蔡先振，湯偉軍

電光防爆科技（上海）有限公司，上海，201112

0 引言

目前，在煤礦井下排水系統(tǒng)中，水泵房里的水泵數(shù)量配置一般以3臺至5臺為主，水泵配置要滿足1用1備1檢修的最低要求。由于很多煤礦都存在建礦時間早、水泵老化、運(yùn)行年限長、電機(jī)功率大、維護(hù)困難、運(yùn)行工況復(fù)雜等問題，由人工憑借經(jīng)驗(yàn)來保障排水設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是件非常困難的事情，這對于煤礦生產(chǎn)造成較大的安全隱患。另外，水泵的運(yùn)行通常采用傳統(tǒng)的人工操作方式，例如水泵啟動前需要執(zhí)行射流泵抽真空、管路流量監(jiān)測、水倉水位監(jiān)測等動作指令。由于人工操作存在流程復(fù)雜、主觀因素多、高壓設(shè)備危險(xiǎn)、開泵時間長、閘閥操作慢、自動化程度低等問題，再繼續(xù)采用人工操作的方式就不能滿足現(xiàn)代化礦井安全生產(chǎn)的需求。另外，人工操作方式存在人工用量大、高水平高素質(zhì)人員較少、設(shè)備的隱蔽故障難以發(fā)現(xiàn)、突發(fā)故障難以及時解決等問題。突發(fā)故障時，值班人員不能快速、有效地解決這些故障，從而給煤礦的安全生產(chǎn)造成了一定的損失。如何避免水泵老舊設(shè)備事故的發(fā)生，以及如何快速有效地處理故障是目前亟需解決的問題。KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)就是針對這一系列的問題而提供了一整套的解決方案。

1 KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究分析

1.1 KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)是通過工程師站把PLC控制器、觸摸屏、視頻、高壓智能保護(hù)器等設(shè)備的各種數(shù)據(jù)和信息采集到數(shù)據(jù)庫中，上位機(jī)軟件平臺根據(jù)實(shí)際需要對采集到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，把抽象的數(shù)據(jù)信息以圖像、曲線或報(bào)表的形式展現(xiàn)出來；同時，工程師站發(fā)出控制指令（如啟動/停止命令、故障復(fù)位、參數(shù)整定命令等）傳送給現(xiàn)場的PLC控制器、高壓智能保護(hù)器等設(shè)備來執(zhí)行。

1.2 KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

KJ531煤礦排水系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)、CAN通信、RS485通信以及網(wǎng)絡(luò)視頻的結(jié)構(gòu)模式，根據(jù)設(shè)備的不同功能，整個監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架分為數(shù)據(jù)控制層、數(shù)據(jù)傳輸層和現(xiàn)場設(shè)備層。控制層通過服務(wù)器負(fù)責(zé)采集分析數(shù)據(jù)并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要發(fā)布相應(yīng)的控制指令；數(shù)據(jù)傳輸層通過環(huán)網(wǎng)和交換機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸；現(xiàn)場設(shè)備層負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機(jī)服務(wù)器的命令并傳輸反饋現(xiàn)場設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。整套系統(tǒng)的具體架構(gòu)如下：

（1）控制層：冗余工程師站（Force control 7.2軟件）、SQL數(shù)據(jù)庫、視頻服務(wù)器、打印機(jī)、音響等。

（2）數(shù)據(jù)傳輸層：數(shù)據(jù)傳輸接口、千兆環(huán)網(wǎng)、光纜、光電轉(zhuǎn)換模塊等。

（3）設(shè)備層：PLC控制柜、操作臺、聲光信號器、閘閥控制箱、高壓智能保護(hù)器、電動閘閥、礦用真空泵、高清防爆攝像儀、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)、正壓傳感器、負(fù)壓傳感器、振動傳感器、外貼溫度傳感器、管路流量傳感器、水倉液位傳感器、電機(jī)預(yù)埋溫度傳感器、控制屏蔽線纜、防爆接線盒等。

1.3 KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場采集和控制的各種信號

（1）監(jiān)控信號：通過采集各類傳感器的數(shù)據(jù)信息傳輸給PLC控制器[1]，PLC處理以后傳輸給人機(jī)界面或是上位機(jī)進(jìn)行顯示；

（2）控制信號：根據(jù)采集到的各類監(jiān)控信號以及外部輸入的操作指令，PLC程序按照設(shè)定的工藝流程來執(zhí)行相關(guān)的動作命令；

