煤礦井下磁浮子翻板液位計自動排水系統(tǒng)的應用研究

 

摘要：針對晉煤集團坪上煤業(yè)中央水磁浮子翻板液位計水泵人工操作繁瑣、勞動強度大、啟泵時間長、設備故障不能及時受控等問題，對主排水系統(tǒng)進行自動化改造，將中央變電所和中央磁浮子翻板液位計有機整合，實現(xiàn)磁浮子翻板液位計一人頂崗全盤自動操作，實現(xiàn)實時掌控參數(shù)及就地自動化排水、遠程監(jiān)測狀態(tài)、遠程控制排水，具備較好的自動運行和自調(diào)節(jié)功能，為礦井自動化、無人化管理提供了技術(shù)支撐。

 

引言

自動化、無人化是當今煤礦發(fā)展的一個主流。新版《煤礦安全生產(chǎn)標準化》要求：礦井主排水系統(tǒng)采用集中遠程監(jiān)控，實現(xiàn)無人值守。因此利用現(xiàn)代化的技術(shù)和手段，對礦井主排水系統(tǒng)進行升級改造，從而實現(xiàn)崗位自動化監(jiān)控，切實保障水泵排水系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，因而對現(xiàn)有系統(tǒng)進行升級改造勢在必行[1]。

 

1現(xiàn)場概況

坪上煤業(yè)為晉煤集團旗下主力生產(chǎn)礦井。目前中央水磁浮子翻板液位計主排水系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的人工手動排水的方法，水泵每天開啟時間約10h，需派專人進行看守。磁浮子翻板液位計水倉容量591.3m3，中央水磁浮子翻板液位計有三臺泵，型號為MDM85-67×7，揚程為469m,排水能力為85m3/h，由型號為YB400S1-2、電壓等級為6kV的電機拖動。供電高壓隔爆開關(guān)為八達礦用磁力啟動器的QJGZ-100/6。其中電機前后軸預埋有溫度傳感器，每臺泵配套有出口壓力表、入口壓力表。抽真空方式為注水式。

由于磁浮子翻板液位計閥門均為手動閥門，啟停泵流程內(nèi)的各項工作均需現(xiàn)場人員手動按順序去完成，操作過程十分繁瑣，且勞動強度大，啟泵時間長，設備故障難以及時發(fā)現(xiàn)；特別是水位到達啟停水位時能否按時啟停水泵，受磁浮子翻板液位計值班人員人為因素制約，給安全排水帶來一定的隱患，磁浮子翻板液位計現(xiàn)有工作模式已無法滿足現(xiàn)代礦井的管理要求。因此非常有必要對主排水系統(tǒng)進行自動化改造，將中央變電所和中央磁浮子翻板液位計有機整合，實現(xiàn)磁浮子翻板液位計一人頂崗全盤自動操作[2]，為礦井實現(xiàn)全面自動化提供理論基礎和數(shù)據(jù)參考。

 

2研究內(nèi)容

在安全、穩(wěn)定、可靠、xianjin的前提下，利用現(xiàn)有成熟的工業(yè)生產(chǎn)過程控制技術(shù)，包括并不局限于國際xianjin的PLC、HMI、工業(yè)以太網(wǎng)、工控機、各類傳感器技術(shù)等，實現(xiàn)排水作業(yè)的自動化控制，可自動進行事件記錄、數(shù)據(jù)管理。實現(xiàn)中央磁浮子翻板液位計的就地自動化排水、遠程監(jiān)測狀態(tài)、遠程控制排水。

 

2.1技術(shù)路線

根據(jù)項目研究特點，采用的技術(shù)路線如下圖1所示。

 

 

2.2系統(tǒng)功能

1）控制系統(tǒng)采用主站+分站模式，每臺分站對應一臺水泵及附屬設備，各分站通過一根CAN總線串接，任何一臺分站故障，不影響其他分站工作。地面控制中心設置在區(qū)隊值班室，地面控制中心設置2臺工控機，自動排水系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)將中央磁浮子翻板液位計的設備運行情況的動態(tài)畫面、音視頻、設備運行相關(guān)技術(shù)參數(shù)等傳輸?shù)降孛?，同時預留接口，能夠與礦自動化網(wǎng)絡監(jiān)控平臺聯(lián)網(wǎng)。

2）地面監(jiān)控中心工控機具備運行參數(shù)報表/故障報表的統(tǒng)計分析、每臺水泵開機時間/總排水量統(tǒng)計分析、自動生成、記錄、查詢、打印等功能。

3）實時監(jiān)測：開關(guān)運行數(shù)據(jù)、各類閘閥狀態(tài)、傳感器實時數(shù)據(jù)和故障狀態(tài)，并能夠保存各類數(shù)據(jù)不少于1個月。

4）保護功能：具有流量保護、壓力異常保護、電動閘閥故障保護、水位超限及水位傳感器故障報警保護裝置；在每處水位采集點設置2套不同原理液位傳感器，液位傳感器可以監(jiān)測0~5m的深度水位，精度為0.02m；可實現(xiàn)水位突變報警、排水量異常報警、電機及水泵溫度異常報警停機功能。

