周劍寧

（大連京信置業(yè)有限公司， 遼寧 大連 116033）

引言

目前，大部分礦井中的排水采用了人工與半自動(dòng)化的排水系統(tǒng)相結(jié)合，存在人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、井下排水效率低、自動(dòng)化排水程度低等問(wèn)題，也給企業(yè)帶來(lái)了更大的費(fèi)用支出[1]。為此，國(guó)家在2009 年也出臺(tái)了《煤礦防治水規(guī)定》文件，規(guī)定需實(shí)現(xiàn)井下自動(dòng)化、無(wú)人化的自動(dòng)排水遠(yuǎn)程操作，以此推動(dòng)礦井中智能化排水系統(tǒng)的發(fā)展。

1 礦井排水控制系統(tǒng)控制功能確定及排水方式選擇

1.1 控制系統(tǒng)主要功能

根據(jù)當(dāng)前的排水現(xiàn)場(chǎng)，需設(shè)計(jì)一套礦井排水自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要功能包括如下幾點(diǎn)[2]：

1）系統(tǒng)需具有較快的計(jì)算、分析能力，數(shù)據(jù)采集精度較高，信息處理量大；

2）能夠?qū)ΦV井中水位高度、關(guān)鍵設(shè)備溫度、工作壓力等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析處理；

3）能對(duì)各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行界面的實(shí)時(shí)顯示和系統(tǒng)異常的聲光報(bào)警提示，并對(duì)故障類(lèi)型及故障發(fā)生點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)提示；

4）能對(duì)整套排水控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程、無(wú)人化自動(dòng)控制操作，根據(jù)避峰填谷的方式進(jìn)行排水泵的自動(dòng)啟?？刂?；

5）具有與礦井智能化工作面集成的通訊接口，以便后期能加入至智能化工作面的建設(shè)中。

1.2 排水方式選擇

排水系統(tǒng)包括直接排水和分段排水等方式，其中，直接排水具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所需排水泵數(shù)量小、基建及運(yùn)行費(fèi)用少、維護(hù)工作量小等特點(diǎn)。由于大部分礦井的涌水量較小、水平高度低等特點(diǎn)，故此次研究主要選用直接排水的方式進(jìn)行排水系統(tǒng)分析，即通過(guò)設(shè)計(jì)多個(gè)排水泵，經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)礦井中液位高度進(jìn)行檢測(cè)后，啟動(dòng)排水泵，開(kāi)始對(duì)礦井中地表水進(jìn)行抽取排放，所抽地表水直接排至于專(zhuān)門(mén)的排水通道中[3]。

2 礦井排水控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合礦井中排水現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于PLC 的井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括了地面水泵集中監(jiān)控系統(tǒng)、以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、PLC 控制柜、集中操作箱、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備等，其中，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備包括了液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、指示燈等，主要負(fù)責(zé)對(duì)井下液位高度、設(shè)備工作溫度、出水及水泵的壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過(guò)RS485 傳輸至至本地控制箱和PLC 控制柜中進(jìn)行信號(hào)的A/D數(shù)字轉(zhuǎn)換、運(yùn)算及處理[4]。PLC 控制柜中設(shè)計(jì)了克爾公司生產(chǎn)的隔爆兼本安監(jiān)控型PLC 控制器、信號(hào)變送器、中間繼電器等，主要負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收、轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大，之后傳遞至PLC 控制器中進(jìn)行各類(lèi)信號(hào)的運(yùn)算、分析，以此發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。集中控制柜則包括了現(xiàn)場(chǎng)所需的按鈕開(kāi)關(guān)、蜂鳴器、電源開(kāi)關(guān)、顯示屏等，能將井下排水中的相關(guān)信號(hào)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和集中控制。地面集中監(jiān)控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收PLC 傳輸?shù)母黝?lèi)信號(hào)，通過(guò)組態(tài)界面進(jìn)行各類(lèi)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，人員可通過(guò)此顯示界面對(duì)井下水泵執(zhí)行遠(yuǎn)程操作控制。該井下排水控制系統(tǒng)的總體框架圖如下頁(yè)圖1 所示。

3 礦井排水控制系統(tǒng)關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)

3.1 PLC 監(jiān)控分站及電動(dòng)控制閥門(mén)設(shè)計(jì)

處理器是整個(gè)井下排水控制系統(tǒng)中的核心，選擇具有抗爆性、運(yùn)行速度快的處理器，是保證控制系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的重要。為此，選擇了羅克爾公司生產(chǎn)的具有隔爆兼本安監(jiān)控型的PLC 控制器。該控制器具有2 個(gè)1 000 MB 以上的冗余光接口，能適用于超過(guò)16 個(gè)以上的RJ45 接口，所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能通過(guò)RS485 接口進(jìn)行通訊連接，開(kāi)關(guān)量輸入和模擬量輸入具有32 路和8 路，可通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入接口和模擬量輸入接口，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的排水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收采集和內(nèi)部數(shù)據(jù)的高效運(yùn)行處理，由此向執(zhí)行單元發(fā)出控制命令，并向上機(jī)位主機(jī)傳輸相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

