礦井主排水自動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

王盛杰，李小喜，許春雨，田 敏，宋建成，王曉軍

(1.太原理工大學 煤礦裝備與安全控制山西省重點實驗室，山西 太原 030024；2.晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司寺河礦，山西 晉城 048205)

井下排水系統(tǒng)是煤礦四大生產(chǎn)系統(tǒng)之一，擔負著井下涌水排除的重要任務，其能否正常運行直接影響著整個礦井的安全生產(chǎn)。井下排水系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，不僅影響井下生產(chǎn)，甚至會使礦井淹沒，危及工人生命。2010年3月28日山西省王家?guī)X煤礦發(fā)生透水事故，事故造成153人被困。經(jīng)全力搶險，115人獲救，另有38名礦工遇難。可見，研制礦井主排水監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)已是當務之急。

國內多數(shù)礦井仍采用傳統(tǒng)繼電器控制方式[1]，該方式以人工手動控制為主，因而水位檢測精度不高，操作隨意性大，無法實現(xiàn)涌水量的實時監(jiān)測和排水過程的科學調度。涌水量突然增大時，操作人員若未及時發(fā)現(xiàn)和處理，將導致重大安全事故的發(fā)生。另外，國內少數(shù)煤礦已采用了自動化排水裝置，但其控制功能不健全，不能滿足排水系統(tǒng)控制要求；同時，系統(tǒng)故障率高、可靠性差；這嚴重制約了我國煤礦井下安全管理水平的提高[2-3]。因此，研發(fā)功能齊全、可靠性高的煤礦排水系統(tǒng)極具必要性和現(xiàn)實意義。

根據(jù)國家《煤炭工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中“開展井下排水設備的技術攻關和示范工程建設，推廣先進排水設備的技術研發(fā)和適用技術”[4]的要求，太原理工大學、晉城煤業(yè)集團等單位合作，結合晉城煤業(yè)集團寺河礦東區(qū)+350中央泵房的現(xiàn)場實際運行需要，研制開發(fā)了一種礦井主排水自動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)井下現(xiàn)場監(jiān)控和地面遠程監(jiān)控二級監(jiān)控的目標；具有四種控制模式，可實現(xiàn)中央泵房的全自動運行，并可在井下人員撤離后，地面遙控井下設備進行排水作業(yè)；同時配備多種后備保護，大大增強了系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)硬件結構

結合礦方實際需求，針對寺河礦東區(qū)+350中央泵房現(xiàn)有設備，本文設計的系統(tǒng)結構如圖1所示。由圖可見本系統(tǒng)采用上位機結合下位機的二級網(wǎng)絡控制結構[5]。上位機即地面監(jiān)控中心，設置在地面調度室，由工控機、操作系統(tǒng)軟件、組態(tài)軟件平臺和數(shù)據(jù)庫軟件等部分組成。下位機即泵房監(jiān)控裝置，設置在井下泵房，由操作臺、電控箱、傳感元件和執(zhí)行機構等部分組成。其中傳感元件包括模擬量傳感器和數(shù)字量傳感元件。執(zhí)行機構主要包括高壓起動器、閥門控制箱。高壓起動器和閥門控制箱具有就地電動和遠程電動兩種控制模式。在PLC出現(xiàn)故障時，就地電動控制模式可實現(xiàn)后備控制。

1.2 系統(tǒng)硬件設計原理

本系統(tǒng)共210路輸入輸出信號，其中22路模擬量輸入信號，134路數(shù)字量輸入信號，54路數(shù)字量輸出信號。由于I/O點數(shù)量多，數(shù)據(jù)處理任務重，本系統(tǒng)選用適合中型控制系統(tǒng)的西門子S7-300系列PLC。電源模塊采用PS307，CPU模塊采用CPU314，數(shù)字量輸入模塊采用SM321，數(shù)字量輸出模塊采用SM322，模擬量輸入模塊采用SM331。采用CP343作為以太網(wǎng)通訊模塊，實現(xiàn)泵房監(jiān)控裝置與地面監(jiān)控中心的遠程通訊[6]。采用威綸公司觸摸屏作為人機交互界面。采用組態(tài)王6.55[7]作為上位機組態(tài)軟件。泵房監(jiān)控裝置中的PLC與人機交互界面之間采用RS485進行通訊[8]。

