礦井排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

摘 要：在礦山生產(chǎn)過程中，礦井排水系統(tǒng)發(fā)揮了十分重要的作用。利用礦井排水系統(tǒng)可將井下涌水排除，從而為礦下作業(yè)創(chuàng)造一個(gè)安全、穩(wěn)定的環(huán)境。目前，很多礦井水泵房主要還是采取水位報(bào)警與人工操作相結(jié)合的傳統(tǒng)排水模式，水位檢測精度偏低，操作隨意性較大，無法對礦井涌水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及科學(xué)調(diào)度?；诖?，文章對礦井排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了綜合性闡述，并提出了相關(guān)設(shè)計(jì)方案，以供參考。

關(guān)鍵詞：礦井排水；自動(dòng)化監(jiān)控；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 礦山井下涌水現(xiàn)象概述

礦井涌水是礦井作業(yè)過程中常見的現(xiàn)象之一，主要是由于礦井巷道采空區(qū)漏水所致，水源則包括地表水、大氣水分及采空區(qū)水等。采礦時(shí)，采掘空間可能會(huì)造成圍巖應(yīng)力場發(fā)生改變，導(dǎo)致地下含水系統(tǒng)與圍巖的平衡狀態(tài)受到破壞，產(chǎn)生過水通道，導(dǎo)致股狀水流突破圍巖，涌入礦井當(dāng)中[1]。這種突發(fā)性涌水現(xiàn)象，水壓較高且水量較大，維持時(shí)間較長，會(huì)給礦井帶來嚴(yán)重危害。若涌水現(xiàn)象較為嚴(yán)重，將會(huì)導(dǎo)致表土層、中砂層水疏干而引發(fā)地表不規(guī)律下沉，甚至造成地表塌陷，對附近建筑、道路、農(nóng)田等均可能產(chǎn)生破壞，造成人員傷亡。因此，在礦井作業(yè)時(shí)，必須做好相應(yīng)的排水工作，并構(gòu)建出一個(gè)完整的礦井排水系統(tǒng)，以保證礦井開挖的安全性，為企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益提供保障。

2 系統(tǒng)需求目標(biāo)分析

從國內(nèi)大部分礦井水泵房情況來看，水位檢測控制主要還是依靠傳統(tǒng)方法，利用超限報(bào)警裝置配合人工操作進(jìn)行排水。這種傳統(tǒng)方法應(yīng)急性較差且自動(dòng)化程度較低，需要人工現(xiàn)場操作，存在較多潛在性安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著礦井開采規(guī)模的不斷加大，這種傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法滿足實(shí)際應(yīng)用需求[2]。而自動(dòng)化排水管理系統(tǒng)的出現(xiàn)讓上述情況得到了很大的改觀，在提升礦井作業(yè)安全性的同時(shí)，也提升了礦井生產(chǎn)效率，降低了排水能耗，并起到了節(jié)約成本的作用。

從系統(tǒng)需求方面來看，礦井排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可對各臺(tái)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行整合性管理、分析，主要包括液位信息及溫度信息。通過中央控制系統(tǒng)可對水泵房運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。系統(tǒng)可對水流、數(shù)量等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，以對水泵開機(jī)、停機(jī)進(jìn)行調(diào)控。若水倉水量超過闕值時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)調(diào)動(dòng)水泵進(jìn)行排水作業(yè)，實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)化排水。另外，系統(tǒng)除了具備排水控制功能外，還具備了一定輔助功能。例如，系統(tǒng)具備了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理功能，可用于數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、邏輯模型及控制數(shù)據(jù)維護(hù)，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)故障率；系統(tǒng)具備了人員管理功能，可將相關(guān)人員信息輸入于系統(tǒng)當(dāng)中，對人員進(jìn)行合理分配，并且系統(tǒng)會(huì)將用戶權(quán)限賦予相關(guān)人員，保證系統(tǒng)操作的安全性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)主要包括四個(gè)部分：（1）地面控制中心。地面控制中心是整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的樞紐，其中包括操作系統(tǒng)軟件、組態(tài)軟件及數(shù)據(jù)庫等部分。（2）水泵房監(jiān)控裝置。水泵房監(jiān)控動(dòng)態(tài)主要由電控箱、模擬量檢測模塊、開關(guān)量檢測模塊及操作臺(tái)構(gòu)成。模擬量檢測模塊中又含有模擬量傳感器、數(shù)字量傳感元件、電纜及相關(guān)附件。（3）遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)由以太環(huán)網(wǎng)所構(gòu)建。水泵房監(jiān)控平臺(tái)利用遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)與地面監(jiān)控中心相連接，并可實(shí)時(shí)通訊，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括閥門控制箱與高壓啟動(dòng)器，其控制對象主要包括高壓電機(jī)與電動(dòng)閥門。