（3）通信信號：PLC采集到的各類監(jiān)控信號以及執(zhí)行的相關(guān)控制命令均可以通過通信的方式傳給第三方設(shè)備，也可以把第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)通過通信的方式采集到PLC中來。

具體的各種信號如下圖所示：

2 KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)與上位機(jī)功能

（1）PLC下位機(jī)多種控制模式：控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)控和就地兩種控制模式。遠(yuǎn)控模式具有自動輪換、一鍵啟停、遠(yuǎn)控手動、液位自動、避峰填谷五種工作方式；就地模式具有就地自動、就地手動、就地檢修、避峰填谷四種工作方式。在所有工作方式中就地功能優(yōu)先。

（2）PLC下位機(jī)的自動輪換功能：在實(shí)際使用中，通常要求水泵是處于1用1備1檢修的狀態(tài)，往往存在1臺泵經(jīng)常使用，而另外兩臺泵很少使用的情況[2]。為防止1臺泵因經(jīng)常使用而導(dǎo)致使用壽命下降而其他泵由于長期不用且存在故障又未及時發(fā)現(xiàn)的情況發(fā)生，本系統(tǒng)特設(shè)計(jì)了多臺泵自動輪換控制的工藝流程。該工藝流程的原理是：PLC根據(jù)每臺水泵的啟停次數(shù)、運(yùn)行時間、電流大小、避峰填谷、不同管路的使用次數(shù)等外部參數(shù)按照一定的工藝流程自動控制水泵和選擇相應(yīng)的排水管路，盡量做到讓各臺水泵及管路的使用時間均衡統(tǒng)一。當(dāng)某臺運(yùn)行的水泵發(fā)生故障或是所屬閥門發(fā)生故障時，水泵系統(tǒng)現(xiàn)場會自動發(fā)出聲光報(bào)警信號同時把報(bào)警信息上傳給上位機(jī)，上位機(jī)會同步發(fā)出故障報(bào)警信號并做記錄，與此同時，發(fā)生故障的水泵會自動退出輪換工作，其余正常的水泵和管路會根據(jù)程序設(shè)定好的順序自動執(zhí)行輪換工作，做到故障盡早排除，確保煤礦安全生產(chǎn)。

（3）PLC下位機(jī)的避峰填谷功能：系統(tǒng)通過安裝的高精度液位傳感器實(shí)時采集水倉液位并傳遞給PLC，PLC在接收到水倉液位信號后并結(jié)合排水量以及水倉進(jìn)水量，根據(jù)設(shè)定的程序流程計(jì)算出單位時間內(nèi)水倉水位的上升速度，同時檢測水泵電機(jī)的電流大小，爭取把水泵的運(yùn)行控制在一天當(dāng)中的用電低峰或是一天中電價(jià)最低的時刻，在用電高峰和電價(jià)較高的時間段自動停止水泵運(yùn)行，以達(dá)到水泵房用電避峰填谷的目的。

（4）PLC下位機(jī)的自動控制功能：現(xiàn)場的PLC控制器根據(jù)設(shè)定的程序功能，通過采集水倉液位的高低來判斷是否達(dá)到自動開泵要求、并結(jié)合井下用電負(fù)荷的高、低峰來實(shí)現(xiàn)避峰就谷的功能，PLC控制器會根據(jù)程序里已經(jīng)建立的數(shù)學(xué)模型來控制水泵的啟停，并且做到出現(xiàn)險(xiǎn)情時及時發(fā)出報(bào)警信號并上傳給上位機(jī)[3]。

（5）上位機(jī)3D界面顯示：上位機(jī)界面做成3D圖形的效果，可以形象顯示泵房里各種設(shè)備狀態(tài)，可以把水泵抽水的過程以三維動畫的形式顯示，可以把防爆電動閘閥的打開和關(guān)閉過程以動畫的形式顯示，可以把水倉液位的變化情況和管路排水的情況以動畫的形式顯示，可以把電機(jī)、配電柜、閘閥的運(yùn)行狀態(tài)以3D圖形顯示。在3D界面上，可以直觀地顯示電動閥的開/閉位置，可以實(shí)時顯示正壓、負(fù)壓、流量、液位、電參數(shù)、水泵運(yùn)行狀態(tài)、振動、電機(jī)溫度、泵體溫度等參數(shù)。