圖2為系統(tǒng)硬件原理圖。由圖2可見，模擬量傳感器采集小井液位、水泵入水口負壓、水泵出水口壓力、管網(wǎng)流量、泵用電機溫度、泵用電機電流等參數(shù)信息，并通過模數(shù)轉換將采集的信息傳輸?shù)紺PU中進行處理。同時，數(shù)字量傳感元件采集操作臺面板狀態(tài)、閥門狀態(tài)和泵用電機啟停狀態(tài)，經(jīng)數(shù)字量輸入模塊傳輸?shù)紺PU中。CPU對采集到的信息進行綜合、分析、計算和判斷，輸出控制信號，驅動相應的執(zhí)行機構，進行排水作業(yè)。人機界面與PLC實時通訊，就地顯示系統(tǒng)信息。地面監(jiān)控中心通過通訊模塊，實時監(jiān)控井下設備。

圖1 系統(tǒng)硬件結構

圖2 系統(tǒng)硬件原理

1.3 傳感器布局設計

晉城煤業(yè)集團寺河礦東區(qū)+350中央泵房裝備有三臺機組，一臺工作、一臺備用、一臺檢修。每臺機組包括一臺離心式水泵、一臺高壓電機及一臺高壓起動器；安裝有兩趟排水管路，排往地面。

根據(jù)泵房結構，傳感器布局如下：①每個液位監(jiān)測點，分別配超聲波液位傳感器和礦用投入式液位傳感器兩種傳感器，增強液位檢測的可靠性；②根據(jù)插入式超聲波流量計距離閥體應大于5倍管路直徑的工程要求，以及現(xiàn)場管路狀況，在主排水管路的每個出口處加裝一臺超聲波流量傳感器，檢測出口處的實時流量；③每臺機組各安裝一臺正壓傳感器和一臺型號負壓傳感器，分別裝在水泵的出水口和入水口位置，檢測正壓值和負壓值；④每臺機組各安裝2個鉑熱電阻溫度傳感器，分別檢測泵用電機前、后軸承溫度。

各傳感器的布局圖如圖3所示。其中電流變送器安 裝在高壓起動器內部，圖中未作標注；正、負壓傳感器、溫度傳感器的布局只在1#機組中標注。

圖3 傳感器布局示意圖

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 系統(tǒng)功能要求

根據(jù)現(xiàn)場實際需求，系統(tǒng)程序具有以下功能。

1)監(jiān)測參數(shù)。電機及水泵軸承溫度、電機電流、管路流量、水倉水位、正壓值、負壓值、電動閘閥的工作狀態(tài)與開關限位、電動球閥狀態(tài)工作狀態(tài)與開關限位、泵用電機高壓起動器分合閘狀態(tài)等。

2)地面監(jiān)控中心及操作臺人機界面以圖形和數(shù)據(jù)形式實時動態(tài)顯示各監(jiān)測參數(shù)。

3)系統(tǒng)需進行用戶登陸、用戶退出、用戶管理等操作，防止非法操作；系統(tǒng)可記錄操作人員工號、操作內容、時間等，確保排水設備安全運行、責任到人。

4)地面監(jiān)控中心及井下人機界面實時顯示報警信息；系統(tǒng)自動保存歷史報警信息，用戶可通過數(shù)據(jù)庫方便地查詢歷史報警信息。

5)地面監(jiān)控中心不斷采集井下設備運行信息、傳感器數(shù)據(jù)等參數(shù)，同時將采集的數(shù)據(jù)儲存于SQL sever數(shù)據(jù)庫中，并進一步分析、處理，最終形成報表和歷史曲線，以便查詢。

6)地面監(jiān)控中心還可將有關信息在WEB網(wǎng)頁上發(fā)布；也可以通過礦井網(wǎng)絡系統(tǒng)將有關信息傳送到全礦井綜合自動化平臺。