 

3系統(tǒng)設計

系統(tǒng)以PLC為中央處理器控制核心，以數(shù)據(jù)采集監(jiān)測監(jiān)控裝置為載體，采用穩(wěn)定可靠的傳感器和執(zhí)行器，在組態(tài)軟件平臺的支持下，利用礦方已有的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，建立自動化排水監(jiān)控系統(tǒng)[3]。實現(xiàn)地面遠程監(jiān)控，現(xiàn)場手動控制，并準確測量水位、水壓、水泵狀態(tài)、流量等參數(shù)，并根據(jù)相關(guān)策略通過高壓啟動裝置合理調(diào)度水泵運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、存儲、數(shù)據(jù)共享，達到礦井排水系統(tǒng)的自動化和無人化。系統(tǒng)總體架構(gòu)如下圖2所示。

 

 

系統(tǒng)可以劃分為三層結(jié)構(gòu)：管理層即地面監(jiān)控中心，主要負責數(shù)據(jù)的圖形、報表、曲線等形式的存儲與展示，以及系統(tǒng)運行的監(jiān)測和維護、報警等；傳輸層由環(huán)網(wǎng)交換機、光纖等組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸，采用以太環(huán)網(wǎng)，控制箱與網(wǎng)絡實現(xiàn)對接；控制層以PLC為主控制器，穩(wěn)定可靠，擴展性強。控制系統(tǒng)采用主站+分站模式，每臺分站對應一臺水泵及附屬設備，結(jié)構(gòu)明晰、節(jié)約線纜、穩(wěn)定可靠。各分站通過一根CAN總線串接，任何一臺分站故障，不影響其他分站工作。系統(tǒng)主要由流量、壓力、溫度、液位等傳感器，電動閘閥、電動球閥等執(zhí)行機構(gòu)以及具備云臺和拾音功能的攝像儀組成。同時系統(tǒng)配置本安操作臺，能實現(xiàn)對磁浮子翻板液位計水泵排水系統(tǒng)的遠程\就地自動啟停、自動輪換、故障智能切換、避峰填谷、自動診斷功能。

 

3.1 控制設計

中央磁浮子翻板液位計控制系統(tǒng)設計如圖 3 所示：

 

 

磁浮子翻板液位計數(shù)據(jù)采集主要是安裝傳感器，通過傳感器采集各關(guān)鍵部分的數(shù)據(jù)信息，傳送到PLC控制箱。安裝傳感器主要包括水倉水位、管路流量、閘閥開關(guān)、壓力變送器、溫度傳感器等組成。

1）目前井下中央水磁浮子翻板液位計內(nèi)每臺水泵有1個出水手動閘閥，將手動閘閥更換成電動閘閥。系統(tǒng)每臺水泵配備1臺礦用電動閘閥，共3臺。系統(tǒng)采用灌引水方式，每臺泵配置2臺礦用本質(zhì)安全型電動球閥，共計6臺。

2）出口壓力監(jiān)測：在每臺水泵排氣口、出水口各配置1臺壓力傳感器，共設計礦用本質(zhì)安全型壓力變送器6臺。

3）液位監(jiān)測：目前井下中央磁浮子翻板液位計有主副2個水倉，在主水倉配置2臺不同工作原理的液位傳感器，共設計2臺礦用本質(zhì)安全型液位傳感器。

4）流量監(jiān)測：系統(tǒng)設計2臺礦用隔爆兼本質(zhì)安全型數(shù)字超聲波流量計，安裝在主排水管道上。

5）溫度數(shù)據(jù)采集：每臺水泵內(nèi)預埋有溫度采集接口，系統(tǒng)將采集每臺水泵電機的三相定子溫度和軸承溫度，配置2臺溫度傳感器，共6臺。

3.2供電設計

中央水磁浮子翻板液位計供電設計如圖4所示：

 

如上圖所示，中央磁浮子翻板液位計內(nèi)安裝的設備主要有可編程控制器箱、操作臺、電動閘閥、電動球閥、壓力傳感器、液位傳感器、流量傳感器等設備，他們之間供電電壓等級和性質(zhì)不同，需要根據(jù)實際選擇設備相關(guān)參數(shù)進行供電及信號設計[4]。

 

3.3 軟件設計

研發(fā)了配套上位機軟件系統(tǒng)及配套報表自動生成功能，供操作人員查詢參考，如圖 5、圖 6 所示。

 

 

4試驗及結(jié)論

本系統(tǒng)在中央變電所進行了為期四個月的工業(yè)性試驗，試驗結(jié)果表明：采用自動排水系統(tǒng)能夠直觀顯示礦井當前用水量以及水泵啟動臺數(shù)、時間、流量及其他運行參數(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)就地自動化排水、遠程監(jiān)測狀態(tài)、遠程控制排水，具備較好的自動運行和自調(diào)節(jié)功能，并且可通過上位機軟件實現(xiàn)遠程操控。系統(tǒng)上線運行后，中央水磁浮子翻板液位計及其他三個水磁浮子翻板液位計由4名工人專人定檢改為1名工人巡檢，基本實現(xiàn)了排水工作自動化、無人化。