煤矿井下接力水仓自动化控制系统探讨

2022-09-21 16:42:52 来源:写作指导

摘要:针对寺河煤矿井下各个接力水仓仍采用传统的人工手动排水的方法且分布比较分散、不利于集中管理的问题,设计了一种基于S7-200SMARTPLC的煤矿井下接力水仓自动化控制系统,实现了接力水仓的自动化控制及集成,能够降低工人劳动强度,进一步提高矿井减员提效的水平。

关键词:PLC控制;自动化;接力水仓

0引言

煤矿井下防治水是矿井灾害预防的重要组成部分,矿井排水系统担负着煤矿井下开采各个阶段中排除井下涌水、保证作业人员及设备安全的重要任务,其正常、可靠运行直接影响着整个矿井的生产安全。接力水仓作为煤矿井下数量最多、分布最广的排水点,位于整个排水系统的末端,直接影响着整个排水系统的实际运行效果。随着自动化排水监控系统的推广,接力水仓的自动化控制势在必行。寺河煤矿现已对东五盘区泵房、西区中央泵房、西一二盘区水仓、+350m排水泵房、东六盘区水仓等主要排水点进行了集中控制,实现了井下中央泵房及盘区泵房等主排水点的在线监测、监控。除此之外,寺河煤矿在用的接力水仓共有15处,加压泵房有2处,分布在井下各个盘区。各水仓、泵房均需依靠人工值守、电话联动完成排水工作,一方面造成了巨大的人员浪费;另一方面水仓排水完全依靠人工存在一定的风险性,且大部分水仓地点偏远,条件较为艰苦,单人作业存在安全风险。将各个接力水仓实现自动化控制并与主排水集控系统集成以实现寺河煤矿排水系统一张网、一个平台、一个协议势在必行。

1接力水仓自动化控制系统总体设计方案

在接力水仓自动化控制系统中,各处水仓使用KXJ-2×400/1140(660)s矿用隔爆兼本安型双回路排水控制器为排水点的基础控制核心,其采用西门子S7-200SMARTPLC为主芯片,外接各种性能可靠稳定的数据采集装置,并将各个水仓的相关参数利用寺河煤矿已有的工业环网上传至地面机房服务器;地面监测控制电脑通过组态王软件与已建立的主排水集控系统进行融合,显示矿井所有水仓的实时运行状态和参数;实现了全矿所有排水点及加压泵房的地面远程监测控制和现场自动、手动和检修控制,利用外接的各种传感器准确测量、显示各排水点水位、水泵状态、流量等参数,并根据排水控制器内部的程序合理调度水泵运行,实现矿井排水系统的自动化和无人化。井下接力水仓自动化控制系统总体架构如图1所示。

2排水点排水控制器设计

排水点排水控制器是整个自动化控制系统的工作核心,用于现场数据采集、处理、上传以及传感器的巡检。排水控制器首先要根据现场及系统需求明确需要监测、控制的传感器和上位机需要进行数据可视化、图形化的参数,在现场工作人员手动控制或自动控制时,系统内部程序发出相应的操作指令,使得设备按照程序预先设定的要求完成自动化排水系统各项功能。

2.1排水控制监控量与监控点的选择

(1)临时排水点

排水系统所排的水主要来源是地下水、地表渗透水、老窑水等,这些水会源源不断的通过井下排水沟汇聚到井下水仓。临时水仓是井下积水从井下排往地面的前一级存水区域,水位监测是必要的,通过桥架固定安装液位计用于监测水仓水位深度,因此水仓的液位高度监测是排水系统中预报排水量、开启排水系统的一个重要检测指标。系统在临时排水点的监测量为水仓的液位值。监测量和监测点示意图如图2所示。

(2)井下加压泵房

东区集中加压泵房、东区18#加压泵房的水源由东主井工业广场水仓提供,水源经过加压泵房加压后分别送往东风井和常店风井,作为风井工作人员地面生活用水。加压泵房水仓是水源水输送到地面水仓的前一级存水区域,需进行水位的实时监测。加压泵房水仓的液位高度监测是系统中判定开启排水和控制进水阀门的重要指标,而排水管网的流量反映了管网此刻的运行效率,可以间接反映水的使用状况,因此对管路流量的数据监测可以及时将供水效率反馈给系统。水泵排水管压力是水泵和电磁闸阀开启的必要条件,可有效避免打开闸阀后因水泵排水压力不足、排水管中产生的水锤对逆止阀和水泵的破坏,也可以实时反映管网排水的压力值。由于排水时管路是恒压的,管网压力和瞬时流量的结合还可以判断排水管网的爆管现象。综上所述,系统的监测量为管网节点的压力值、排水管网的出口流量值、水仓的液位值,控制量为进水管阀门控制及水泵排水管阀门控制。监控量和监控点示意图如图3所示。监测系统的监测对象是井下排水现场的设备,控制器CPU通过采集设备工况参数、工作状态等数据判断运行状态,并根据既定程序发出指令以达到自动控制的目的,从而提升排水系统的自动化水平。监测点的选取根据实地考察、安装需要而定。根据监测需要以及通过前期调研确定:①在每个水仓安装2个液位传感器监测水位高度,即1个临时排水点(加压泵房)设2个液位传感器;②加压泵房排水管网出口处安装超声波流量计监测管网出口流量,即1个加压泵房设1个超声波流量计;③加压泵房水泵出口安装压力传感器和电动闸阀,即1个水泵安装1个压力传感器和1个电动闸阀;④为保证加压泵房水仓不出现溢仓,在每个加压泵房进水管处安装电动闸阀,即1个加压泵房水仓进水口安装1个电动闸阀;⑤每个临时排水点(加压泵房)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。

