水峪煤業(yè)井下排水監(jiān)控系統的設計及測試研究

宮 強

（汾西礦業(yè)集團水峪煤業(yè)有限公司，山西 孝義 032300）

由于國家發(fā)展的需要，近年來，加大了煤礦的開采力度，而煤礦的開采會產生較大程度的積水，這給井下作業(yè)安全造成了威脅［1］。井下排水系統是有效解決井下積水問題的關鍵系統，而監(jiān)控系統則是排水系統的核心系統。不斷加大對井下排水系統中監(jiān)控系統綜合性能的升級設計，成為當下保證排水系統正常運行及作業(yè)安全的關鍵，將排水監(jiān)控系統引入排水系統，對井下排水系統進行動態(tài)監(jiān)控，保證穩(wěn)定高效的運行，具有重要的推廣應用價值［2］。因此，在分析井下排水監(jiān)控系統設計的基礎上，開展了監(jiān)控系統的總體方案設計，并對該系統中PLC控制器、主要傳感器及顯示界面等方面進行設計研究，最終將所設計的監(jiān)控系統在汾西礦業(yè)集團水峪煤業(yè)進行了應用測試，驗證了該監(jiān)控系統的穩(wěn)定性及可行性，這對后期監(jiān)控系統的推廣應用奠定了基礎。

1 井下排水監(jiān)控系統設計的重要性

井下排水系統是煤礦生產系統的重要組成部分，其系統結構主要包括泵房、水倉、排水管路、多級排水泵、潛水泵、監(jiān)控系統、控制系統等。保證各分系統的高效、穩(wěn)定運行，對提高井下排水效率及作業(yè)安全至關重要［3］。據估算，在煤礦開采中，開采一噸煤，會產生將近5～7 t的積水；同時，井下也時常出現突然的較大量的滲水現象，導致井下的積水迅速增加，若未及時將井下積水排出，則很可能引發(fā)井下積水及設備損壞事故［4］。而井下排水系統能及時排除井下積水，并通過管路將積水從井下排出至井口以外;而監(jiān)控系統則是整體排水系統的核心系統。目前，排水監(jiān)控系統雖在井下進行了實際應用，但大部分煤礦中的排水監(jiān)控系統存在智能化程度較低、數據檢測精度較低、系統運行穩(wěn)定性較差等問題，無法較全面地對井下排水相關信號參數進行實時采集及處理分析，極易產生信號顯示不及時、信號誤報等故障現象，嚴重影響著井下排水系統的正常運行及作業(yè)安全［5］。因此，有必要采用更加先進的控制、監(jiān)控技術，加大對排水監(jiān)控系統的升級設計，以保證井下的作業(yè)安全。

2 排水監(jiān)控系統的總體設計

排水監(jiān)控系統作為井下排水系統的重要組成部分，將目前先進的計算機控制技術、無線通信技術、數字化字化控制技術應用到監(jiān)控系統，實現系統的優(yōu)化升級改進，已成為當下重要的研究方向。因此，由山西科達自動化公司工程師和礦方工程技術人員組成的設計團隊，選用汾西礦業(yè)集團水峪煤業(yè)中為研究對象，對該煤礦的排水系統進行了排水監(jiān)控系統的設計研究。設計了包含井下監(jiān)控系統、遠程監(jiān)控中心、設備層及操作層等方面內容，而系統的控制核心則選用了西門子的S7-300PLC控制器，系統通訊采用了CAN總線方式進行通訊，下端配備了包括YZ602型壓力傳感器、LED-99DE流量傳感器及CY-DB42型液位傳感器等數據檢測設備。監(jiān)控系統的總體結構方案見圖1。在此方案中，通過下端的4個分站，分別對排水系統的相關數據進檢測，由接收天線傳遞至數據接口，經過PLC控制器分析處理后，將相關信號傳遞至監(jiān)控計算機，計算機通過HUB集線器，將各類數據信號進行分類傳輸至服務器、網絡終端等，實現對井下排水的有效監(jiān)控及故障報警。同時，遠程監(jiān)控中心通過服務器與客戶端進行數據傳輸，對數據進行分析、處理、存儲及監(jiān)控，從而實現了數據的遠程、快速傳輸與排水狀態(tài)的監(jiān)控。

圖1 井下排水監(jiān)控系統總體結構方案

3 控制系統主要模塊設計

3.1 監(jiān)控系統PLC控制器設計

PLC控制器是井下排水監(jiān)控系統的核心部分。選用了市場成熟的西門子S7-300型PLC控制器。該控制器設計了模擬量輸入/輸出模塊、數字量輸入/輸出模塊、開關量輸入/輸出模塊、通訊模塊、CPU模塊等模塊［6］，其外形見圖2。其中，井下水泵電機開關、水泵管路開關、急停開關等信號則通過PLC控制器中的開關量輸入/輸出模塊進行信號輸入；而井下電機轉速、工作溫度、電流大小、功率等則通過模擬量輸入/輸出模塊進行信號輸入；井下環(huán)境中的氧氣濃度、濕度、壓力大小等信號則通過數字量輸入/輸出進行信號獲取及輸出。另外，在PLC中各模塊的工作電源采用的24VDC電源，可通過PLC中的CPU中的電壓及外部的AC/DC轉換電源進行供電。西門子PLC與其他品牌不同的是，在其內部設計了濾波電路，可有效實現對外部干擾信號的隔離。所選用的PLC控制器具有較高的控制性能，能較好的滿足井下排水系統的有效控制，保證井下作業(yè)環(huán)境的安全。

