煤矿井下排水自动化系统的研究与设计

张献龙 王 娇 孔二伟,3

（1.平顶山天安煤业股份 六矿，河南 平顶山467000；2.平顶山天安煤业股份 二矿，河南 平顶山467000；3.河南理工大学，河南 焦作454003）

0 引言

随着国家的科技投入，煤矿矿山数字化建设日益迫切，如何实现地面远程控制监测井下大型机电设备、减员增效、节约能源等需求日益迫切。目前，绝大部分的煤矿均建设有千兆工业以太环网，这么宽的带宽如何有效的利用，发挥其更大的作用，也越来越被研究。

全国自动化程度较高的煤矿，如神话神东公司、兖矿集团、徐矿集团、平煤集团都已经把井下的泵房集控、皮带集控、工业电视、环网平台等系统进行了综合集成，极大的提高了生产、安全水平，为煤矿安全高效生产、减人提效提供了技术保障。

1 系统结构

排水自动化系统主要由以下五部分组成。

1.1 地面自动化控制中心

地面监控站设置在集中控制中心，通过工作站对井下泵房相关设施进行集控和监视。主要设备、设施包括工作站、显示器、不间断电源、语音报警装置等。

1.2 数据传输线路

单泵、现场操控及显示装置与主控设备之间通过现场总线完成实时数据双向传输。

主控设备与矿井机房及调度中心通过环网或光缆实现系统实时数据双向传输。

1.3 泵房监控单元

泵房监控单元由矿用隔爆兼本安型监控分站、 信号采集装置、传感器等组成，主控制站作为井下控制部分的通信核心，完成分站监控信息与地面控制中心的监控信息交互传递。 同时，通过在现场的操作显示屏，为井下巡检人员提供整个系统的运行情况。

井下监控单元结构如图所示，对于需控制的中央泵房系统，中央泵房电控柜已具备微机综合保护器， 现已有手动操作的电控系统，实现自动控制需再增设控制单元。信息化整体设计在每个泵房设置了一个通讯主站，每个泵设置一个通讯分站，该监控主站可兼作本泵房设备的控制单元，地面控制中心的控制指令通过以太网或专用通讯光缆下达到通讯主站与分站，由其控制泵系统的相应动作。

1.4 语音预警

语音报警包含地面集控中心实时语音报警、泵房现场实时语音报警。

地面集控中心语音报警： 能够全面实时完成系统内各种报警，通过工程师站驱动对应的报警装置，实现实时报警。

泵房现场语音报警：依据泵房实际需求，预先定制好语音报警内容，系统控制主站综合采集的实时数据进行及时判断，确定符合程序设定报警条件，由系统程序驱动相对应的报警内容。 同时能够实现定制泵房简介播报及各种欢迎用语等。

1.5 视频巡检

主要由摄像仪、专用导轨、驱动电机、主控设备等组成，能够实现就地控制摄像仪按照预设目标移动、能够实现图像远传存储及实时监视、能够依据预设程序要求自动移动到对应目标，能够实现图像拉远拉近、变焦等功能，能够随时显示摄像仪当前位置。

系统结构图如图1：

图1

2 系统具体设计

2.1 主控设备

泵房排水自动化系统采用分布式结构，在井下泵房设立一套矿用隔爆见本安型可编程控制主站， 配套一个矿用本安型集中控制操作台，完成对泵房内各受控设备的集中控制；每台泵设立一台矿用隔爆兼本安型综合接入网关，配套矿用本安型显示控制箱完成就地单泵控制；地面设立工程师站，双机热备，远程监测控制系统设备，实时显示系统数据，及时播报系统故障及报警点，形成历史记录，供后期查询及打印报表等。

2.2 系统数据

井下控制主站作为整个系统的核心， 向上实现实时全双工通信，接受远程工程师站控制命令及各参数设置， 及时反馈现场实时数据；通过井下集中控制操作台向控制主站向发送主控命令，由控制主站执行各程序流程，同时在集中控制操作台实现显示系统信息；向下与各泵网关进行总线通信，主站与各泵网关之间实时数据双向传输。

