基于KJ531煤矿排水监控系统在水泵房自动化当中的应用研究

蔡先振，汤伟军

电光防爆科技（上海）有限公司，上海，201112

0 引言

目前，在煤矿井下排水系统中，水泵房里的水泵数量配置一般以3台至5台为主，水泵配置要满足1用1备1检修的最低要求。由于很多煤矿都存在建矿时间早、水泵老化、运行年限长、电机功率大、维护困难、运行工况复杂等问题，由人工凭借经验来保障排水设备的正常运转是件非常困难的事情，这对于煤矿生产造成较大的安全隐患。另外，水泵的运行通常采用传统的人工操作方式，例如水泵启动前需要执行射流泵抽真空、管路流量监测、水仓水位监测等动作指令。由于人工操作存在流程复杂、主观因素多、高压设备危险、开泵时间长、闸阀操作慢、自动化程度低等问题，再继续采用人工操作的方式就不能满足现代化矿井安全生产的需求。另外，人工操作方式存在人工用量大、高水平高素质人员较少、设备的隐蔽故障难以发现、突发故障难以及时解决等问题。突发故障时，值班人员不能快速、有效地解决这些故障，从而给煤矿的安全生产造成了一定的损失。如何避免水泵老旧设备事故的发生，以及如何快速有效地处理故障是目前亟需解决的问题。KJ531煤矿排水监控系统就是针对这一系列的问题而提供了一整套的解决方案。

1 KJ531煤矿排水监控系统应用研究分析

1.1 KJ531煤矿排水监控系统工作原理

KJ531煤矿排水监控系统是通过工程师站把PLC控制器、触摸屏、视频、高压智能保护器等设备的各种数据和信息采集到数据库中，上位机软件平台根据实际需要对采集到的各类数据进行分析处理，把抽象的数据信息以图像、曲线或报表的形式展现出来；同时，工程师站发出控制指令（如启动/停止命令、故障复位、参数整定命令等）传送给现场的PLC控制器、高压智能保护器等设备来执行。

1.2 KJ531煤矿排水监控系统的结构组成

KJ531煤矿排水系统采用工业以太网、CAN通信、RS485通信以及网络视频的结构模式，根据设备的不同功能，整个监控系统的网络构架分为数据控制层、数据传输层和现场设备层。控制层通过服务器负责采集分析数据并根据现场实际需要发布相应的控制指令；数据传输层通过环网和交换机等设备实现数据转换和数据传输；现场设备层负责执行上位机服务器的命令并传输反馈现场设备的相关数据信息。整套系统的具体架构如下：

（1）控制层：冗余工程师站（Force control 7.2软件）、SQL数据库、视频服务器、打印机、音响等。

（2）数据传输层：数据传输接口、千兆环网、光缆、光电转换模块等。

（3）设备层：PLC控制柜、操作台、声光信号器、闸阀控制箱、高压智能保护器、电动闸阀、矿用真空泵、高清防爆摄像仪、环网交换机、正压传感器、负压传感器、振动传感器、外贴温度传感器、管路流量传感器、水仓液位传感器、电机预埋温度传感器、控制屏蔽线缆、防爆接线盒等。

1.3 KJ531煤矿排水监控系统现场采集和控制的各种信号

（1）监控信号：通过采集各类传感器的数据信息传输给PLC控制器[1]，PLC处理以后传输给人机界面或是上位机进行显示；

（2）控制信号：根据采集到的各类监控信号以及外部输入的操作指令，PLC程序按照设定的工艺流程来执行相关的动作命令；

（3）通信信号：PLC采集到的各类监控信号以及执行的相关控制命令均可以通过通信的方式传给第三方设备，也可以把第三方设备的数据通过通信的方式采集到PLC中来。

具体的各种信号如下图所示：

2 KJ531煤矿排水监控系统的下位机与上位机功能

（1）PLC下位机多种控制模式：控制系统具有远控和就地两种控制模式。远控模式具有自动轮换、一键启停、远控手动、液位自动、避峰填谷五种工作方式；就地模式具有就地自动、就地手动、就地检修、避峰填谷四种工作方式。在所有工作方式中就地功能优先。

