矿井排水自动监控系统的改造应用

2022-08-18郑本涛

江西煤炭科技 2022年2期

郑本涛

（山西煤炭进出口集团左权鑫顺煤业有限公司，山西晋中 032699）

我国大部分煤矿都采用井工开采，在开采过程中会有大量的地下水涌出。为了确保矿井的安全生产，需要在井下建设主排水泵房（或中央泵房），及时将涌水排出[1]。矿井排水系统在煤矿安全生产方面发挥着重要作用[2]。左权鑫顺煤业有限公司开采的矿井中的4#煤层和15#煤层均设置了主排水泵房，每座泵房有三台水泵和两趟排水管路。其中水泵型号为BQS300-300/4-315/N，额定电压和功率分别为10 kV和315 kW，出口阀的规格和压力分别为DN150 和6.4 MPa。所有水泵都通过电磁启动器进行启动，两个泵房的排水高度均为400 m。为了保障矿井排水泵房运行过程的可靠性和稳定性，现需要对排水泵房的排水系统自动化监控系统进行设计。

1 自动监控系统整体方案

结合矿井实际情况，以4#煤层为例，设计的矿井排水自动化监控系统整体方案框图如图1 所示。系统分为两大部分，分别是地面监控主机部分和位于井下状态监测部分，地面和井下基于CAN总线技术实现数据信息的交互。地面部分设置有监控主机和监控备机，主要作用是对井下排水泵房的运行状态数据信息进行实时显示、分析。井下部分设置有各种传感器，可以对泵房排水系统的运行情况进行实时数据采集。

图1 矿井排水自动化监控系统整体方案

1）井下排水控制系统。以PLC控制器为核心，配备有KSBC可编程控制箱、高压启动柜保护装置、触摸屏、传感器和电动（磁）闸阀等。其作用包含两方面，其一是利用传感器对煤层排水泵房内的主要机电装备的运行状态进行采集，为自动化监控系统运行提供数据支撑。其二是接受地面监控主机下达的控制指令，并利用电动（磁）闸阀执行指令,实现对井下排水系统的远程控制。

2）地面监控上位机。地面监控主机房设置有两台监控主机，分别作为主用和备用，配备有环网接入设备和监视屏幕。在CAN总线以及环网接入设备的作用下，监控主机可以实现与井下排水控制系统之间的数据交互。监控主机需要对上传的数据进行存储，以便后续调取查询。同时需要基于上位机软件程序将数据以图形化的形式在监控屏幕上进行显示，以便工作人员能实时掌握井下排水系统的运行状态，可以显示的数据信息包括电机运行电力参数、出水口压力、水位高低等。根据实际需要可以在地面监控主机中下达指令，对井下排水系统进行远程控制，比如可以实现阀门动作的控制、电机开启与停机控制等。

2 主要硬件技术参数

2.1 主要硬件结构

设计的排水自动化监控系统要求实现远程监控功能，实现系统的自动化运行，降低矿井工作人员的劳动强度并提升矿井的安全性，避免发生人员伤亡事故。以上功能的实现需要硬件设施作为支撑，图2 为排水自动化监控系统主要硬件框图。系统中使用的处理器为PLC控制器，具体型号为西门子公司研制的S7-1200 型PLC控制器，其在工业领域具有非常好的应用效果。该控制器除能满足排水自动化监控系统当前阶段的使用要求以外，还具有良好的扩展性能，方便系统后续的升级改造和功能拓展，节约系统的升级改造成本。

图2 排水自动化监控系统主要硬件框图

使用的S7-1200 型PLC控制器基于模块化思想进行设计，除最基本的模块以外外部还拓展了4 块SM321 数字量输入模块、两块SM322 数字量输出模块和两块SM331 模拟量输入模块。其中每块数字量输入/ 输出模块可单独实现16 路数字量信号的采集，主要作用是对电动（磁）闸阀的开关状态以及电机的启停状态进行采集或控制；每块模拟量输入模块可单独实现8 路模拟量信号的采集，主要实现电机电量参数、出水口压力、温度等信号的采集。