2.2排水点排水控制器设计

(1)硬件结构

排水控制器的主要任务是采集排水现场设备、管网的数据并进行集中处理,执行相应的动作,实现数据可视化,并为控制系统的逻辑控制提供参考。按照排水控制器的功能需求、稳定性、可扩展性以及工程造价等,决定选用技术相对成熟的西门子PLC作为排水控制器的主控制核心,以流量、压力、液位传感器以及各类开关量信号数据收集为监测手段,这种硬件结合方式灵活可靠,可以完成系统内部复杂的逻辑控制功能。排水控制器的硬件结构如图4所示。

(2)功能流程

排水控制器采用双回路设计,各自拥有自己的一套控制回路,可同时控制2台泵的启停。在实际使用中两回路的PLC可以直接进行通信,通过设置界面将2套PLC回路设置为一主一从,主控制回路PLC既可以从从控制回路PLC读取相关参数,也可以对从控制回路PLC发出指令使其进行相关动作。排水控制器通过程序设置有自动模式、远方模式和手动模式3种工作模式以及低水位、高水位、超水位3个水位检测值。控制器运行时,将排水点安装的各类传感器及管网上的各类开关阀门信号一起采集回来,将信号传递至排水控制器的PLC,经过PLC的处理,将相应信号通过工业以太网传至地面信息监控中心,同时将这些信号参数通过RS485通信传递给显示屏。①自动模式将通过液位传感器采集到的电信号经过数字化处理进入PLC,PLC根据参数判断此时的液位,当液位达到高水位时,主水泵运行开始排水;如果液位继续上升达到超高水位时,副水泵也开始运行进行排水作业;当水仓内液位降至低水位时,水泵停机。②手动模式为排水控制器的就地启停操作,直接通过控制器本体上的按钮对2个回路的电机进行控制,从而达到改变2台水泵运行状态的目的。③远方模式是指操作人员在地面通过上位机监控画面上的按钮、利用工业环网对所需要操作的排水控制器进行操作,达到人工干预排水的目的。此模式作为自动模式的补充,在自动模式失效的情况下应急使用。排水控制器功能流程图如图5所示。

3地面监控中心上位机软件设计

上位机是监控中心用于监控整个排水系统运行状态的主要设备,系统上位机软件部分采用专业组态软件组态王进行设计和实现,其内置丰富的库函数,可无缝对接众多ActiveX控件,其多样的兼容性在系统融合中具有巨大优势,同时模块化的编程方式方便后期系统程序的调试,是快速构建具有通用层次功能监控软件的首选。上位机软件在具有系统管理功能的基础上,根据系统的使用要求还需具有水仓实时监控功能、报警信息查询功能、自动生成报表及历史曲线功能。

(1)系统管理功能

可根据用户的不同使用需求设置不同的用户权限,在保证系统数据安全的前提下方便不同人员使用。

(2)实时监控功能

是系统使用的主要功能,包括主界面显示、控制方式及参数设置。①系统主界面以动画的形式形象展示各个排水点的设备运行状态及相关参数,包括泵的启停、水仓液位、管路运行状态及阀门开启状态;②可在主界面选择各个排水点排水控制器的控制方式,既可自动也可上位机远程手动;③系统还支持地面监控人员根据各个排水点运行情况远程更改排水控制器自动排水的相关动作预警参数,实现了除设备安装维修外其余过程全部进行远程监测控制的要求。此外,系统还设有音频视频实时监控窗口,打开窗口可通过云台摄像仪实时监控井下水仓状况,当排水点设备出现故障时,其自带的拾音功能可方面地面人员与现场检修人员进行沟通及地面故障诊断。

(3)报警信息查询功能

由于系统具有预警及自动存储功能,因此报警信息查询功能也是必不可少的。报警信息查询分为实时报警查询和历史报警查询。实时报警查询用以查看当前预警报警的具体参数;历史报警查询可方便地追溯设备的历史运行状态,为设备故障分析提供数据支撑。

(4)自动生成报表及历史曲线功能

以表格或历史曲线的形式直观地显示各个排水点的水位状况,反映一段时间以来该排水点的排水量,为分析矿井水文地质条件提供历史数据。

4结语

煤矿井下接力水仓自动化控制系统与原主水仓自动化控制系统融合后,煤矿井下排水系统从末端排水点到中枢主水泵房、再到井下加压泵房,整个系统形成了一张网、一个平台、一个协议,其高度集成化、自动化可有效减少工人水仓巡视、泵房监控的工作量,进而减少专职排水作业人员,达到减人提效的目的,为保障矿井的安全高效运行提供先决条件。

作者:李进虎 陈明明 单位:晋能控股装备制造集团有限公司 山西晋煤集团技术研究院有限责任公司