煤矿井下泵房排水集控系统设计

宋冲

摘  要：矿井主排水集控系统是保障煤矿排水安全的关键环节。为提高系统可靠性，该文设计了基于多主站控制模式的煤矿井下泵房排水集控系统，提出了由地面控制中心、网络传输平台、泵房数据采集/控制中心组成的系统架构，设计了远程集控子系统和就地集控子系统，提出了具有检修、就地、远程、单控、集控等各种组合控制方式，设计了电动机故障、真空起故障、低水位、超温、禁止启动、流量等多种保护方式以及系统详细功能。该系统能够降低工人的劳动强度，提高矿井生产安全和效率。

关键词：矿井主排水;多主站控制;集控系統

中图分类号：TP273            文献标志码：A

0 引言

井下水泵排水系统是煤矿安全生产的重要设备。传统主排水装置操控体系利用继电器操控主排水装置，水泵装置的启动关闭选及档位装换都是依靠操作者手工完成的，工人劳动强度大、生产效率低。随着计算机控制技术、通信技术、自动化技术的迅速发展，以PLC为核心的新型集成化操控装置已逐渐替代继电器操控模式，该类PLC控制系统保证矿山井下排水网络可以进行集中管理及操控。为了简化泵房控制设备的数量，一般采用单台控制箱多线缆控制模式，实现对所有水泵的控制、数据采集、告警等操作。但该种模式在初期安装和后期使用维护过程中存在一些弊端：每台水泵的各类传感设备和控制设备的线缆都要接入控制箱内，这样会造成泵房内敷设线缆多，且一旦PLC控制箱或某一台泵出现故障，需要停止整个集控设备的运转并进行故障排查，这样直接影响到水泵的正常自动控制，缺乏冗余性和系统稳定性。

该文针对矿寺河煤矿西区井下排水设备，在安全、稳定、可靠、先进的前提下，研发了基于工业以太网和多主站控制模式的泵房集控系统，实现水泵系统的全天候安全、平稳、高效地自动运转，真正实现“无人监控”的工作状态，显著提升矿山井下作业生产的安全及自动化操作水准。

1 总体方案

1.1 现场情况

寺河煤矿井下排水采用集中排水方式，目前西区井下有2个水泵房，均未建集控，每个水泵房配置有3台泵，每个泵房有两路输出主管道排水，每个泵房有2个水仓，都采用射流阀抽真空。西一水泵房的水排到西区中央水泵房，通过斜井排水管道排出地面。

1.2 总体设计

系统可以在控制中心内部监控矿井上下位置的安全生产相关数据，操控矿井上下位置的相关机电装置，实现某些机电自动化装置的无人操控作业，机电设备房不需要配备专人守候，实现减人提效的目的。系统规划为地面控制中心、网络传输平台、泵房数据采集/控制中心3个部分。地面控制中心安置在设备监控中心，控制中心拥有控制站点联网交互的大型服务器设备，可以实现对水泵网络的远距离监控。信息网络数据的交互作业使用矿山架设的工业用环网，或从地面到井下的光纤网络敷设光缆专用网络，以此来进行矿井内外的信息交互。矿井内部泵房的信息收集/操控指挥室配备了如PLC操控单元、信息收集站点、相关的传感设备、摄像头、屏幕及设备操控平台等设备，用于实现工作现场实时信息和参数的收集和监控。

系统按照通过远程集控子系统实现“无人值守”和通过井下泵房的就地集控子系统2 个部分进行设计，实现“一键启、停”水泵操作。系统开创性的加入现场音视频监控和语音发声报警，真正实现对排水系统的全方位监控，保障系统无人值守下的运行安全。系统总体结构示意图如图1所示。

2 远程集控子系统设计

2.1 地面控制中心设计

地面控制中心位于监控室内，设计2台操控站，安装水泵集控软件，将井下5个水泵房排水集控数据采集到地面控制中心，借助该指挥中心对矿井内部的全部水泵房的相应装置进行远距离集中控制及状态监控等操作。

2.2 网络传输平台设计

系统的主要设备侧都预留设计了通用的网络接口，方便网络数据的输入输出，系统传输时既可以采用单独组网的方式，也可以利用矿上现有的光传输网络、以太环形网络等进行数据传输。该次方案设计利用矿上建设的工业环网网络平台进行数据传输，暂不进行重复设计，将PLC控制箱收集到的数据传输到地面，与控制中心进行数据交换。

2.3 音视频远程监察体系的规划

远程操控体系中增加了内置云端平台的远距离操控的高像素录像设备（含拾音器），把整个水泵房的高清及时视频及音频数据传送至地表指挥部门，可以随时让管理人员观察水泵房内部的状况，并且借助上位机图像选项有针对性地调取和察看相关图像文件，地面配置1套麦克风和音箱，完成上下对讲，同时能监听泵房现场的声音，真正实现泵房的“无人值守”。