3.2 子模塊設(shè)計(jì)分析

礦井排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括以下模塊：

（1）模擬量檢測模塊。模擬量檢測模塊當(dāng)中含有各類模擬量傳感器，具體包括功率變送器、電流傳感變送器、溫度傳感變送器、流量傳感變送器及水位傳感變送器。利用這些傳感器可對主排水系統(tǒng)的各種模擬量參數(shù)進(jìn)行檢測，以獲取水位、主排水管路流量、水泵運(yùn)行電流、水泵溫度、電機(jī)溫度計(jì)及電能損耗等信息[3]。模塊獲取這些信息后將其傳遞至系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以判斷模塊是否正常工作。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)值范圍或達(dá)到臨界闕值，便會(huì)由系統(tǒng)對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行調(diào)控，以保持正常排水狀態(tài)。

（2）開關(guān)量檢測模塊。開關(guān)量檢測模塊主要檢測對象為排水泵高壓柜中的相關(guān)設(shè)備開關(guān)，包括真空斷路器、真空接觸器、電動(dòng)閥等設(shè)備的開關(guān)，還可對真空泵工作狀態(tài)進(jìn)行檢測。所得到的數(shù)據(jù)也會(huì)反饋至分析模塊進(jìn)行判斷。利用開關(guān)量檢測模塊可判斷開關(guān)是否正常工作，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)或信號(hào)異常，系統(tǒng)會(huì)采取保護(hù)措施，重啟開關(guān)或?qū)㈤_關(guān)信號(hào)接入PLC。

（3）液位信息模塊。液位信息模塊主要是對水倉液位、排水管流量等信息進(jìn)行采集、分析，并可將相關(guān)數(shù)據(jù)整合為曲線，以便于用戶觀察實(shí)際排水狀況[4]?？紤]到礦井排水現(xiàn)場環(huán)境較為特殊，水體渾濁度較高，如果只是使用一般的接觸式傳感器，礦井水體易造成探頭損壞。因此，應(yīng)選用超聲波液位傳感器對液位信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。該類型傳感器不僅測量精度較高，而且安裝便捷、輸出信號(hào)較為穩(wěn)定，在井下環(huán)境中具有良好的適用性。

（4）溫度采集模塊。通過溫度信息可將水泵的工作狀態(tài)反映出來，以判斷水泵是否處于良性狀態(tài)。溫度采集模塊主要負(fù)責(zé)水泵溫度信息采集，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具備了預(yù)警功能。此模塊先會(huì)采集溫度信息數(shù)據(jù)，并將其傳遞至系統(tǒng)進(jìn)行分析，若發(fā)現(xiàn)溫度值超過正常范圍，則會(huì)由系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，并將異常溫度信息反饋至用戶，以便于及時(shí)調(diào)整水泵工作狀態(tài)，保證水泵正常運(yùn)行[5]。溫度采集模塊當(dāng)中，溫度傳感器選用鉑電阻，其電阻值能跟隨溫度變化而發(fā)生改變，性能較為穩(wěn)定，靈敏性好，且具備較高的精度。

（5）數(shù)據(jù)分析模塊。數(shù)據(jù)分析模塊在整個(gè)礦井排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)起到了中樞作用，可對各類采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此來判斷水泵具體運(yùn)行狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息異常，則會(huì)引導(dǎo)系統(tǒng)調(diào)試，直至系統(tǒng)恢復(fù)至正常工作狀態(tài)為止。

（6）開停機(jī)模塊。開停機(jī)模塊是系統(tǒng)的執(zhí)行模塊。數(shù)據(jù)分析模塊對采集信息進(jìn)行分析后，便會(huì)將相關(guān)指令發(fā)送至開停機(jī)模塊，開停機(jī)模塊便可根據(jù)排水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，對泵開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)開、停機(jī)動(dòng)態(tài)化監(jiān)控，讓系統(tǒng)始終保持良性運(yùn)行狀態(tài)。

（7）數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心組成，其會(huì)對所有采集信息數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并為相關(guān)操作執(zhí)行提供基礎(chǔ)。

整個(gè)系統(tǒng)以PLC為基礎(chǔ)，并在PLC上添加了一個(gè)以太網(wǎng)模塊。利用以太網(wǎng)模塊可將設(shè)備信息、運(yùn)行狀態(tài)信息、故障信息等設(shè)備模擬量及開關(guān)信息數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸至地面控制中心，而地面控制中心可將相關(guān)反饋指令通過以太網(wǎng)傳輸至PLC，即完成指令調(diào)控。

4 結(jié)束語

利用礦井排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)排水自動(dòng)化操作，為排水泵安全運(yùn)行提供基礎(chǔ)，有利于促進(jìn)企業(yè)安全生產(chǎn)，為企業(yè)整體效益提供保障。

參考文獻(xiàn)

[1]王盛杰，李小喜，許春雨.礦井主排水自動(dòng)化監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)[J].中國礦業(yè)，2014（12）：147-151.

[2]李順，巨明偉.基于PLC的礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2011（10）：89-91.

[3]李春華，夏國良，魏超全.礦井排水智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2014（1）：57-59+63.

[4]寇彥飛，楊潔明，寇子明.基于安全節(jié)能的礦井自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭工程，2016，（1）：31-34.

[5]于圣濤.淺談礦井排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[J].科協(xié)論壇（下半月），2013（9）：53-54.