7)系統(tǒng)具有手動控制、半自動控制、自動控制、遠程控制四種控制模式。①手動控制。手動操作操作臺轉換開關和按鈕，實現(xiàn)閥門和水泵的單步控制。②半自動控制。一鍵實現(xiàn)排水作業(yè)和停機作業(yè)，并具有故障保護退出功能。③自動控制。系統(tǒng)根據(jù)既定參數(shù)、實際工況及避峰填谷原則，實現(xiàn)各臺水泵的輪流運行，也可在特殊情況下自動控制多臺水泵聯(lián)合運行。④遠程控制。遠程監(jiān)控中心授權條件下操作計算機鼠標和鍵盤遠程控制水泵及閥門的啟停。

2.2 地面監(jiān)控中心軟件設計

地面監(jiān)控中心采用計算機技術、數(shù)據(jù)庫技術、軟件工程和網(wǎng)絡技術等進行開發(fā)，主要負責存儲、統(tǒng)計和分析井下上傳的運行數(shù)據(jù)、事件信息、操作記錄、故障報警等信息，并可在授權條件下遠程控制井下設備。組態(tài)軟件平臺選用組態(tài)王6.55監(jiān)控軟件，數(shù)據(jù)庫軟件采用SQL sever數(shù)據(jù)庫。圖4為地面監(jiān)控中心功能框圖。

圖4 地面監(jiān)控中心功能框圖

2.3 井下監(jiān)控裝置主程序設計

本系統(tǒng)采用西門子公司的STEP7 V5.5作為PLC編程平臺。采用結構化編程方式[9]，按工藝控制流程，將一個軟件系統(tǒng)分解為不同的部分，每部分編寫子程序，主程序通過調用子程序來完成監(jiān)控任務。PLC主程序框圖如圖5所示。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)初始化子程序對程序所使用的變量存儲區(qū)賦初始值。其中，報警值存儲區(qū)通過PLC操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)塊賦初始值，因此，報警值可以掉電保持。

2.4 模擬量處理子程序

在PLC控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)類型可以分為數(shù)字量信號和模擬量信號。本系統(tǒng)模擬量信號輸入PLC前均轉換為標準的4～20mA電流信號，之后經(jīng)過PLC模擬量輸入模塊的數(shù)模轉化功能完成A/D轉化。模擬量處理子程序的作用是對A/D轉化后的數(shù)字量進行換算，最終得到實際值。本系統(tǒng)采用分辨率為12位的模擬量輸入模塊，其單極性全量程輸入范圍對應的十進制數(shù)字量為0～27648。圖6所示即為A/D轉換時數(shù)值間的數(shù)學關系。

圖5 PLC主程序框圖

圖6 A/D轉換時數(shù)值間的數(shù)學關系

根據(jù)數(shù)字量和模擬量、數(shù)字量和實際值的之間的數(shù)學關系，可推導得測物理量的實際值。

式中：M為被測物理量的實際值；Mmax和Mmin分別表示變送器或傳感器可測物理量的最大值和最小值；N為A/D轉換后的數(shù)字量。

2.5 人機界面控制子程序

人機界面(操作臺顯示屏)作為一種帶微處理器的智能終端，可實現(xiàn)人和機器之間的信息交互，具有強大的圖形處理功能和擴展接口。人機界面控制子程序由威綸顯示屏自帶的EB8000編程軟件平臺編寫。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，人機界面控制子程序主要完成系統(tǒng)信息實時顯示、系統(tǒng)報警等任務。圖7為人機界面的畫面組成結構。系統(tǒng)報警方式：當某一參數(shù)超限時，畫面中的報警列表出現(xiàn)紅色報警字樣，操作臺上蜂鳴器通電，聲光報警；正常時報警字樣消失，蜂鳴器斷電。

圖7 人機界面的畫面組成結構

2.6 報警子程序

報警子程序主要實現(xiàn)被監(jiān)測量超限后的報警，可實現(xiàn)設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測功能。高限報警(低限)報警：若被監(jiān)測量大于(小于)報警限值，畫面報警，并輸出報警信號。報警值設定對應表如表1所示。本系統(tǒng)中，由管路流量值和電機電流值共同判斷水泵是否正常抽水。