2.3 系统供电

系统配套矿用隔爆型不间断电源，为系统主控设备提供不间断电源。

3 系统控制方式

系统有四种控制方式：就地手动、就地自动、远程控制、无人值守。

3.1 就地手动

采用手动操作时， 由井下操作人员根据生产需要以及设备状况，通过操作操作台上的按钮，实现设备的启动、停止。

3.2 就地自动

在操作台上发出启动命令，水泵的电动球阀、电动闸阀及电机等设备，按照设定流程启动。当集控操作台发出停止命令后，水泵系统将关闭闸阀后，停止电机。

3.3 无人值守

系统根据水仓水位个高低及用电时间，实现水泵自动启停。

3.4 远程控制

水泵的启停由地面控制， 同时可以实现无人值守与远程自动、远程手动间的切换。

4 系统功能

4.1 故障停泵

1）水泵在自动控制工作方式下运行发生故障时，计算机将按照所设定的停泵程序自动停止运行水泵。

2）水泵在“检修”工作方式下运行，当发生故障需要停泵时，应按下列顺序操作：

同时关闭管路的手动闸阀，严禁阀门在开通位置停机；

待阀门关闭到位后，停电动机；

不论水泵在哪一种工作方式下运行， 当发生故障需要紧急停泵时，司机可按下“急停”按纽(带机械自锁)。

3）故障停泵后，查明故障原因，立即向有关领导汇报。

4）按下“故障复位”按纽，使系统恢复正常，为启动备用水泵做好准备。

4.2 水泵自动轮换

为了防止备用泵、电气设备和备用管路长期不用而导致设备受潮或出现其他故障未经及时发现，当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以至影响矿井排水安全，控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录累计，系统根据这些运行参数按一定规律自动启停水泵，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当水泵在启动或运行过程中出现故障时，系统自动停止故障水泵、投入新的水泵排水，实现水泵自动轮换工作，同时系统自动发出声光报警，并在操作屏和地面操作站上动态闪烁显示，记录事故，达到有故障早发现、早处理。

4.3 自动控制

系统控制设计选用了西门子300 系列为控制主机， 该PLC 为模块化结构，由数字量I/O、模拟量输入、通讯口等模块构成。PLC 自动化控制系统根据水仓水位的高低或者根据井下用电负荷的高、低峰和供电部门所规定的平段、谷段、峰段供电电价时间段等因素，建立数学模型，合理调度水泵，自动准确发出启、停水泵的命令，控制水泵运行。

为了保证井下安全生产，系统可靠运行，水位信号是水泵自动化一个非常重要的参数，因此，系统设置在不同水舱的两套超声波水位传感器，PLC 将接受到的模拟量水位信号分成若干个水位段， 计算出单位时间内不同水位段水位的上升速率， 从而判断矿井的涌水量，也本系统可以同时检测井下供电电流值，计算用电负荷率，根据矿井涌水量和用电负荷， 控制在用电低峰和一天中电价最低时开启水泵，用电高峰和电价高时停止水泵运行，以达到避峰填谷及节能的目的。

4.4 动态显示

就地动态模拟显示选用操作屏，地面操作站系统动态模拟显示采用组态王组态软件开发，系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动闸阀的运行状态， 采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警，直观地显示电磁阀和电动闸阀的开闭位置，实时显示水泵抽真空情况和出水口压力值。

用实时趋势图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位，并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警，用事先录制的语音提示形式提醒操作人员注意。

采用图形、趋势图和数字形式直观地显示趟管路的瞬时流量及累计流量、水泵轴温、电机温度等动态值，超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据， 并通过每台水泵的流量计算出水泵的有效功率，以提醒巡检人员及时检修或更换水泵。

4.5 现场编程

用户可在现场通过面板上的键盘对系统参数进行修改。

4.6 组网功能

该分站挂接在中央变电所的交换机上，通过交换机与全矿综合自动化系统连接。

4.7 水泵运行计量/时间/运行统计

图2 动态显示图

在地面控制站上应可分别对每台水泵的运行电耗、工作时间等进行统计，便于管理人员及时掌握每台水泵的工况。

4.8 图形曲线显示

在地面控制站上应可实时显示各设备运行图。并提供开放式的图形制作软件，用户可描绘各种动态图形、静态图形，同时支持多种图形格式，图形画面具有链接功能，可以很方面地切换其它画面显示。可显示实时曲线，可显示年、月、日个时间段的历史曲线和具体数据表。

4.9 实时报警/报警记录

在现场PLC 控制器上可汉字显示各故障信息并报警， 在地面控制站上可显示现场单元当前的报警信息以及保存的报警记录。

图3 报警信息查询

5 结语

煤矿井下排水系统在煤矿的应用越来越广泛，切实提高了矿井的生产效率，实现了减员增效，提高了安全生产的可靠性，通过管理制度的调整，最终实现了无人值守作业，对煤矿科技水平的提高和新型生产工艺的探索有重要的意义。

［1］付铁斌,王洪林.矿井排水系统监测装置的研制[J].煤矿安全,2004.

［2］宋杰,肖兴明,张宪锋,马驰.PLC 在煤矿井下主排水控制系统中的应用[J].煤矿机械,2006，5.

［3］袁小东，邓先明，王冬冬，卢佳，张敏.基于以太网的煤矿排水综合自动化系统[J].工况自动化,2009，7.