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摘 要：矿井自动排水系统是数字化矿井的重要组成部分，实现煤矿的排水自动化、效率分析、设备远程智能维护和矿井灾害预测，对保障矿井生产安全，辅助决策指挥有重大现实意义。该项目依托平朔中煤平朔一号井的自动化和网络基础，在实现基本的监测和自动控制功能以外，提供效率分析、设备远程智能维护和矿井灾害预测等实用功能，在其投入使用后，中央泵房系统运行实现自动化，运行安全可靠，故障率降低，设备使用寿命延长，实现 “避峰填谷”，提高了矿井经济效益，实现了井下无人值守水泵房，它的成功应用必将对平朔其他矿井起到示范作用。
关键词：水泵房 排水自动化控制系统 PLC 工业以太网 监控
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）005-078-03
随着国家对煤矿安全生产工作、矿井劳动效率及现代化管理水平要求的日益提高，全矿井的数据采集、生产调度、决策指挥逐渐网络化、信息化、科学化，矿井排水系统作为煤矿生产的必要环节，它的安全、可靠运行直接关系到煤矿的正常生产，体现出越来越突出的重要性。
1 系统概述
中煤平朔一号井位于山西省朔州市平朔矿区内，南距朔州市15公里，隶属于中国中煤能源股份有限公司平朔分公司。始建于2003年6月，2006年3月正式投产。设计生产能力为1000万吨/年。
平朔中煤平朔一号井原有9煤主排水泵房，承担全矿井的排水任务。排水系统的阀门全部手动，人工监测水位，其它的排水信息没有检测。
平朔中煤平朔一号井目前已建成全矿井自动化系统，工业以太环网正在实施中，为太西采区9煤无人值守水泵房提供了良好的网络基础。
根据矿井排水的实际工况，经反复的讨论，制定了一套完整的自动控制系统方案，并完成原理图纸设计和元件选型等工作，为工程的实施奠定了良好的基础。
2 系统组成
水泵自动控制系统包括：矿用PLC控制柜、矿用低压柜、本质安全型操作台、各类电磁阀、传感器、地面远程监控主机。地面和井下的控制设备提供100MHz的以太网接口，由以太网交换机将信息上传至全矿井信息管理层，形成井下现场、地面远程监控的一体化水泵房。地面远程监测控制主机对外提供开放式接口，将来方便将系统接入全矿井综合自动化平台和信息化平台。
3 系统功能
系统功能包括数据采集与监测、控制功能、保护功能、组态软件具有的功能。
3.1 数据采集与监测
实时监测排水系统以下环境参数：水仓水位、水仓泥位、水泵进水口真空度、水泵出水口压力、排水管流量等，实时计算矿井涌水量并绘制涌水趋势曲线，提供水灾的预警功能；实时监测排水系统以下设备参数：水泵电机电流、电机功率、启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器状态、阀门开闭状态、闸阀的开度、电机绕组温度、电机轴温、水泵轴温，实时计算水泵运行效率。数据采集和监测的刷新周期不大于1秒，数据记录和操作记录可保存1年以上。
现场发生停电故障的情况下，监测系统使用UPS电源，保证数据的不间断监测和上传；整个水泵房自动化控制系统作为一个独立的子系统，子系统在软件上应具备远程的OPC接口，硬件上应具备以太网接口；现场控制中心将采集的数据通过设在变电所的以太网交换机将信息传至地面指挥中心，使地面指挥中心同步显示水泵运行工况，地面指挥中心可以发出指令给现场控制中心，实现远端指挥。
3.2 控制功能
基于系统设定，以及运行时间、水位、煤矿用电负荷等参数自动确定各台水泵的开启和停止，并能自动实现水泵及排水管路的轮换工作，做出合理调度；自动统计出矿井每天的用电负荷情况，确定用电高峰、低谷时间，以“移峰填谷”原则确定开、停水泵的时间；设定出低水位、高水位和上限水位信号，根据所监测的水位信号自动分配泵的运行/停止。低水位时停泵；高水位时休止时间最长的一台水泵运行；上限水位时休止时间长的两台泵运行，另一台备用或检修。当水位达到高位或者水位低于高位但处在用电低谷时间内，将自动启动一台休止时间最长的运行泵，当达到低位或者处于低水位和高位之间但属于用电高峰时间内则自动停泵。
每台水泵设置地面远控、井下集控、就地三种工作方式，同时集控又分自动、半自动和手动三种方式，就地方式有闭锁和检修方式，具体工作方式可由操作台上旋钮设定或由地面主机设定。自动时，由PLC检测水位、压力、时间等相关信号，自动完成各泵组和管路运行，无需人工参与；半自动工作方式时，由工作人员选择泵组运行/停止，PLC自动完成选定泵组和管路的启停和监控工作；手动检修方式仅在故障检修和手动试车时使用，当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组自动退出运行和工作轮转，不影响其它泵组正常运行。PLC柜上设有该泵的禁止启动按钮和指示灯，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统安全可靠。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行。
