矿用无人值守自动化排水监控系统设计应用

矿用无人值守自动化排水监控系统设计应用

岳志华

天地（常州）自动化股份有限公司  江苏常州  213000

摘要：近年来，我国对矿产资源的需求不断增加，矿山开采越来越多。在当前煤矿井下排水系统中存在控制方式单一、水泵启停频繁且自动化水平低下等问题。为解决这些问题，该文首先分析自动排水系统的总体设计方案，其次探讨自动化排水监控系统设计，从而有效提高煤矿排水控制的智能化水平。

关键词：井下排水系统;无人值守;监控系统

引言

在煤矿开采作业过程中，开采区地下水受采掘影响不断上涌，同时受雨水及江河水渗透、水砂充填的影响，导致大量矿井水不断在井下聚集，若不及时采取有效手段将水排送至井上，则会阻碍生产，降低矿井安全，甚至发生透水等严重事故。煤矿井下排水系统的作用是依托排水泵及管路等设备配合将矿井水排送至井上。目前，国内排水系统多以人工操作及巡检为主，需手动控制闸阀开合及水泵启停，通过人工定期巡视排除系统故障，不适合现代化煤矿建设的需求，因此，采用先进的监测及自动控制技术替代原有的人工控制及巡检方式势在必行。

1自动排水系统的总体设计方案

煤矿井下排水系统主要由离心水泵、排水管路、水仓、检测仪表及各类闸阀组成。每台水泵配备启动电机；入口处配置射流系统；出口处配置闸阀；检测仪表主要由液位、压力、温度、流量等传感器组成，用于实时采集水仓水位、水泵出口压力及管路流量等参数。在正常运行状态下，井下排水系统一般有多台不同水平的水泵工作，水泵的启停数量、启停时间都需通过判断水仓水位是否达到启停位置、是否满足“避峰就谷”的运行条件后方可进行操作。每台水泵工作过程主要由启动及停止组成：当水位上升至警戒线时，开启射流泵，对离心水泵抽取真空，当真空值达到要求时，启动水泵电机，水泵出口压力达到规定值时由系统控制闸阀打开并关闭射流泵，完成水泵启动；当水位下降至水位下限时，系统控制闸阀关闭，切断电源并停止电机，完成水泵停运。由水泵工作过程可知，水泵泵腔真空度、水仓水位及水泵出水口压力是水泵启停控制的主要依据，实时监测上述参数并反馈是实现井下排水自动控制的前提。除实时监测环节外，排水系统在射流泵抽取真空、水泵电机启停、及闸阀开合控制等工作环节可实现自动化控制，以实现排水泵房的无人值守及自动控制。自动排水系统具体功能包括4点：（1）排水核心参数自动监测，系统通过分布式传感器实时采集水泵泵腔真空度、水仓水位、水泵出水口压力及管道流量等参数，通过上位机系统实现可视化自动监测；（2）水泵自动启停控制，系统可通过运行参数反馈自动判定水泵是否达到启停要求，满足条件时自动执行水泵启停流程；（3）闸阀自动控制，系统采用电动闸阀作为控制对象，由系统对当前排水情况进行研判自动控制闸阀开合；（4）故障诊断报警，系统可监测水泵电机、闸阀设备的运行情况，由综保装置提供故障信号，经系统判断后进行自动故障报警及事件记录。

2自动化排水监控系统设计

2.1数据采集模块方案

数据采集模块是采集排水设备运行参数、实时监测排水状态的重要模块，也是为智能控制策略提供判断依据的基础环节，因此其硬件选型及模块设计至关重要。监控主站与监控分站都包含数据采集模块，其中监控主站监测量为水仓水位及管道流量，监控分站监测量为水泵出水口压力、水泵电机温度及电压电流、闸阀开度位置。在满足系统监测量需求前提下，数据采集模块传感器选型原则还需满足通信信号传输距离、测量精度及范围需求。

2.2排水系统保护功能要求

电量保护：利用电动机综保监视水泵电机及闸阀电机的的过载、短路漏电故障并与水泵连锁控制，同时，通过数据采集模块将检测信号反馈给PLC，PLC通过远控模块参与排水系统的控制。水泵温度超限：安装GWP150B系列表面温度传感器，实时检测水泵的前后轴承温度，当温度超过允许值时，实现超温报警并停泵。电机温度超限：通过检测电机预埋的绕组及轴承温度传感器，以实时检测电机轴承温度。振动超限：安装GSD20矿用本安型振动速度传感器接入控制系统，用于检测水泵及电机运行中的水平、垂直的振动数据，超过允许值报警并停泵。流量检测：选用YHL500超声波流量计检测水泵出水流量，水泵启动或运行中达不到水泵的最小流量值，系统自动停止水泵运行。压力保护：在水泵启动后或正常运行中，若压力达不到规定值，压力检测异常信号反馈给PLC控制箱，使本台设备自动停车并发出警报。闸阀保护：电动闸阀通过采集量模块检测闸阀4～20mA电流信号，判断其是否开到位或关到位，以此判断水泵是否达到运行条件，参与水泵运行和启动前的联锁。液位保护：具有高低水位检测功能参与水泵的运行联锁。煤泥检测：安装浮球式检测装置实时检测煤泥深度与液位传感器形成数据对比，供人员参考。开停检测：安装开停传感器利用测定通电电缆磁场的方式；利用传感头中的检测线圈测得磁感应信号，利用感应的信号判断开停状态。视频监控：采用高清度摄像头探测运行水泵情况，能实时播放水泵运行音质是否正常。

2.3系统应用效果

系统采用组态软件搭建上位机人机交互界面。根据煤矿自动化排水监控系统的设计要求，系统上位机具备各泵室运行状态指示、水泵出入水口压力监测、水泵电机电流及温度监测、闸阀开度位置监测等可视化监测功能。为验证系统运行的效果，正常为两主两备运行，系统运行测试采用自动控制模式，试运行期间系统数据采集及显示功能良好，通信功能正常，水泵自动启停控制可正常完成，由虚拟仪器搭建的上位机监控界面具备可视化排水系统监测功能，可直观看到排水系统各设备的运行情况。

2.4故障诊断分析与联动预警功能

当系统正常运行突发故障时，系统能够准确分析与诊断故障发生原因、时间、类型与地点，并把相应的原因与此次在泵房配置的彩色触摸屏进行联动，同步发出语音与文字告警；当排水系统正常运行时，系统检测到温度、振动、电压电流、压力等数据异常时，系统经检测诊断后，联动现场的彩色触摸屏发出语音和文字预警；当数据超限达到一定指标时，系统联动水泵停机，并根据管理需要与预案，支持转而启动其他水泵并启动。

2.5泵效及工序能耗自动分析功能

排水监控系统可分析计算并提供包含水泵效率、管道效率等数据，同时可根据各台水泵运行电压、运行电流、开泵时间等各项因素来对水泵的工序能耗自动分析并运算，并将客观数据在地面软件平台实现直观展示。

结语

综上所述，井下无人值守自动化排水监控系统，该系统可实现对井下排水过程的自动控制与实时监测。进一步提高了煤矿井下排水的安全系数，为确保煤矿持续、稳定发展奠定了坚实的基础，为矿井的安全排水和生产提供了保证。维护人员只需在地面通过监控系统即可读取各个水泵的各项数据，并能完成对井下水泵的定值修改，实现各台水泵的远程开停机操作，配以视频联动和监控，提高人员工作效率，实现减人提效。此外，通过监控系统调取各台水泵的数据来科学分析各台水泵的电能消耗情况，以合理调整开泵方式，保证排水设备运行在最佳状态，并有效节约电能。

参考文献

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