煤矿井下自动化排水监控系统研究

郑毛亲

(山西省晋中市灵石县能源局，山西 灵石 031300)

排水系统负责将井下积水排出至地表，排水系统的正常运行直接关系到煤炭开采的安全性[1]。现阶段矿井普遍采用手动控制为主、自动控制为辅的继电器方式控制井下排水系统运行，但受到操作随意性大、水位高度测量不精准等因素影响，无法实现排水过程的科学调度以及涌水量实时精准监测[2-3]。当井下涌出量突然增加且操作人员未能及时发现时，会导致井下积水量显著增大，严重时还会引发安全事故。虽然少数煤矿采用自动化排水装置进行排水，但受控制功能不完备、系统故障率偏高以及可靠性不强等因素影响，现场应用仍需要安排专人进行巡检，自动化功能无法高效发挥[4-7]。为此，文章以山西某矿+650 m水平中泵房排水监控为工程研究背景，结合以往研究成果以及笔者工作经验，提出一种自动化排水监控系统，该系统可实现井下排水设备状态远程监控并具备多种保护功能，可在一定程度上提升自动化排水系统的可靠性。

1 排水监控系统结构

1.1 硬件结构组成

依据矿井排水系统监控需要以及+650 m水平中泵房设备配备情况，设计的监控系统结构如图1所示。排水监控系统采用由上位机、下位机相互配合的二级网络结构，上位机(地面监控中心)布置在矿井调度室内，结构包括工控机、组态软件平台、操作软件以及数据库等；下位机为中央水泵房监控设备，结构包括电控箱、操作台、执行机构以及传感器等[8]。

图1 监控系统结构

监控采用的传感器包括数字量传感器以及模拟量传感器两大类；执行结构主要为阀门控制箱、高压启动器，执行机构有远程电动以及就地电动控制两类。当PLC出现故障时可通过就地电动控制实现后备控制，提高操作安全性。

整个监控系统有210路输入信号，其中数字量输入134路、模拟量输入22路，数字量输出型号54路。由于监控系统I/O设备类型多、数据处理量大，为此系统选择采用西门子S7-300PLC，CPU模块结构为CPU314，数字量以及模拟量输入模块分别为SM321、SM331，以太网模块采用CP343，实现井下水泵房与地面监控中心远程通讯；地面监控中心PLC与人机交互界面间通过RS485总线方式通讯。模拟量传感器用以监测小井液位、水泵进口及出口压力、水泵电机温度、管网流量、水泵电机电流等参数，后通过模数转换将监测到信息传输给CPU进行处理；数字量传感器用以获取阀门状态、操作台面板状态、水泵电机工作状态等参数，并经过SM321模块传输给CUP。

CPU对监测获取到的传感器信息进行计算、分析以及判断，并输出控制信号驱动执行机构运行，从而实现水泵房自动排水监控。

1.2 监控系统具有下述主要功能

1) 运行参数监测。通过在中央水泵房布置的各类传感器可监测电机电流、水仓水位、水泵进水口及出水口压力、高压启动器分合闸状态等参数。

2) 地面监控中心以及中央水泵房操作台人机交互界面均会以数据、图形形式直观地显示各监测参数，同时当监测参数存在异常时会显示报警信息，监控系统会自动保留以往报警信息。

3) 地面监控中心实时获取井下水泵房各类传感器监测参数并自动存储在SQLsever数据库内，便于后续监测数据分析、处理。

4) 监控系统具有远程控制、自动控制、手动控制以及半自动控制等4种模式，可应对水泵房内各种情况。

2 传感器布置及控制程序

2.1 监控传感器布置

矿井+650 m水平中泵房有3台工作机组(单台工作机组包括高压电机、离心水泵以及高压启动器)，一用一备一检修，并通过两趟排水管路由井下水泵送至地表。

根据水泵房结构以及设备布置情况，具体监控系统传感器布置情况如图2所示。

图2 监控系统传感器布置示意

1) 在液位监测点布置矿用投入式液位传感器以及超声液位传感器两种类型传感器，从而提升液位监测的可靠性；

2) 在主排水管路的每个出口均布置插入式超声流量计监测管路流量，为提高测量精度，传感器与阀体间距应大于5倍管路直径；

3) 在离心水泵进口、出口处均分别布置负压、正压传感器，监测水泵入水口负压以及出水口排水压力；

4) 在高压电机前后轴承位置分别布置1个铂热电阻温度传感器，用以实时监测轴承温度。

2.2 控制程序

2.2.1 地面监控中心控制程序

地面监控中心控制程序综合数据库技术、计算机技术、网络技术以及软件工程等开发，用以分析各传感器监测数据、操作记录以及故障预警记录等，当获取特别授权后可远程控制水泵房设备。具体监控中心控制程序功能如图3所示。

图3 地面监控中心控制程序

2.2.2 井下水泵房监控装置控制程序

水泵房监控装置控制程序采用结构化编程方式，根据现场需要将控制程序划分为若干部分，每个部分单独编写对应子程序，主程序根据需要调用子程序用以完成监控任务，具体监控程序框图如图4所示。

图4 水泵房监控装置控制程序

2.2.3 预警程序

预警程序用以分析井下监测参数并在监测参数发现异常时发出预警信号，从而提高水泵自动排水系统的可靠性。监控系统预警等级分为低限报警、高限报警两类，各类报警参数设置见表1。本监控系统中通过综合分析管路流量、电机电流用以对水泵是否正常工作进行判定。

表1 报警参数

3 监控系统调试及现场工业应用分析

3.1 监控系统调试

调试是核验自动化排水监控系统是否合理的主要方式，也是发现系统缺陷、改进系统功能的主要途径。为此，文中在地面对监控系统传感器以及整机系统进行调试试验，并对现场调试结果进行分析。监控系统地面调试现场如图5所示。

图5 监控系统地面调试现场

现场调试发现，流量、温度传感器精度均不大于1.0%，压力、水文以及电流变送器精度均不大于0.5%，监控系统采用的传感器均可满足现场使用需要；监控系统整体功能完备，各种控制方式均可实现顺利转换、运行可靠，数据采集以及传输效率高；井下监控人机交互界面与地面监控中心监控画面数据画面显示一致，数据同步。

3.2 现场工业应用效果

截至2021年5月，本监控系统在矿井+650 m水平中泵房平稳运行超过10个月。现场应用表明，监控系统下位机可实时、精准获取水泵房内设备、水位等参数，并在自动、手动、远程控制以及半自动控制等模式下可靠运行；通信网络可实现监测可靠、实时传输；上位机可显示井下各类监测参数，远程监控水泵房设备运行状态，发现异常时及时报警。

4 结 语

1) 提出一种自动化排水监控系统，该系统采用地面上位机、井下水泵房下位机相结合的二级网络结构，可实现井下水泵房排水设备统一监控及管理。监控系统具备4种操作模式，可满足水泵房设备各种运行工况需要。

2) 依据矿井+650 m水平中泵房现场实际情况，对水泵房内各传感器布置情况以及监控系统功能、监控程序等进行设计。在地面模拟井下环境对监控系统进行调试并进行工业应用。结果表明，自动化排水监控系统运行稳定、功能齐全，在地面可实现井下水泵房设备状态、水位监测，提高安全保障能力，并为后续水泵房无人化改造奠定一定基础。