3.3 保护功能
系统具有的保护功能有温度保护、流量保护、电机故障检测、电动闸阀故障检测、电动闸阀故障检测、水泵轮换工作保护和闸阀轮换工作保护等。
温度保护：当轴承温度或定子温度超出允许值时， PLC 自动实现温度超限报警；流量保护：当水泵正常中流量达不到正常值时，则自动实现本台水泵停车报警，自动转换为启动另一台水泵工作；电机故障检测：通过高压电动机综保与PLC的通讯，监视水泵电机短路、漏电、断相、过电流、欠电压等电气故障，并参与水泵的联锁控制；电动闸阀故障检测：监测闸阀电机的短路、漏电、过载、断相、过电流等故障，并参与水泵的联锁控制；水泵轮换工作保护：设计各台泵及管路的“轮换工作制”， 防止因泵或管路长期不用而出现故障不能及时被发现，以达到有故障早发现、早处理，保证设备处于良好状态，有紧急情况需要投入能及时投入运行，以免影响矿井安全；闸阀轮换工作保护：为防止管路选择闸阀长期不用导致卡阻生锈，设计“轮换工作制”，在管路对应一台水泵的情况下，开闭管路轮换选择闸阀。 3.4 组态软件具有的功能
系统集成组态软件提供了生动直观的界面和丰富易用的功能。组态软件功能包括实时运行参数监测、实时过程控制、历史数据查询、设备故障及模拟量超限时报警、优化生产计划、智能控制和模拟动画显示。
(1)实时运行参数监测：实时采集水泵运行工况参数，可模拟显示水仓水位、泵的流量、出口压力、工作电流、工作电压、功率、效率、轴承和定子温度、电量及电动机、电磁阀和电动阀的各种工作状态，并做出曲线、报表，以利于管理人员做出正确判断，并可召唤打印。
(2)实时过程控制：根据分析采集的参数，自动完成过程控制，或由操作员操作控制。
(3)历史数据查询：实时监测数据及故障信息均可存贮于历史数据库中，可实现历史回显，历史趋势分析，可显示直方图、柱装图、饼图等以便进行综合分析。
(4)设备故障及模拟量超限时报警：设备故障及模拟量超限时，同步显示故障设备名称、语音报警、向短信平台发送信息、打印故障等功能。服务器将该故障信息存入故障信息数据库，供以后统计分析。
(5)优化生产计划：建立综合历史数据库，将用电量、排水量、涌水量、排水时间等情况作趋势分析图表，为今后的生产计划和矿井安全提供参考。
(6)智能控制：软件设置多种控制策略，可以根据实际情况做出决策和应急预案，以提高系统的自动化程度和智能程度；设置不同的值班人员操作权限，并能够对值班人员的操作进行记录。
(7)模拟动画显示：在正常工作情况下，所有监视画面按照操作员规定的显示顺序与切换周期自动轮换显示；在发生故障时自动弹出故障所在画面；动画采用图形填充以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时地显示各个监测参数，并在启停水泵的水位段发出预告信号和分段报警信号，用语音和灯光提醒工作人员注意。显示内容包括管网闸阀布置图、排水路线示意图、控制逻辑图、供配电及馈电示意图、水泵运行全特性曲线图、水泵运行综合分析统计图表、水位综合分析统计图表、矿井涌水量综合分析统计图表等。
4 系统特点
在发生灾害和其它特殊情况下，远程控制可以提供最终的备用操作手段。系统可提供矿井涌水趋势分析，为矿井管理者提供决策参考。该项目可最大限度的减少停机检修时间。
该系统对目前实际使用中比较忽视的排水管路效率做了重点监测。因为排水管道在长期使用后存在管壁结垢现象，这不仅增加了管道阻力同时也减小了管道流量，同时也增加了电能损耗。通过对排水管流量和压力的监测，可以知道管道内结垢的程度，及时告警进行结垢清除，减小排水阻力，提高系统效率；为了降低管网压力，通过进水量和出水量的对比，在排水时可充分利用管路，实行多管路排水，提高水泵工况点效率；该系统在初期设计阶段，针对选用设备，根据数学模型，尽量增大排水管路的直径，使水泵和管路相匹配，水泵工况点接近理想工况点运行。
对于水仓泥位的监测，可以提醒工作人员及时清理淤泥，避免泥沙等杂物对泵体的磨损及汽蚀的发生；对于水仓水位的监测，可以保证在高水位排水，降低泵的吸水高度，也会避免汽蚀，减少吸水阻力，提高泵的效率。
系统解决的关键技术问题包括：与电力监测系统通讯，实现数据共享，对确定系统运行状况起到决策性作用；监测计算矿井涌水趋势，根据水位、涌水量确定用电负荷情况，实现“避峰填谷”、分时用电功能；实现远程设备诊断和远程设备维护；通过对排水系统数据的采集、积累、分析，建立合理的数学模型，提高自动化控制水平，实现无人值守水泵房。
系统特点和优势体现为：井下排水泵房、变电所一体化设计；完善的检测和保护系统，地面、井下同步的实时监测；地面远程/井下就地和全自动/单回路自动/手动等多种操作方式的组合；远程编程、组态、设备诊断功能；本安、隔爆、矿用一般型多种防爆形式的组合设计。
