通过流量、液位、正压等传感器，将各执行器的开关情况等数据转换成电信号传输至PLC控制箱，经PLC分析后进行动态反馈控制，现场数据现场存储于400 MHz的显示系统FLASH中。此外，在主水仓安装2台矿用本质安全型液位传感器，在主排水管道上安装2台矿用隔爆兼本质安全型数字超声波流量计，每台水泵内预埋温度采集接口，系统将采集每台水泵电机的三相定子温度和轴承温度等工况信息。

3.2 控制方式设计

中央水泵房排水监控系统具备远程控制、就地控制及自动控制三种操作方式。远程控制即通过地面监控中心，远程启停单台或多台水泵；就地控制必须在自动和远程控制故障的情况下，人为就地启停水泵，并能观察水位、压力等主要参数；自动控制即根据水位和井下用电负荷“移峰填谷”原则，按照水泵工艺流程，自动执行单台或多台水泵的启停，并能轮换水泵工作。

3.3 上位机软件设计

在地面监控中心编辑上位机软件，能够自动存储设备运行参数，并将重要的参数以报表、曲线等形式合理地汇总、保存；在井下现场出现各种异常情况时进行声光报警，并将报警信息详细存储下来，作为事故分析的依据；采用组态软件进行设计和实现，组态软件拥有图形化的编程界面，组态方式灵活，内置了强大的基本功能，可提供丰富的库函数，无缝集成众多通用的ActiveX控件，这样大大减少了系统开发周期，可为用户快速构建具有通用层次功能的监控软件，同时组态软件支持类似C语言编程语言，可以进行深层次的软件开发。

3.4 系统界面设计

结合上位机控制程序设计系统界面，操作人员可以看到井下中央泵房排水系统主要设备的运行状态，如排水阀、注水阀、排气阀和水泵运行状态，各个小井液位值、各管路瞬时流量和累计流量状态，电机电压及电流情况显示，3台水泵控制方式显示，水泵房噪声显示，摄像头布置情况，网络状态，485网络通信状态等，同时画面中小井的水位高度会根据实际水位动态变化，管路也会根据阀门的开闭状态显示矿井水的流动效果，生动形象地反映井下排水作业情况。

4 现场实施及结论

本项目于2018年11月—2019年5月在岳城主水仓进行了为期6个月的工业性试验。结果表明，该系统能够自动根据水量确定水泵开启台数和运行时间，实现对各水泵的在线监控和自动控制；出现故障时具有自诊断功能，能够立即判断故障类型并同时报警，无法启动时能够自动开启备用水泵并自动启停，实现泵房的无人值守。

5 经济、社会效益分析

以岳城中央泵房为例，原先排水工有3人，每人每月工资以4 000元为例，一年人工成本14.4万元。经自动化改造后，可以至少减员2人，人力成本减少9.6万元。同时结合水位情况和峰谷电价的不同，自动选择时间段进行排水，每月可节约电费48.5万元。系统投入运行后可以在无人值守的情况下可靠工作，只需每班派巡检工查看现场情况，同时可以避免电机空转导致的机电事故，保障矿井的安全、高效运行。