2.1 矿用隔爆兼本安型可编程控制箱

每台水泵配备了一台智能型KXBC可编程控制箱，型号为KXBC-15/660。该箱可以对电机的运行状态信息进行处理，内部使用的是本质安全型电源，且采取了非常可靠的隔离措施，可以确保信号传入与传出的可靠性[3]，具有很好的环境适应性，完全能够满足矿井复杂的工作环境。其正常工作时的电压和电流分别为AC 660V和15A，可以实现模拟量和开关量信号的采集。

为了确保控制箱运行时的安全，箱体外壳采取隔爆型结构设计。本质安全型电源以及其他硬件装置全部安装在隔爆箱体内部。考虑到控制箱防爆和安全，所有输入到PLC控制器中的信号都要通过本安光耦隔离技术进行处理，所有从PLC控制器中输出的信号要通过继电器隔离技术进行处理。

2.2 主要传感器

（1）流量传感器。选用GLC250/500 型超声波流量仪对流量进行检测，属于本质安全型设施。通过流量传感器可以对排水管道中的水流量进行实时检测，并将检测结果传输到控制器中进行分析与处理。如果检测发现水管中的流量过低则会发出警告。每趟排水管中都要安装一个流量传感器。

图3 流量传感器的基本工作原理

（2）压力传感器。选用GPD40 型压力传感器，属于本质安全型设备，可以对管道内部的气体或者液体压力进行持续性检测[4]。可以通过CAN总线、RS485 等多有方式与外部设施实现数据的传输。利用压力传感器可以对水泵内部的压力进行检测，并将结果传输到控制器中进行处理。如果分析发现水泵内部压力过低，则需要立即停止水泵工作。

（3）水位传感器。基于GUCS10 型水位传感器对水仓中的水位进行检测，该传感器属于本质安全型设备，如图4 所示为水位传感器的基本工作原理示意图。传感器利用支架在水仓的正上方进行安装，要求探头与液面保持平行。工作时传感器会向外部发射超声波，设备根据超声波发射与反射的时间差，结合超声波在空气中的传播速度，来计算探头与液面之间的距离。

图4 GUCS10 型水位传感器的工作原理

3 主要检测与保护功能

3.1 水仓水位及避峰填谷检测

本系统中，将水仓中的水位划分成为3 个等级，分别为低水位、高水位和危险水位。当实际水位超过危险水位时，无条件启动水泵进行排水；当实际水位在高水位与危险水位中间时，视负荷情况确定；当实际水位处于低水位时，停止水泵运行。根据我国的用电政策，在用电低谷时段的电价相对便宜[5]。本系统可以自动判断用电的低谷和高峰时段，进而控制水泵的停止与启动。

3.2 系统功能

矿井排水自动化监控系统的功能主要表现在以下几个方面：

（1）共设置有4 种工作模式，分别为无人值守模式、远程控制模式、就地自动控制模式和就地检修模式。根据不同场景可以在系统中对工作模式进行切换。正常情况下使用无人值守模式或者远程控制模式即可，需要对排水泵房进行维护保养检修时，则启用就地检修模式。

（2）每台水泵可单独控制，可以提升整个排水系统运行的稳定性和可靠性。

（3）排水自动化监控系统如果检测发现排水系统中的水泵存在故障问题或者安全隐患，比如轴承过热、压力下降、泵体过热等问题时，会向外发出声音警报，以提示工作人员及时进行处理，同时还会对相关水泵进行停机处理。

（4）地面监控中心设置有12.1 寸的彩色液晶显示器，可以对井下排水泵房的运行状态进行实时显示，特别是出现故障问题时会弹出故障警告。每个排水泵房设置有触摸屏，可以在该触摸屏中设置相关保护值。

4 应用效果分析

将该系统应用到左权鑫顺煤业有限公司矿井工程实践中，并进行连续半年时间的测试，发现系统运行良好，各项功能均达到了预期效果。具体而言，应用效果主要包含以下几个方面：①显著提升了煤矿企业的自动化水平，地面监控主机可以实时显示井下泵房的运行情况。 ②井下排水泵房的运行可靠性有了显著提升，出现人为误操作的概率降低了70%左右。③自动化监控系统的应用，可以节省大量的人力成本。每个泵房可以少安排6 人，每人每年的开支按12 万元计算，则每年可以为煤矿企业节省72 万元的人力成本。