圖1 煤礦井下排水控制系統(tǒng)總體框架圖

3.2 液位傳感器選型設(shè)計(jì)

準(zhǔn)確獲得井下水倉(cāng)水位的高度，是保證整個(gè)井下排水水倉(cāng)的避峰就谷。為此，選擇了市場(chǎng)上成熟的GUCS10 型液位傳感器。此儀器主要采用了超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)井下水位高度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)深度可達(dá)12 m 以上，其工作電壓平臺(tái)為DC 12 V，輸出電流為20 mA，超聲波的測(cè)量范圍為0.2～0.8 m，發(fā)出扇形的超聲波[5]。

在礦井中，選擇了2 套傳感器，主要將其安裝在被測(cè)液位的上部，在通電狀態(tài)下，通過(guò)傳感器前端的探頭發(fā)出高頻的超聲波脈沖信號(hào)，所經(jīng)過(guò)的空氣距離L 為儀器的檢測(cè)深度，當(dāng)脈沖信號(hào)傳遞至檢測(cè)液面時(shí)會(huì)被反射回來(lái)，探頭在接收到反射波之后，將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)儀器中的RS485 接口，將信號(hào)傳輸至PLC 控制器中進(jìn)行信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換和運(yùn)算處理。其中，由于信號(hào)傳輸具有一定速度和時(shí)間差，故通過(guò)將發(fā)射和接收信號(hào)的時(shí)間差與傳輸速度相乘，即可得到水位的實(shí)際高度。液位傳感器的檢測(cè)示意圖如圖2 所示。

3.3 顯示控制箱、信號(hào)采集設(shè)備與監(jiān)控分站連接設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)中各分系統(tǒng)之間的相互連接，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)信號(hào)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效傳輸，故對(duì)采集設(shè)備與監(jiān)控分站、顯示控制器之間的通訊進(jìn)行了連接。采集設(shè)備所輸出信號(hào)中出水壓力、真空負(fù)壓等信號(hào)與顯示控制箱之間則采用了2 芯的雙絞通信線進(jìn)行端子連接，而水泵的水泵溫度、電機(jī)溫度等信號(hào)與顯示控制箱之間則通過(guò)12 芯的雙絞通信線進(jìn)行端子連接，經(jīng)過(guò)顯示控制箱中的PLC 處理轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，將其在顯示箱中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。而控制箱與監(jiān)控分站之間則主要通過(guò)12 芯雙絞通信線進(jìn)行連接，可將采集的壓力、流量及溫度等信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。另外，所設(shè)計(jì)的液壓傳感器檢測(cè)信號(hào)則直接通過(guò)2 芯雙絞通信線與監(jiān)控分站進(jìn)行通訊。各部分的通訊連接示意圖如圖3 所示。

圖2 液位傳感器檢測(cè)水位示意圖

圖3 控制、采集與顯示單元之間的連接框架圖

4 礦井排水控制系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

結(jié)合所設(shè)計(jì)的井下排水控制系統(tǒng)，在曹家灘礦井中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，主要是對(duì)該系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集精度、水泵運(yùn)行情況、信號(hào)傳輸及處理情況、系統(tǒng)監(jiān)控顯示情況等方面進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試周期為6 個(gè)月。在測(cè)試過(guò)程中，整套控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，液位、電機(jī)溫度、水泵真空度等信號(hào)能通過(guò)顯示界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，人員可通過(guò)顯示界面對(duì)井下水泵進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制，各類(lèi)數(shù)據(jù)運(yùn)行后，能進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存，人員可通過(guò)查詢(xún)功能對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢(xún)，如下頁(yè)圖4 所示。當(dāng)井下水位超過(guò)相應(yīng)閥值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警提示，并即可啟動(dòng)排水水泵，執(zhí)行排水操作；若排水過(guò)程中出現(xiàn)了異常故障問(wèn)題，該系統(tǒng)也能及時(shí)將相應(yīng)的故障類(lèi)型及故障位置通過(guò)顯示界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，人員可快速對(duì)故障問(wèn)題進(jìn)行故障處理。整個(gè)自動(dòng)化遠(yuǎn)程操作性相對(duì)較高，大大降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。據(jù)該礦井負(fù)責(zé)人介紹，該控制系統(tǒng)的應(yīng)用，一年將為企業(yè)減少將近100 萬(wàn)元以上的費(fèi)用支出，且大大提高了井下排水作業(yè)及操作人員的安全性，具有重要的礦井應(yīng)用價(jià)值。

圖4 歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)界面