（6）上位機(jī)抽象數(shù)據(jù)直觀顯示功能：上位機(jī)軟件把現(xiàn)場采集的各類抽象數(shù)據(jù)通過用圖形、曲線、報(bào)表等形式顯示出來。對現(xiàn)場采集到的管路瞬時流量及累計(jì)流量、開關(guān)柜的電參數(shù)、水泵軸溫、電機(jī)溫度、正壓、負(fù)壓、液位、閘閥開度等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行動態(tài)顯示。對于各類超限報(bào)警數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行故障數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以自動記錄故障類型、故障時間并保存在歷史數(shù)據(jù)庫中。上位機(jī)以聲光報(bào)警形式提醒工作人員及時檢修，避免設(shè)備損壞。上位機(jī)用圖形填充及趨勢曲線形象、準(zhǔn)確、實(shí)時地顯示水倉水位，并根據(jù)設(shè)定的相關(guān)報(bào)警限值發(fā)出預(yù)警信號，對于水倉的低位、超低位、高位、超高位分段報(bào)警，可以用不同報(bào)警語音提醒現(xiàn)場工作人員注意并把報(bào)警信息上傳給上位機(jī)記錄保存。

（7）系統(tǒng)可以顯示和記錄管路的工作時間、電機(jī)啟/停次數(shù)，可以自動、準(zhǔn)確匯總各臺泵的排水量并生成報(bào)表，有利于開展目標(biāo)成本管理、節(jié)能降耗。

（8）上位機(jī)顯示、記錄各臺水泵的電流、電壓、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、開關(guān)分/合狀態(tài)，為水泵負(fù)荷合理分配、線路布置、無功補(bǔ)償、節(jié)能降耗、避峰填谷提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

（9）可以通過上位機(jī)的實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、事件記錄、故障記錄等查詢功能，準(zhǔn)確查找出水泵系統(tǒng)的故障原因。

（10）上位機(jī)具有WEB發(fā)布功能、開放OPC接口功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程發(fā)布、遠(yuǎn)程登錄、遠(yuǎn)程瀏覽、遠(yuǎn)程操作等功能；也可以通過不同權(quán)限的設(shè)定，管理員根據(jù)自己的權(quán)限只在局域網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行訪問、瀏覽、查詢、操作和指揮調(diào)度生產(chǎn)工作。系統(tǒng)可以通過OPC接口，可以將上位機(jī)數(shù)據(jù)上傳給綜合自動化平臺。

（11）高清晰度的視頻畫面，可以上傳到調(diào)度室，實(shí)時了解水泵房現(xiàn)場信息。

（12）工程師站采用冗余配置，運(yùn)行主機(jī)出現(xiàn)故障后可以保證1min內(nèi)切換到冗余站上，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲時間長達(dá)1年以上。

（13）打印功能：上位機(jī)軟件提供打印預(yù)覽及打印功能，可以打印數(shù)據(jù)報(bào)表、數(shù)據(jù)曲線、報(bào)警記錄、事件記錄等。

（14）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)修改功能：用戶可根據(jù)自己的權(quán)限，通過上位機(jī)界面或是在現(xiàn)場通過面板上的鍵盤對程序的參數(shù)進(jìn)行修改設(shè)定；用戶也可以根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際工況及時調(diào)整報(bào)警值的上/下限設(shè)定值、調(diào)整時間參數(shù)、修改保護(hù)投退等功能，以便系統(tǒng)運(yùn)行更加貼近實(shí)際工況。

3 系統(tǒng)的檢測與保護(hù)功能應(yīng)用分析

水泵系統(tǒng)在檢測和保護(hù)功能方面上，要實(shí)時注意水倉的水位情況，注意真空泵的壓力情況，注意水泵出水的口的正壓情況，要注意主排水管路的流量以及電機(jī)軸承的溫度和高壓柜的起/停狀態(tài)等。系統(tǒng)主要的檢測與保護(hù)功能如下：

3.1 水倉和水位的檢測

可以利用超聲波液位傳感器進(jìn)行實(shí)時檢測兩個水倉水位，同時把液位信號傳給PLC作為主要控制信號，PLC根據(jù)程序設(shè)定取1分鐘內(nèi)的平均值，以此來實(shí)現(xiàn)高水位起泵、低水位停泵的液位自動控制功能。系統(tǒng)根據(jù)水倉單位時間內(nèi)涌水量的大小來判定是否進(jìn)行涌水報(bào)警。

3.2 射流管路的負(fù)壓檢測

利用負(fù)壓傳感器在水泵抽真空時檢測水泵內(nèi)部的真空度。當(dāng)負(fù)壓值達(dá)到穩(wěn)定的數(shù)值以后就不再上升，此時認(rèn)為泵體的主引水管路已注滿水，PLC以此發(fā)出開泵的啟動命令，如果負(fù)壓長時間達(dá)不到設(shè)定值，系統(tǒng)會自動停止啟泵流程并發(fā)出報(bào)警信息。

