井下排水远程监控系统

赵伟 闵涛 邵长存

引言

以新安煤矿井下排水系统为例，井下共有3个水平泵房，为达到提高排水效率、减员增效、节能减排等目的，对井下排水系统进行了自动化改造。在井下各泵房建立PLC控制系统，地面设立集控中心，从而实现对整个井下排水系统的实时监控。

1.概述

1.1现场设备情况

1.1.1-100水平泵房。采用3台D155-67X4型矿用耐磨多级泵，配套电机型号为JK133-2/6KV/220KW，直接启动；

1.1.2中央泵房。采用5台D450-60X7型矿用耐磨多级泵，配套电机型号为Y4503-4/6KV/800KW，串电抗器降压启动；

1.1.3-392水平泵房。采用3台MD155-67X5型矿用耐磨多级泵，配套电机型号为YB400S2-2/6KV/220KW，直接启动；

1.2主要水泵设备管理的难点

（1）手工操作，达不到减员增效的目的，可靠性差；（2）设备状态、工作时间难掌握；（3）运行参数缺少监测；（4）矿井涌水量由人为统计，可靠性差；（5）地面调度不能及时清楚地了解水位变化及水泵的运行情况，难以实现科学调度，造成系统能耗高，效率低，水泵系统运行成本费用高。

2.系统功能

2.1控制方式

就地控制、井下集控、远程控制、全自动控制。

2.2保留了设备原有手动控制方式，手动控制具有优先控制权，保证了即使系统出现崩溃，也可以在手动控制下实现水泵的正常工作。

2.3实时监测水仓水位、压力、负压、流量、效率、电压、电流、功率、轴温及定子温度等参数。

2.4通过摄像头将水泵工况画面传输到地面指挥中心，使地面指挥中心能够直观的看到水泵现场的具体情况。

2.5实现设备的远程监控，可以通过图、表、曲线等方式进行数据显示及分析处理。水泵机组运行参数历史数据报表形式查询显示和打印。

2.6故障判断和报警。

（1）具有就地及地面集控两处故障显示功能，并显示故障类型。（2）数据库中记录：自动生成运转日志。（3）故障排除后，可实现安全复位功能。

2.7系统可进行人员管理、设备管理、检修管理、故障管理及运行管理。

2.8引入多水平排水系统优化控制策略。

2.9可并入全矿自动化系统。

3.系统实施方案

3.1建立集中控制中心

在地面监控室建立集中控制中心，实现对井下水泵房机电设备的远程监测控制。

3.2自动监控系统

每个水平设计一套泵房水泵自动监控系统，主、从站之间通过PROFIBUS-DP总线形式通讯，主站以RS-485总线（MODBUS协议）形式与开关综保通讯，来读取电参量。该系统可以通过千兆以太网和地面调度中心通讯实现数据共享，可以通过MPI总线形式与泵房内就地操作屏通讯实时显示数据并可对系统进行运行控制。

3.3对泵房机械电气设备进行改造

（1）在原有射流抽真空的基础加两套真空泵装置互为备用。（2）将射流及真空泵管路手动球阀全部更换成电动球阀。（3）将手动出水闸阀更换成电动闸阀。（4）安装各种传感器（压力、负压、流量、液位、温度等）。

3.4安装调试

（1）实现就地控制。对水泵机组进行逐台进行电控改造满足电控要求后，首先进行就地控制的安装调试，实现执行机构的一对一控制。

（2）井下触摸屏控制。将现场传感器采集数据及执行机构的控制变量纳入半自动控制逻辑，并于触摸屏监控软件进行组态连接，实现井下触摸屏集控。

（3）远程控制。在PLC控制软件中并入远程控制点，远程控制终端通过OPC下发的控制指令实现远程控制，同时现场监测数据通过OPC上传至远程监控终端的实时数据库。

（4）自动控制。软件投入后，实现了水泵机组的自动控制，水泵按照水位等因素自动启停，并根据累积运行时间实现均匀磨损。

4.系统结构

4.1控制系统总体结构

系统采用现场层（远程IO）、控制层（PLC）和管理层（远程工业计算机）组成的三级控制系统来实现排水系统的自动控制。PLC作为控制器完成逻辑处理和控制任务，远程IO实现现场数据的采集和上传，各水平之间通过专门的控制网络实现数据交换和统一调度控制。

4.2单水平集控系統

系统由PLC、触摸屏、检测部分、执行部分等组成。

4.3现场级控制网络

系统采用目前较为成熟的现场总线实现设备层和控制层的连接。

4.4分站间数据交换

系统设立三个水平的控制分站，要实现整个排水系统的统一调度和管理，三个水平的控制分站之间需要交换必要的监测、控制信息。

4.5远程监控网络

各分系统与调度中心监控终端连接采用拓扑结构的以太网。

5.系统特色

本系统分别引入了综合管理功能、最优控制策略和系统可靠性保障。

5.1综合管理功能

可进行人员管理、设备管理、检修管理、故障管理及运行管理。具备相关信息显示，值班人员安排，操作员权限设置等。可提供主排水实施的相关信息，如设备型号、参数、运行累计时间、检修日期提示、检修情况记录、显示设备的当前状态。设备出现故障时，对设备的维护起到一定的指导作用。能根据一定时期内水泵的运行状况给出水泵性能评估。

5.2控制策略

针对排水系统的变量（涌水速率）非线性特点建立多水平排水系统功耗模型，避峰填谷、实时动态修改当前排水方案，有效降低吨水排出费用。

5.3系统可靠性保障

（1）设备可靠性保障

利用C#平台开发了排水系统控制软件的辅助管理模块，对设备进行统一的管理。设备的累计工作时间、工况情况等存入历史数据库，监控软件的设备辅助管理模块读取相应数据后进行逻辑处理，给出维护意见，从管理上来弥补设备本身在可靠性上的不足。

（2）传感器可靠性保障

对于局部传感器（压力、负压、流量等），主要采取自诊断方式判断其是否正常工作，出现异常报警，提示工作人员进行维护或者更换。

（作者单位：山东能源枣矿集团新安煤业公司）