報警限值依據(jù)被監(jiān)測設備使用說明書或技術手冊中要求進行預先設定，在系統(tǒng)實際運行中進行修正后得到。

表1 報警值設定對應

注：表中n為當前正在運行的水泵臺數(shù)。

3 實驗室調試及現(xiàn)場應用

3.1 實驗室調試

實驗是檢驗系統(tǒng)設計方案合理性、評價系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一種重要手段，也是改進系統(tǒng)功能的必要途徑。本文在實驗室進行了傳感器調試試驗、整機聯(lián)調試驗，并對結果進行了分析。

傳感器是整個系統(tǒng)的“眼睛”，其精度和線性度性直接決定了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、信息傳遞的準確性。本文對各模擬量傳感器進行了線性度擬合、精度測量試驗。試驗表明：流量傳感器精度≤1.0%；溫度傳感器精度≤1.0%；壓力傳感器精度≤0.5%；水位傳感器精度≤0.5%；電流變送器精度≤0.5%。滿足系統(tǒng)設計要求。

系統(tǒng)的整機聯(lián)調試驗就是在實驗室條件下模擬井下現(xiàn)場環(huán)境，搭建實驗平臺，進行系統(tǒng)的整體調試，如圖8所示。用電路板模擬現(xiàn)場數(shù)字量輸入信號；盛滿水的塑料桶模擬水倉，24V直流電動機模擬泵用電機。

圖8 系統(tǒng)實驗室聯(lián)機調試

在整機聯(lián)調實驗中，對系統(tǒng)各功能進行了詳細測試。測試結果表明：系統(tǒng)功能較為完善，四種控制模式均能可靠運行、順利轉換，數(shù)據(jù)采集精度高，模擬量模塊分辨率達14位，網(wǎng)絡通訊實時可靠，數(shù)據(jù)發(fā)送誤碼率≤1×10-6，達到了預期的功能設計指標；井下人機界面和遠程監(jiān)控中心畫面實時數(shù)據(jù)顯示一致，完成了二級監(jiān)測監(jiān)控設計目標。

3.2 現(xiàn)場應用

本系統(tǒng)已成功應用于晉煤集團寺河礦東區(qū)+350中央水泵房，且連續(xù)運行超過7個月?，F(xiàn)場運行結果表明，下位機能夠及時準確地采集系統(tǒng)參數(shù)信息，并在四種控制模式下可靠運行；通訊網(wǎng)絡能進行安全、可靠的數(shù)據(jù)傳輸；上位機能夠實時顯示井下各參數(shù)，依托歷史曲線和歷史數(shù)據(jù)庫有效查詢歷史數(shù)據(jù)、歷史報警信息，遠程監(jiān)測井下設備運行情況，并進行報警，在授權情況下遠程控制井下設備。

4 結束語

針對當前我國礦井主排水系統(tǒng)控制功能落后、故障率高、可靠性差等問題，研制開發(fā)了一種礦井主排水自動化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。

1)設計了地面上位機與井下下位機相結合的二級網(wǎng)絡控制結構，可實現(xiàn)對井下泵房的統(tǒng)一配置、統(tǒng)一管理。

2)設計了手動控制、半自動控制、自動控制和遠程控制相結合的控制模式，可實現(xiàn)井下泵房的全自動運行，并可在井下人員撤離后，地面遙控井下設備進行排水作業(yè)，提高了系統(tǒng)的控制效率和系統(tǒng)的可靠性。

3)設計搭建了實驗室試驗平臺，可實現(xiàn)在實驗室條件下模擬井下現(xiàn)場環(huán)境，測試系統(tǒng)軟硬件功能，進行系統(tǒng)的整機調試。

4)完成了系統(tǒng)工業(yè)試運行，本系統(tǒng)在晉煤集團寺河礦東區(qū)+350中央水泵房連續(xù)運行超過5個月?，F(xiàn)場運行結果表明，本系統(tǒng)功能齊全、工作穩(wěn)定、運行可靠，可有效提高礦井主排水系統(tǒng)的控制水平，改善其管理模式，實現(xiàn)井下中央泵房的無人化或少人化運行。

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