3.3 水泵主出水口處正壓檢測

正壓傳感器和正壓表安裝在水泵主出水口處。正壓信號輸出給PLC控制器，PLC根據(jù)正壓是否達(dá)到設(shè)定值來決定是否開啟電動閘閥進(jìn)行排水、來決定是否關(guān)閉射流球閥[4]，如果正壓長時間內(nèi)無法達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)會自動停止啟泵流程并發(fā)出報(bào)警信息。

3.4 動力柜的電壓、電流檢測

系統(tǒng)通過RS485通信的方式采集動力柜的電壓、電流信息，觸摸屏可以實(shí)時顯示各電參數(shù)。PLC把讀取到的實(shí)時數(shù)據(jù)與程序里的報(bào)警設(shè)定值作比較，判斷動力柜中是否有過壓、過流、漏電、三相不平衡等故障發(fā)生。

3.5 電機(jī)溫度、泵體溫度檢測

通過電機(jī)預(yù)埋的溫度傳感器來檢測電機(jī)前軸、后軸以及定子溫度，通過外貼溫度傳感器檢測泵體溫度，系統(tǒng)將檢測到的溫度信號傳輸給PLC控制器，作為判斷電機(jī)及水泵是否正常工作的重要依據(jù)。當(dāng)溫度異常時，PLC發(fā)出實(shí)時報(bào)警信息并傳輸給上位機(jī)保存。

3.6 電動機(jī)故障檢測

通過RS85的通信方式把動力柜里的保護(hù)器中的數(shù)據(jù)信息和事件記錄實(shí)時采集到PLC中，并通過觸摸屏的界面進(jìn)行實(shí)時顯示。在水泵運(yùn)行期間，如果電動機(jī)異常，則PLC會自動執(zhí)行停機(jī)命令并發(fā)出故障報(bào)警信息。

3.7 電動閘閥故障檢測

電動閘閥的各控制信號、限位信號、過力矩信號、開度信號均采集到PLC中，當(dāng)采集到的信號和PLC程序中的邏輯順序不一致時，則判定電動閘閥故障。

3.8 排水管路流量檢測

在主排水管路的平滑段上安裝有超聲波流量計(jì)，通過流量計(jì)對排水管路流量進(jìn)行實(shí)時檢測。正常排水后，PLC根據(jù)設(shè)定值來判斷水泵排水是否達(dá)到預(yù)期效率，如果流量異常，PLC則執(zhí)行停泵指令并報(bào)警，同時PLC將流量數(shù)據(jù)送至上位機(jī)實(shí)時顯示并保存。本系統(tǒng)具有通過流量保護(hù)報(bào)警使本臺水泵停止運(yùn)行并自動啟動另一臺水泵的功能，可以有效實(shí)現(xiàn)水泵房的無人值守功能。

3.9 電機(jī)的起/停檢測

通過采集動力柜內(nèi)部的接觸器輔助觸點(diǎn)，并結(jié)合啟/停傳感器來綜合判斷電機(jī)的啟/停狀態(tài)，如檢測到狀態(tài)異常則PLC進(jìn)行停機(jī)保護(hù)。

3.10 語言報(bào)警功能

水泵啟/停時的每一步操作都有聲光語音箱進(jìn)行語音提示或報(bào)警，系統(tǒng)能使用語音功能進(jìn)行準(zhǔn)確播報(bào)，同時把報(bào)警信息傳給上位機(jī)保存。

3.11 泵體振動檢測

利用振動傳感器檢測泵體和電機(jī)的橫向振動與縱向振動。當(dāng)電機(jī)振動異常時，為防止故障損壞進(jìn)一步擴(kuò)大，系統(tǒng)會及時發(fā)出停泵指令并播報(bào)故障語音，所有故障信息均會由PLC傳給上位機(jī)保存。

4 結(jié)語

KJ531煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)是結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的以太網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、視頻技術(shù)和軟件技術(shù)對礦井水泵系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控分析和綜合管理，對水泵系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的電氣設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)和管理帶來重大變革。監(jiān)控系統(tǒng)可以有效地提高礦井排水系統(tǒng)的自動化水平；可以有效實(shí)現(xiàn)水泵房的無人值守功能；可以有效提高水泵系統(tǒng)全生產(chǎn)系數(shù)；可以有效提高水泵的利用效率；可以達(dá)到避峰填谷、自動控制、減員增效的功能；可以有效降低排水系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)營成本。因此，該技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用是具有現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值。