在井下每个水泵房内配置1台矿用本安型云台摄像机，采用高清摄像镜头，分辨率在200万以上，通过内部云台控制器实现360°全方位旋转摄取视频数据，通过在泵房内安装高清云台摄像仪能实现4个功能。1）高清云台摄像机自带拾音功能，可以实时监控水泵房的工作状况并拾取现场的声音，判断水泵电机的运转是否存在异常。2）高清云台摄像机内置有喇叭，地面监控中心的人员可以通过麦克与井下维护人员进行双向语音通话，便于完成实时通信，相互接收、回传操作等指定。3）云台摄像仪可以手工调整摄取图像的大小、远近和方向。同时将操作指令写入泵房控制平台的系统中，可以通过一键方式，摄取所需图像。4）云台摄像仪通过协议开发包，嵌入组态软件中，通过预设点位的方式，在开启水泵指令后，系统将按预设点位巡航到指定位置。

3 就地集控子系统设计

3.1 多主站的控制模式

单台控制箱多线缆控制模式的可靠性不高，泵房内需敷设多条线缆。主站选用PLC作为逻辑控制核心，多主站之间通过现场总线进行逻辑通信，各台水泵的控制和采集信号就近接入监控主站，这样不仅可以减少现场线缆的布置，而且便于后期进行故障查找和检修。单台主站的故障不影响其他分站的正常运行，所以其提升了系统的冗余可靠性，使排水更加稳定可靠。因此，采用多主站的控制模式设计就地集控子系统。

3.2 泵房控制中心设计

如图1所示，泵房控制中心采用多主分站控制结构。主站配置高性能PLC控制箱，完成整套泵房的控制逻辑运算。所有水泵都会搭配1部收集监控数据的站点以及分开控制箱体，每个站点之间各自独立运行，不会相互干扰，所以当某个站点发生问题时，不会干扰其他站点的正常工作，进而可以切实保证整个系统的平稳运行。另一方面，在相应控制方案的初始设计阶段，应全方位考察极端状况下，整个系统运转可能出现的安全问题，当相关的主站点和分站点都发生问题时，借助分开控制箱体的作用，依然可以正常开动和终止水泵的排水工作。PLC控制箱和采集监控分站都留有接口，为后期扩容做准备，使其可以在不需要增加接口设备的情况下直接进行对接。每台PLC控制箱可以接入4～6台采集监控分站。

西一水泵房和西区中央水泵房各设3台矿用隔爆兼本安型监控主站。在水泵房值班区域内配置1台矿用本安型操作台，用于就地集中操作。井下西区中央水泵房内配置1台具备语音报警功能的本安LED显示屏，在故障报警时，不仅能进行语音播报，而且还能直接显示文字报警信息。

3.3 泵房信息收集系统规划

泵房信息收集一般采用在每个核心位置配备传感装置的模式进行，借助传感设备捕捉每个环节的关键参数信息，并将其输送到收集站点。设置传感设备主要包含水仓内部水位信息、管道内部流量信息，闸阀动作信息、驱动电机的电流信息、工作电压、压力变送装置、温度检测装置等。

3.3.1 排水管道设置出水口

现阶段矿井内部西侧水泵房里所有的水泵均配备1个可控的放水用阀门（可手动操控），将人工操控的阀门升级为自动控制的阀门，并配有闸阀控制箱，控制闸阀的开、闭等状态。系统共设计了3台矿用电动闸阀[1]。

3.3.2 排真空管路配置

整个结构使用水泵抽水形成真空状态的模式，所有的水泵均配备1～2部矿山专用的安全自动化球阀装置，该次设计需要新增6台DFB20/7型矿用电动球阀。

3.3.3 出水口相关压力参数测量

所有水泵的出水口位置都会装备1部水压传感装置，整个系统一共配置了3部矿山专用的安全式水压变送装置。

3.3.4 真空状探测态

所有水泵的进水口上半部分会装备1部真空状态传感设备，整个系统一共配置了3部安全式水压变送装置。

3.3.5 系统液体水位探测

现阶段矿山内部水泵房水仓有2个，在每个水仓配置1台液位传感器，共设置2部矿用液体水位传感装置。

4 系统控制保护方式与功能设计

4.1 操控模式的规划

作业现场实际操控动作一般是由PLC控制盒、收集站点及外部探测装置构成。远程控制由监控室内计算机（服务器）及控制软件构成。井下水泵房排水监控系统具备远距离自动化操控、远距离单独水泵自动化操控、远距离单独水泵人工操控、实地人工综合操控4类运作模式。

