KJ164 煤礦排水監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與應用

王 鵬

（大同煤礦集團白洞礦業(yè)公司， 山西 大同 037001）

1 KJ164 煤礦排水監(jiān)測系統(tǒng)概述

大同煤礦集團白洞礦業(yè)公司C5 號層主排水泵房擔負著將全礦井井下水排至地面的重任，布置有主、副水倉，主副水倉容積均為1 200 m3，通過一定高度的連通渠在吸水井處將主副水倉聯(lián)通；主水倉設(shè)置有兩個吸水井，吸水井底部通過連通渠直接相連；水泵房布置有3 臺水泵，水泵型號為MD280-65×7，水泵額定排水量280 m3/h；配套電機型號為YB2-4503-4，電動機功率為630 kW；水泵房設(shè)有兩趟Φ200 排水管路，通過主排水泵房管子道、930 材料暗斜井、東404 聯(lián)絡(luò)巷及主立井排至地面礦井水處理廠。根據(jù)大同煤礦集團公司智能化礦井的要求，為實現(xiàn)主排水泵房的無人值守，經(jīng)公司領(lǐng)導研究決定在C5 號層主排水泵房安裝KJ164 煤礦排水監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)過2 年的使用，證明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主排水泵房無人值守功能，并且在地面控制機室將數(shù)據(jù)報表打印出來，用以分析水泵運行情況及井下排水量變化情況，對指導和預防井下水災具有一定意義。

2 KJ164 煤礦排水監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理及功能

2.1 系統(tǒng)工作原理

KJ164 煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)的主站系統(tǒng)是基于B/S/C（browse/sever/client）三層結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其組成大致分為井下水泵控制站以及地面操作站兩部分，二者之間采用工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)相互連接[1]。其中PLC 控制為主站控制器，主要作用是對排水泵、管道閥門、水倉水位、電動機等參數(shù)進行自動化控制與監(jiān)測，依據(jù)水泵運行期間參數(shù)變化、水倉水位變化、閘閥狀態(tài)及電動機運行參數(shù)的檢測實現(xiàn)對水泵運行的科學控制。而以太網(wǎng)模塊是井下水泵控制站進行傳感器、控制器信號傳輸至地面操作站的主要途徑[2]。另外，地面操作站設(shè)有上位機，上位機通過組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件進行數(shù)據(jù)的處理與控制，實現(xiàn)地面控制水泵的啟動與停止；井下水泵控制站設(shè)有就地控制操作臺，操作臺上設(shè)置有液晶觸摸屏，液晶觸摸屏使用TCP/IP 協(xié)議與上位機通訊，傳輸速率為10/100 Mbit/s 自適應。同步顯示上位機上所用的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2.2 系統(tǒng)組成

1）控制箱及PLC 控制箱。KJ164 煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)使用的KXB660 礦用隔爆型控制箱可置于煤礦井下，用于監(jiān)測井下各種環(huán)境參數(shù)、設(shè)備開停狀態(tài)等，實現(xiàn)對被控電氣設(shè)備的起動、斷電以及閉鎖的控制。與KXJ127 礦用隔爆兼本安型PLC 控制器配接使用，PLC 控制器輸出開關(guān)控制信號給控制箱，控制箱接收到開關(guān)量信號驅(qū)動繼電器開閉，繼電器輸出端控制控制箱交流接觸器輸入端的有無繼而控制交流接觸器后級輸出端觸點的開閉，可實現(xiàn)低電壓DC24V 控制交流660 V 設(shè)備的開停。

2）操作臺。操作臺與KXJ127 礦用隔爆兼本安型PLC 控制器配接使用，配備有液晶顯示屏，可顯示水泵房所有設(shè)備的工作狀態(tài)及故障信息，同時操作臺具有按鈕式開關(guān)量輸出功能，實現(xiàn)操作臺就地控制水泵的功能。

3）電動閘閥。將原來手動閘閥更換為電動閘閥。電動閘閥具有手動和電動兩種操作模式，在電動模式中，通過機械傳動實現(xiàn)電動閘閥開到位、關(guān)到位及過力矩故障控制，配合PLC 和液晶顯示屏實現(xiàn)閘閥狀態(tài)顯示。

4）放風球閥及引水球閥。在原來放風球閥和引水球閥的管路上并聯(lián)接入了電動的放風球閥和引水球閥，從而實現(xiàn)了電動控制和手動控制兩種操作模式。

5）液位傳感器。采用投入式液位變送器，利用所測液體靜壓與該液體的高度成正比的原理，采用陶瓷電容壓力敏感傳感器，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過線性修正轉(zhuǎn)化為標準電信號供PLC 使用。

6）壓力傳感器。壓力傳感器由供電電源、壓力傳感器、單片機、頻率信號輸出等部分組成。傳感器的電源部分向壓力傳感頭提供工作電源，壓力傳感器把壓力差變換成微弱的電信號，微弱的電信號經(jīng)過單片機程序變換成數(shù)字信號，單片機對數(shù)字信號進行運算和處理，并且把壓力值以頻率信號輸出。