（2）PLC下位机的自动轮换功能：在实际使用中，通常要求水泵是处于1用1备1检修的状态，往往存在1台泵经常使用，而另外两台泵很少使用的情况[2]。为防止1台泵因经常使用而导致使用寿命下降而其他泵由于长期不用且存在故障又未及时发现的情况发生，本系统特设计了多台泵自动轮换控制的工艺流程。该工艺流程的原理是：PLC根据每台水泵的启停次数、运行时间、电流大小、避峰填谷、不同管路的使用次数等外部参数按照一定的工艺流程自动控制水泵和选择相应的排水管路，尽量做到让各台水泵及管路的使用时间均衡统一。当某台运行的水泵发生故障或是所属阀门发生故障时，水泵系统现场会自动发出声光报警信号同时把报警信息上传给上位机，上位机会同步发出故障报警信号并做记录，与此同时，发生故障的水泵会自动退出轮换工作，其余正常的水泵和管路会根据程序设定好的顺序自动执行轮换工作，做到故障尽早排除，确保煤矿安全生产。

（3）PLC下位机的避峰填谷功能：系统通过安装的高精度液位传感器实时采集水仓液位并传递给PLC，PLC在接收到水仓液位信号后并结合排水量以及水仓进水量，根据设定的程序流程计算出单位时间内水仓水位的上升速度，同时检测水泵电机的电流大小，争取把水泵的运行控制在一天当中的用电低峰或是一天中电价最低的时刻，在用电高峰和电价较高的时间段自动停止水泵运行，以达到水泵房用电避峰填谷的目的。

（4）PLC下位机的自动控制功能：现场的PLC控制器根据设定的程序功能，通过采集水仓液位的高低来判断是否达到自动开泵要求、并结合井下用电负荷的高、低峰来实现避峰就谷的功能，PLC控制器会根据程序里已经建立的数学模型来控制水泵的启停，并且做到出现险情时及时发出报警信号并上传给上位机[3]。

（5）上位机3D界面显示：上位机界面做成3D图形的效果，可以形象显示泵房里各种设备状态，可以把水泵抽水的过程以三维动画的形式显示，可以把防爆电动闸阀的打开和关闭过程以动画的形式显示，可以把水仓液位的变化情况和管路排水的情况以动画的形式显示，可以把电机、配电柜、闸阀的运行状态以3D图形显示。在3D界面上，可以直观地显示电动阀的开/闭位置，可以实时显示正压、负压、流量、液位、电参数、水泵运行状态、振动、电机温度、泵体温度等参数。

（6）上位机抽象数据直观显示功能：上位机软件把现场采集的各类抽象数据通过用图形、曲线、报表等形式显示出来。对现场采集到的管路瞬时流量及累计流量、开关柜的电参数、水泵轴温、电机温度、正压、负压、液位、闸阀开度等数据信息进行动态显示。对于各类超限报警数据、设备运行故障数据，系统可以自动记录故障类型、故障时间并保存在历史数据库中。上位机以声光报警形式提醒工作人员及时检修，避免设备损坏。上位机用图形填充及趋势曲线形象、准确、实时地显示水仓水位，并根据设定的相关报警限值发出预警信号，对于水仓的低位、超低位、高位、超高位分段报警，可以用不同报警语音提醒现场工作人员注意并把报警信息上传给上位机记录保存。

（7）系统可以显示和记录管路的工作时间、电机启/停次数，可以自动、准确汇总各台泵的排水量并生成报表，有利于开展目标成本管理、节能降耗。

（8）上位机显示、记录各台水泵的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、开关分/合状态，为水泵负荷合理分配、线路布置、无功补偿、节能降耗、避峰填谷提供数据依据。

（9）可以通过上位机的实时数据、历史数据、事件记录、故障记录等查询功能，准确查找出水泵系统的故障原因。

（10）上位机具有WEB发布功能、开放OPC接口功能，可以实现远程发布、远程登录、远程浏览、远程操作等功能；也可以通过不同权限的设定，管理员根据自己的权限只在局域网内进行访问、浏览、查询、操作和指挥调度生产工作。系统可以通过OPC接口，可以将上位机数据上传给综合自动化平台。

（11）高清晰度的视频画面，可以上传到调度室，实时了解水泵房现场信息。

（12）工程师站采用冗余配置，运行主机出现故障后可以保证1min内切换到冗余站上，数据库的数据存储时间长达1年以上。

（13）打印功能：上位机软件提供打印预览及打印功能，可以打印数据报表、数据曲线、报警记录、事件记录等。

（14）远程数据修改功能：用户可根据自己的权限，通过上位机界面或是在现场通过面板上的键盘对程序的参数进行修改设定；用户也可以根据现场的实际工况及时调整报警值的上/下限设定值、调整时间参数、修改保护投退等功能，以便系统运行更加贴近实际工况。