远距离自动化操控：在地表指挥中心进行远程水泵自动化操控，包含液体水位上升的水泵启动、用电高峰时段及低谷时段等情况下启动水泵等模式。

远距离单独水泵自动化操控：即地表指挥中心自动启动所有的水泵设备。

远距离单独水泵人工操控：即地表指挥中心独立启动或者停止驱动电机、阀门等单独的某一部相关装置。

实地人工综合操控：在目前的作业模式的前提下，让现场操作者借助控制台综合操控水泵装置及阀门的启动和停止。

4.2 系统故障保护设计

井下水泵房排水监控结构的安全性、稳定性标准很严格。該结构体系预设了以下4类保护机制。1）液体流量保障机制：水泵平稳运行后，假如液体流量没有符合预期的设定值，借助警报信号来提醒相关操作者检测水泵和管道阀门等装置的运行状态是否正常，延时一定的时间，关闭设备确保整体装置的安全[2]。2）驱动电动机断电保护机制：借助PLC和显示屏监控水泵驱动电机过载、漏电、电压不稳等故障，并及时进行调控。3）真空状态故障保护机制：水泵抽真空时间超过预定值或水泵正压小于预定值，自动停止水泵运行。4）水位过低：当水仓液体水位低于标准时，水泵停止运行。

4.3 系统功能设计

4.3.1 显示功能

实时动态显示井下水泵房所有水泵运行的各类工况，直观了解水泵运行状态。

4.3.2 操控功能

排水操控装置能依据水仓内液体的容量、水泵运行情况及用电成本等条件的不同，操控水泵启动、停止及水泵的轮换。

首先，依据水位状况，操控水泵的启动和停止。其次，水泵轮流启动：为了杜绝备用水泵、备用管道等设备长时间闲置而产生的相应故障，整个系统会对水泵的启动和停止次数、工作时间及管道的工作次数、液体流量等数据进行详细记录并且叠加，整体系统会依据上述参数的特定规律启停特定的水泵装置，让所有水泵和管道的工作频率处于均衡状态[3]。最后，根据用电成本自动化启动停止：依据水仓水量的多少、矿井内部用电负荷的实际情况及供电企业所设定的谷值、峰值用电电价等因素，合理启停水泵。

4.3.3 音视频监控及联动功能

系统在水泵监控系统中加入视频监控和声音拾取功能，改变当前各厂家在建设水泵监控系统时，只有图像没有声音的情况，同时利用自由音图像监控方式，达到图像的联动效果，为泵房实时监控突破监听的障碍，达到无人值班的状态。

云平台摄像仪可以与矿井排水自动化系统实现音视频联动，当某台水泵启动时，系统可以自动调节云台摄像仪监视设备转动部位，并能监听设备的运转声音。现场图像和声音通过以太网信号传输到地面监控中心，视频能融入矿井现有的视频监控系统中。

4.3.4 报文调取功能

检查所需的数据比如电流、温度等各种参数，可以生成报表的形式，可被相关操作者调取使用。

4.3.5 过往参数曲线调用功能

可以调用全部的过往参数曲线，为相应的设备问题原因的查找提供有效参考。

4.3.6 远距离设置功能

操作者依据系统工作的具体状况，设置全部装置的相关参数，为系统报警提供依据。

4.3.7 系统警报、问题点判定功能

便捷、稳定的报警装置能够报告系统状态及系统潜在的风险，保证系统的稳定工作。报警管控体系具备多类报警管控能力，其中包括无限的报警区域管控、报警事件等级、错报筛选功能。该装置可以精准捕捉问题，实际作业场所配备的显示屏将故障信息通过文字显示和语音播报的方式提醒人员，及时故障排除。

4.3.8 整体结构易扩充和集合

使用分散式构造，该结构符合各类应用及规模的要求。

5 结语

矿井主排水集控系统是保障煤矿排水安全的关键技术，对自身的可靠性要求较高。该系统采用多主站+分站模式，每台分站对应1台水泵及附属设备，结构明晰、节约线缆、稳定可靠 。各分站通过1根CAN总线串接，任何一台分站故障，都不影响其他分站工作。控制主站及分站断电、故障时，操作台仍能正常开停水泵，充分保证系统安全。系统配置本安操作台、音视频摄像机，具有检修、就地、远程、单控、集控等各种组合控制方式，能实现对泵房水泵排水系统的远程＼就地自动启停、自动轮换、故障智能切换、避峰填谷、自动诊断、音视频监视功能。系统为实现矿井主排水系统的信息采集、存储自动化、数据传输处理网络化、调度决策数字化提供了技术与装备支持，能够降低操作人员的劳动强度，提高矿井生产效率。

参考文献

[1]程玉龙.基于用电避峰填谷的小河嘴煤矿主排水监控系统[J].煤矿安全，2019，50（11）：99-102.

[2]谢春华，刘辉.煤矿井下排水监控系统的设计与分析[J].内蒙古煤炭经济，2019（20）：208.

[3]张伟.煤矿井下自动排水远程监控系统的研究与设计[J].矿业装备，2019（4）：172-173.