井下排水自动化控制系统研究与应用

      晋煤集团寺河矿主要充水因素有奥陶系灰岩承压水、老窑老空积水、小煤窑越界巷道和采空区积水、顶板砂岩含水、地表水体以及本矿采空区积水。矿井平均涌水量为2 500 m³/d左右, 最大涌水量为3 200 m³/d。矿井地面设有处理10 000 m³/d左右的水处理厂1处。寺河矿主排水泵房有5处:东五盘区、西区中央泵房、西一二盘区水仓、+350 m排水泵房、东六盘区水仓, 分别配置有3台水泵和2个水仓。临时水仓一共有15处, 分别配置2台离心式水泵。+350 m排水泵房和东六盘区水仓实现了自动化排水, 但其他水泵房均为人工操作, 并且没有实现统一管理和调度。随着现代化矿井的建设, 按照减人提效的要求, 寺河矿急需建立井下排水自动化平台, 将已经实现自动化排水的+350 m排水泵房和东六盘区水仓纳入进来, 实现统一管理和调度。

      系统以PLC为中央处理器控制核心, 以数据采集监测监控装置为载体, 采用稳定可靠的传感器和执行器, 在组态软件平台的支持下, 利用寺河矿已有的工业以太环网, 建立自动化排水监控系统, 实现地面远程监控、现场自动 (手动) 和检修控制, 准确测量水位、水压、水泵状态、流量等参数, 并根据相关策略通过高、低压启动装置合理调度水泵运行, 实现数据上传、存储、数据共享, 达成矿井排水系统的自动化和无人化。系统总体架构如图1所示。

      系统可以划分为3层结构: (1) 管理层为地面监控中心, 放置2台服务器 (1主1备) 和1台工控计算机。监控中心是整个系统的大脑, 它的任务是向井下控制层的处理器发送控制指令和运行参数设置, 收集控制层采集到的数据, 从而完成对整个系统运行状态的实时掌握, 同时对数据进行分析处理, 并进一步生成各种形式的报表或表格, 针对系统各设备的状态自动生成维护保养建议、报警等。同时作为协调东、西区泵房排水时段的指挥中心, 会根据地面水处理站的实际情况分配合理的排水方案; (2) 传输层由环网交换机、光纤等组成, 实现数据可靠传输, 采用现有主干以太环网, 可编程控制箱与网络实现对接; (3) 控制层由可编程控制箱、传感器、电动闸阀、电动球阀、云台、摄像机等组成。

      通过分析系统任务, 初步确定采用PLC为监控分站的主控制器, 辅以流量、压力、液位传感器和行程开关等电子元件作为信息采集的第1阶段, 从而完成对控制层及整个系统最底层的信息收集, 配合控制器作为初步的信息处理工具进行数据的预处理, 从而实现系统的底层控制。其硬件拓扑图如图2所示。

       控制层的实现方式: (1) 根据系统中涉及的管路和受控器件的布置情况, 确定各种不同传感器的安装数量和安装位置; (2) 通过传感器和行程开关等, 实时采集各个点的模拟量和开关量信号, 并通过通信电缆, 上传至监控分站, 由监控分站内部的微处理单元进行数字化处理, 并显示在就地显示屏上, 同时通过井下现有的工业环网, 上传至地面的监控中心; (3) 监控分站根据各传感器的信息及内部的程序逻辑关系, 做出对应的启停、报警等输出响应。

       针对东五盘区和西区中央泵房排水点在主副水仓的1^#、2^#小井各安装1个超声波液位传感器、1个投入式液位传感器测试水位高度, 即1个排水点 (泵房) 各2个液位传感器, 形成不同原理的传感器互相验证, 保证系统液位的准确性。排水管网出口处安装流量计监测管网出口流量, 即1个排水点 (泵房) 2个。水泵出口和入口安装正压和负压压力传感器, 即1个水泵 (泵房) 各1个正压、1个负压。同时1个水泵安装1个电动闸阀用于排水, 安装2个电动球阀用于排真空。1个排水点 (泵房) 安装1台带云台和拾音功能的摄像仪用于监控现场的画面及声音信号, 如图3所示。针对西一二盘区及其他低压排水点在小井各安装1个投入式液位传感器测量水位高度 (其中西一二盘区再安装2个超声波液位传感器) , 水泵的注水和排气各安装1个压力传感器。同时1个排水点安装1台摄影仪用于现场画面和声音信号的采集, 如图4所示。

     系统软件采用模块化结构, 包括1个主程序和多个子程序, 主程序根据当前的运行模式, 判断并决定应执行的子程序。运行模式:

(1) 就地控制该模式主要用于检修维护, 其功能主要包括控制启停, 并且需要操作人员在就地控制箱上进行操作完成对水泵的控制。当某台水泵处于就地控制模式时, 主程序在执行过程中会调用其就地控制子程序, 并根据操作人员在就地控制箱的操作指令进行相应的动作输出。

(2) 全自动模式主程序在每个执行周期都会对全自动子程序进行调用, 并根据水位等信息实时地控制水泵的启停。该模块内置了1套优化控制策略, 能够根据系统运行情况和水仓的工况进行智能决策, 降低运行成本;同时, 该模式具备水位变化率的识别能力, 当水位突然发生较快的变化时, 能够提前启动相应的水泵, 提高事故的主动预防能力, 同时还可以根据这种突发情况进行报警;另外, 当具备启动水泵的条件时, 系统还可以根据水泵的累计运行时间和水泵工作状态的历史数据, 在主水泵和备用水泵之间进行选择, 从而实现水泵的寿命周期管理, 使2台水泵的磨损情况保持在相对均匀的水平。

(3) 半自动控制模式该模式下, 操作人员可以单独控制单台水泵的启停, 同时水泵也可以根据系统监测到的当前运行情况、水仓水位变化情况等进行自动启停, 以保障水仓排水工作的安全开展。半自动模式是本系统的基本控制模式。

      组态设计主要是指地面监控中心中工控机上的软件设计, 其作用是远程监控井下设备的运行状态、存储其运行参数、自动生成报表和运行曲线并进行汇总保存;在井下设备或现场出现异常情况时, 能够以声光形式进行报警, 并记录报警信息。其详细功能框图如图5所示。

        该系统于2018年10月在寺河矿应用, 实现了井下排水自动化, 减少了巡检和操作人员, 保障了排水过程的稳定运行, 降低了煤矿的危险系数, 带来了良好的经济效益和社会效益。