3 系统的检测与保护功能应用分析

水泵系统在检测和保护功能方面上，要实时注意水仓的水位情况，注意真空泵的压力情况，注意水泵出水的口的正压情况，要注意主排水管路的流量以及电机轴承的温度和高压柜的起/停状态等。系统主要的检测与保护功能如下：

3.1 水仓和水位的检测

可以利用超声波液位传感器进行实时检测两个水仓水位，同时把液位信号传给PLC作为主要控制信号，PLC根据程序设定取1分钟内的平均值，以此来实现高水位起泵、低水位停泵的液位自动控制功能。系统根据水仓单位时间内涌水量的大小来判定是否进行涌水报警。

3.2 射流管路的负压检测

利用负压传感器在水泵抽真空时检测水泵内部的真空度。当负压值达到稳定的数值以后就不再上升，此时认为泵体的主引水管路已注满水，PLC以此发出开泵的启动命令，如果负压长时间达不到设定值，系统会自动停止启泵流程并发出报警信息。

3.3 水泵主出水口处正压检测

正压传感器和正压表安装在水泵主出水口处。正压信号输出给PLC控制器，PLC根据正压是否达到设定值来决定是否开启电动闸阀进行排水、来决定是否关闭射流球阀[4]，如果正压长时间内无法达到设定值，系统会自动停止启泵流程并发出报警信息。

3.4 动力柜的电压、电流检测

系统通过RS485通信的方式采集动力柜的电压、电流信息，触摸屏可以实时显示各电参数。PLC把读取到的实时数据与程序里的报警设定值作比较，判断动力柜中是否有过压、过流、漏电、三相不平衡等故障发生。

3.5 电机温度、泵体温度检测

通过电机预埋的温度传感器来检测电机前轴、后轴以及定子温度，通过外贴温度传感器检测泵体温度，系统将检测到的温度信号传输给PLC控制器，作为判断电机及水泵是否正常工作的重要依据。当温度异常时，PLC发出实时报警信息并传输给上位机保存。

3.6 电动机故障检测

通过RS85的通信方式把动力柜里的保护器中的数据信息和事件记录实时采集到PLC中，并通过触摸屏的界面进行实时显示。在水泵运行期间，如果电动机异常，则PLC会自动执行停机命令并发出故障报警信息。

3.7 电动闸阀故障检测

电动闸阀的各控制信号、限位信号、过力矩信号、开度信号均采集到PLC中，当采集到的信号和PLC程序中的逻辑顺序不一致时，则判定电动闸阀故障。

3.8 排水管路流量检测

在主排水管路的平滑段上安装有超声波流量计，通过流量计对排水管路流量进行实时检测。正常排水后，PLC根据设定值来判断水泵排水是否达到预期效率，如果流量异常，PLC则执行停泵指令并报警，同时PLC将流量数据送至上位机实时显示并保存。本系统具有通过流量保护报警使本台水泵停止运行并自动启动另一台水泵的功能，可以有效实现水泵房的无人值守功能。

3.9 电机的起/停检测

通过采集动力柜内部的接触器辅助触点，并结合启/停传感器来综合判断电机的启/停状态，如检测到状态异常则PLC进行停机保护。

3.10 语言报警功能

水泵启/停时的每一步操作都有声光语音箱进行语音提示或报警，系统能使用语音功能进行准确播报，同时把报警信息传给上位机保存。

3.11 泵体振动检测

利用振动传感器检测泵体和电机的横向振动与纵向振动。当电机振动异常时，为防止故障损坏进一步扩大，系统会及时发出停泵指令并播报故障语音，所有故障信息均会由PLC传给上位机保存。

4 结语

KJ531煤矿排水监控系统是结合当前先进的以太网技术、通信技术、视频技术和软件技术对矿井水泵系统进行实时监控分析和综合管理，对水泵系统各环节的电气设备运行、维护和管理带来重大变革。监控系统可以有效地提高矿井排水系统的自动化水平；可以有效实现水泵房的无人值守功能；可以有效提高水泵系统全生产系数；可以有效提高水泵的利用效率；可以达到避峰填谷、自动控制、减员增效的功能；可以有效降低排水系统的生产运营成本。因此，该技术的研究与推广应用是具有现实意义和使用价值。