7）溫度傳感器。溫度傳感器的感溫元件為PT100鉑熱電阻，利用感溫部件PT100 其輸出電阻值與施加溫度成正比的工作原理來測量溫度，適用于對煤礦機電設(shè)備的溫度進行連續(xù)測量。

8）流量計。采用超聲波流量計是唯一能實現(xiàn)非接觸式測量的流量計。超聲波在流體中傳播時會承載流體流速的信息，通過接收穿過流體的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而計算出流量。

9）光纖攝像儀。攝像機由本安外殼、鏡頭、CCD、光發(fā)射板以及接線端子組成。外界景物的光線通過玻璃視窗進入鏡頭，聚焦在攝像頭的CCD 芯片上，由CCD 攝像頭輸出全電視信號，將采集到的實時圖像轉(zhuǎn)換為視頻電信號、視頻光信號、網(wǎng)絡(luò)電信號、網(wǎng)絡(luò)光信號輸出。配合硬盤錄像機可以實現(xiàn)水泵房的實時監(jiān)控和錄像，方便了水泵房無人職守的管理。

2.3 系統(tǒng)控制功能及保護功能

2.3.1 控制功能

KJ164 煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)分為上位機網(wǎng)絡(luò)控制、就地自動控制、就地手動控制[3]。上位機網(wǎng)絡(luò)控制時，需將水泵房操作臺選擇遠控位置處，然后上位機管理員登錄后可按照水泵工操作規(guī)程對水泵控制，完成水泵的啟動和停止。就地自動控制，需將水泵房操作臺選擇近控位置處，然后按照水泵工操作規(guī)程通過操作臺按鈕對水泵控制，完成水泵的啟動和停止。就地手動控制則水泵工按照以前的操作方法，完成水泵的啟動和停止。

2.3.2 保護功能

1）超溫保護：水泵長期運行，當軸承溫度或定子溫度超出允許值時，通過溫度監(jiān)測裝置及PLC 實現(xiàn)超限報警。

2）電動機故障：當軟啟動開關(guān)因過電流、漏電、低電壓等電氣故障無法合閘時，PLC 將會把開關(guān)故障傳送至上位機及觸摸屏。

3）電動閘閥故障：電動閘閥設(shè)置有過力矩保護，當電動閘閥扭轉(zhuǎn)力矩超過固定值時，將顯示過力矩故障，閘閥電動機將不能開閉閘閥，從而達到保護閘閥電動機的目的。同時，PLC 將故障信息顯示至上位機及液晶顯示屏，以便及時發(fā)現(xiàn)并處理故障。

4）液位保護：當液位超出設(shè)置的液位上限和下限時，PLC 會在上位機及液晶顯示屏上顯示液位高和液位低，從而讓工作人員得知何時開泵，何時停泵。

2.3.3 預警報警功能

KJ164 煤礦排水監(jiān)測系統(tǒng)對運行過程中的水泵出現(xiàn)的故障分為“預警”和“報警”。其中預警信息僅通過報警對話框提示用戶預警信息，不會對系統(tǒng)進行任何操作。故障報警對運行中的水泵出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)將自動停止運行中的水泵，并報警提示用戶[4]。

3 KJ164 煤礦排水監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)缺點

3.1 系統(tǒng)優(yōu)點

1）先進性。該系統(tǒng)采用PLC 控制程序模塊化結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可按程序模塊分段調(diào)試，分布運行。該程序結(jié)構(gòu)具有清晰、簡捷、易懂，便于模擬調(diào)試，運行速度快等特點。同時可以根據(jù)客戶的需求對內(nèi)部程序進行編程，來滿足不同設(shè)備的需求，具有良好的設(shè)備兼容性。

2）可靠性。該系統(tǒng)內(nèi)部電氣元件、電纜及防爆外殼嚴格按照防爆及防水設(shè)計規(guī)范進行設(shè)計制造，具有防爆、防火、防水、防腐蝕等優(yōu)點，保證設(shè)備在水泵房潮濕環(huán)境等惡劣條件下仍然正常運行。

3）安全性。該系統(tǒng)中的操作臺、電動球閥、攝像頭、溫度傳感器、壓力傳感器及液位傳感器采用本質(zhì)安全性設(shè)計，可以實現(xiàn)在井下各地點安裝都具有本質(zhì)安全保障，大大提高其使用安全性。

4）實用性。該系統(tǒng)實現(xiàn)了水泵房的無人值守功能，提高了水泵房的自動化管理水平，消除了水泵運行噪聲對水泵工的職業(yè)危害。

3.2 系統(tǒng)缺點

KJ164 煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)的唯一不足是缺少對水泵和電動機振動的準確監(jiān)測，不能預防因震動引起的固定螺栓松動進而造成水泵聯(lián)軸節(jié)損壞的事故。

4 結(jié)語

主排水泵房作為煤礦井下安全生產(chǎn)的重點部位，KJ164 煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)在主排水泵房的成功安裝使用，提高了水泵房的自動化控制水平，減少了噪聲對煤礦工人的職業(yè)危害，減少了水泵房的人工成本，為礦井智能化奠定了基礎(chǔ)。