圖2 S7-300PLC控制器

3.2 主要傳感器選型設計

井下排水系統主要由電機、水泵、各類閥門、管道等組成，因此，所設計的監(jiān)控系統需實現對水位高度、流量、水泵的運行壓力、電機工作狀態(tài)等方面信號檢測，選用性能穩(wěn)定，檢測精度較高的傳感器尤為重要。下面就排水監(jiān)控系統中的流量傳感器及液位傳感器進行選型設計分析。

（1）流量傳感器

流量傳感器主要安裝在排水管道上，負責對水泵中的水位的流量進行檢測。經過篩選對比，選用了LED-99DE型流量傳感器，其外形見圖3。該傳感器具有數據檢測精度高，設備性能穩(wěn)定，抗干擾性強等特點，一方面可對水泵的運行狀態(tài)進行檢測，當水泵出現問題時，可向PLC發(fā)出相應提示，并做出水泵運行狀態(tài)的實時調整；另一方面則可完成對排水系統的有效檢測，當排水系統出現故障問題時，流量傳感器也能發(fā)出相應的提示，協助完成對排水系統故障的排除。

圖3 LED-99DE型流量傳感器實物

（2）液位傳感器

有效控制排水系統中水位高度，是整個排水監(jiān)控系統的核心。由于排水過程中，經常出現管路滲水或漏水現象，加上所滲漏出的水中帶有一定的酸堿性，大量滲、漏水的長期積累，也將出現各類淤泥的堆積現象。因此，選用了兩個同種規(guī)格的CYDB42型液位傳感器，其實物見圖4。該傳感器具有較強的抗腐蝕性及防水等級，能較好適應井下環(huán)境；同時，所設計的兩個液位傳感器安裝于水倉的不同部位。當兩個液位傳感器檢測的信號參數基本相同時，則認為檢測數據準確；當兩個傳感器檢測數據差距較大時，則認為水位檢測有問題，需進行水位的再次復查及檢測，以保證了所檢測水位的準確性。

圖4 液位傳感器實物

3.3 監(jiān)控系統顯示界面設計

結合現有的組態(tài)軟件設計功能，對排水監(jiān)控系統的顯示界面進行了設計。在該顯示界面中設計了管路流量顯示、管路壓力、閥門開度、水泵運轉情況、水倉液位值、報警功能、數據報表、數據曲線等功能，并將各類數據信號通過數字或流動畫面等方式進行顯示，整個顯示界面見圖5。同時，在該顯示界面中，能對電機的啟停、設備的開關等情況進行控制及顯示；當所檢測的數據值超過相應閥值時，該顯示界面則會發(fā)生相應的黃色報警，并在整個流程圖中對異?，F象發(fā)生位置進行實時顯示，以快速方便地對操作人員發(fā)出故障信息的提示。另外，通過顯示界面中的報表輸出，可將排水系統中的各類信號參數進行打印及數據存儲，由此，完成對整個井下排水系統的全面監(jiān)控。

圖5 排水監(jiān)控系統顯示界面

4 控制系統的測試驗證

為進一步掌握所設計的井下排水監(jiān)控系統的穩(wěn)定性及可行性，將該監(jiān)控系統用于汾西礦業(yè)集團水峪煤業(yè)的井下進行了將近6個月的現場應用測試。測試結果表明：該監(jiān)控系統各項功能運行正常，且能對排水過程中的各類信號參數進行實時檢測，并通過顯示界面進行相關數據及排水系統運行狀態(tài)的實時顯示，當系統出現故障問題時，也能將相關故障信息通過顯示界面進行顯示。與該煤礦現有的監(jiān)控系統相比，其監(jiān)控的遠程控制功能更加強大，顯示更加直觀。據現場人員介紹，該監(jiān)控系統能使排水系統故障問題排除率提高約50%，并使井下排水系統作業(yè)安全性提高了將近45%。按照一年估算，可給企業(yè)節(jié)約將近50萬的相關費用支出，得到了現場人員及企業(yè)管理人的一致認可。由此，驗證了所設計的排水監(jiān)控系統具有一定的可靠性及可行性，可對該井下排水監(jiān)控系統進行推廣應用。

5 結語

將更加先進的控制技術及設備應用到井下排水監(jiān)控系統中，已成為目前提升排水系統工作效率及作業(yè)安全的關鍵。因此，通過對井下排水監(jiān)控系統的重要性進行分析，進而開展了監(jiān)控系統總體方案的設計，并對監(jiān)控系統關鍵模塊進行了設計。為驗證該系統的監(jiān)控性能，將其在汾西礦業(yè)集團水峪煤業(yè)進行了應用測試。結果表明：與現有的監(jiān)控系統相比，所設計的排水監(jiān)控系統運行正常，監(jiān)控功能更加全面，能使排水系統中的故障排除時間縮短將近50%，并為企業(yè)節(jié)約將近50萬元/年的費用支出，得到了相關人員的一致好評，建議將此系統進行推廣應用。