煤矿井下水涡无人值守的自动控制系统

2013-12-23李小明张志峰

机械工程与自动化 2013年2期

曹昱，李小明，张志峰

（山西科达自控工程技术有限公司，山西太原 030006）

0 引言

煤矿水害是井下三大灾害（瓦斯、冒顶、水灾）之一，其中水灾害的严重程度仅次于瓦斯爆炸。近年来，随着煤矿开采水平的不断加深，煤矿井下透水已经成为矿难频繁发生的主要原因之一。水害事故的频繁发生不仅严重制约了我国煤矿的高效安全开采，而且造成了重大的人员伤亡和财产损失。

煤矿井下水涡无人值守的自动控制系统主要针对井下临时排水点（简称水涡）和永久性水涡实现无人值守的自动化控制。本系统的研究和实施，一方面可自动为煤矿水情预警系统提供原始数据，对井下水情作出预判断，将煤矿水害事故降到最低，改变以往矿井涌水量由人为计算准确性差的局面；另一方面，整个系统实现了无人值守和自动化控制，保证了矿井的正常安全生产，节省了大量的人力物力，提高了工作效率。

1 井下水涡无人值守自动控制系统的工作原理

本系统主要采用先进的PLC 控制技术和通讯技术，通过智能开关控制水泵的启停，对水涡排水进行无人值守的自动化控制。

系统通过检测水涡的水位、压力、温度、流量等相关参数控制水泵工作，同时与智能开关柜采用MODBUS方式通讯，采集开关柜中的电压、电流、功率等电量参数和开关柜的启停信号及故障信息；利用井下现有的工业以太网骨干网络实现数据的远程传输，排水装置与网络接口采用有线直接接入或无线WiFi传输技术将数据传送到地面生产调度中心；可对运行状态实时显示及远程控制，实现相关数据的实时监测及报警功能；可根据液位实现水泵的自动启停控制，根据水位的上升速率和排水量等检测矿井涌水量实现水情预警。

通过上位机监控系统以图形、图像、数据、文字等方式，直观、形象、实时地反映水泵工作状态、水涡的水位以及温度、压力、流量等参数和开关柜的电压、电流、功率、开停信号、故障信号等信息，

通过水情预警软件，采用多种计量方式，对水情进行数据处理，实现分级计量、区域计量、总体计量、分级预警、区域预警、综合预警等功能。

2 井下水涡无人值守自动控制系统的实施方案

本系统的具体实施方案是：在每个水涡点（水涡点数量大约200个）安装水涡排水装置矿用隔爆兼本质安全型水泵自动控制装置及相应传感器，采用有线或无线接入光纤环网将数据上传到地面监控室，地面监控室设计算机软件监控系统和水情预警分析软件对整个井下排水进行远程管理和数据监控。

2.1 系统构成

本控制系统主要由水涡排水控制装置、传感器（液位、流量、压力、温度）、水泵启动柜（利用现有的）、无线或有线通讯设备、光纤传输环网、地面远程管理系统组成。各水涡点排水装置可根据实际的位置采用以下两种方式接入骨干环网：①对距离环网交换机较近的水涡点，可采用直接接入交换机的方式；②对无法直接接入环网的水涡点采用无线WiFi传输的方式。井下水涡无人值守自动控制系统构成如图1所示。

2.2 系统功能

2.2.1 多种控制方式

具有就地、远程切换和手动、自动等多种控制方式。

在自动方式下，排水系统根据液位高低情况自动启停控制，当水位输入信号超过水位上限设定值时，自动控制水泵运行；当低于水位下限设定值时，自动停止水泵运行；出现故障时，可通过上位机显示并记录。

手动模式下为检修或试验设备，就地模式下为现场控制，远程模式下为地面监控室控制，远程自动控制模式为无人值守的控制模式。

2.2.2 实时数据采集

排水装置采集温度传感器、压力传感器、水位传感器、流量传感器的数据，同时采集开关柜的电流、电压等数据，并将采集到的数据统一上传到地面集控室显示，用于对水泵运行情况的统一监测。

图1 井下水涡无人值守自动控制系统构成

2.2.3 数据转存和参数下传

数据处理子系统将采集到的实时数据存储到数据服务器。数据服务器依靠制定的处理策略，对实时数据加工、汇总、抽取、分离，满足不同等级和重点的分析需求。同时，数据处理子系统将上位机配置好的设备运行参数下发至PLC设备。

2.2.4 水情分析和预警

水情预警分析系统依靠已做处理的各类汇总数据，按区域、管线和水涡点为范围分别对水流量和水位做分时、日、月、季度以及年的变化分析和同期对比和环比分析，参考特定的水情预警模型，对水情异常变化作出判断。

3 系统上位机监测画面

通过上位机实时监测画面可以实现各水涡点、水涡点支线、区域、全矿井的水情监测，并且采用多种计量方式（分级计量、区域计量、总体计量）对水情进行数据处理。根据这些统计数据，当水涡点的出水量超过一定安全数值，上位机直接显示预警（分级预警、区域预警、综合预警），通知生产工人及时处理紧急情况，以保障生产的安全进行。整个系统的上位机监测画面如图2所示，具体某个水涡点的监测数据画面见图3。

通过上位机对监测采集到的井下水涡数据进行分类汇总，实现了按区域、管线和水涡点为范围的区分，分别对水流量和水位做分时、日、月、季度以及年的变化分析、同期对比分析和环比分析（如图4所示），并参考特定的水情预警模型，对水情异常变化作出判断。