5 总结
5.1 应用前景
矿井排水系统是集水泵房设备监测和保护、井下信息发布、灾后总结、日常管理等一体的综合性运用系统,集合了国内外监测保护设备、传输技术、软件技术等最顶尖的产品和技术，这一科技成果的实现，将为煤矿企业的安全生产和日常管理上台阶以及事故急救带来了新的契机。
5.2 经济效益
矿井井下排水是矿井主要用电负荷之一，其电耗占总耗电的20%左右。排水系统总效率由电动机效率，水泵效率，排水管路效率三部分组成。对于排水系统效率，在水泵性能校验中，现有的设计方法只校验水泵的效率。但是这并不是很全面、合理，应该校验整个排水系统的效率。本系统可提高整个排水系统效率，采用“避峰填谷”，合理安排开泵的时间，减少电费开支，对于降低能耗、减少运营成本。
5.3 社会效益
系统将水泵房和变电所作为一体来考虑设计，由于控制水平的提高，水泵房和变电所可实现无人值守，减少了人为操作失误，同时可减少操作人员8-12人，只需要保证在现场附近有巡检人员即可。
矿井透水事故时有发生，采用该系统通过对矿井水泵房排水系统的监测，可以尽可能避免事故的发生或是极大限度的将灾害损失降到最低, 增大矿井安全系数具有重要意义。实施后，可以给平朔其它矿井的排水系统提供示范作用。
参考文献：
[1] 爆炸性环境用防爆电气设备防爆型电气设备[S].
[2] 爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备[S].
[3] 煤炭工业矿井设计规范[S].
[4] 煤矿安全规程(2010)[S].
[5] GB4796 电工电子产品环境条件[S].
[6] GB20062 电力装置的继电保护和自动装置设计规范[S].
[7] GB50058 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范[S].
[8] GB4720-84 低压电器电控设备[S].
[9] GB50171-92 电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施式及验收规范[S].
[10] IEC144 低压开关和控制设备的外壳防护等级[S].
[11] ANSI488 可编程仪器的数字接口[S].
关键词：水泵房 排水自动化控制系统 PLC 工业以太网 监控
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）005-078-03
随着国家对煤矿安全生产工作、矿井劳动效率及现代化管理水平要求的日益提高，全矿井的数据采集、生产调度、决策指挥逐渐网络化、信息化、科学化，矿井排水系统作为煤矿生产的必要环节，它的安全、可靠运行直接关系到煤矿的正常生产，体现出越来越突出的重要性。
1 系统概述
中煤平朔一号井位于山西省朔州市平朔矿区内，南距朔州市15公里，隶属于中国中煤能源股份有限公司平朔分公司。始建于2003年6月，2006年3月正式投产。设计生产能力为1000万吨/年。
平朔中煤平朔一号井原有9煤主排水泵房，承担全矿井的排水任务。排水系统的阀门全部手动，人工监测水位，其它的排水信息没有检测。
平朔中煤平朔一号井目前已建成全矿井自动化系统，工业以太环网正在实施中，为太西采区9煤无人值守水泵房提供了良好的网络基础。
根据矿井排水的实际工况，经反复的讨论，制定了一套完整的自动控制系统方案，并完成原理图纸设计和元件选型等工作，为工程的实施奠定了良好的基础。
2 系统组成
水泵自动控制系统包括：矿用PLC控制柜、矿用低压柜、本质安全型操作台、各类电磁阀、传感器、地面远程监控主机。地面和井下的控制设备提供100MHz的以太网接口，由以太网交换机将信息上传至全矿井信息管理层，形成井下现场、地面远程监控的一体化水泵房。地面远程监测控制主机对外提供开放式接口，将来方便将系统接入全矿井综合自动化平台和信息化平台。
3 系统功能
系统功能包括数据采集与监测、控制功能、保护功能、组态软件具有的功能。
3.1 数据采集与监测
实时监测排水系统以下环境参数：水仓水位、水仓泥位、水泵进水口真空度、水泵出水口压力、排水管流量等，实时计算矿井涌水量并绘制涌水趋势曲线，提供水灾的预警功能；实时监测排水系统以下设备参数：水泵电机电流、电机功率、启动柜真空断路器和电抗器柜真空接触器状态、阀门开闭状态、闸阀的开度、电机绕组温度、电机轴温、水泵轴温，实时计算水泵运行效率。数据采集和监测的刷新周期不大于1秒，数据记录和操作记录可保存1年以上。
现场发生停电故障的情况下，监测系统使用UPS电源，保证数据的不间断监测和上传；整个水泵房自动化控制系统作为一个独立的子系统，子系统在软件上应具备远程的OPC接口，硬件上应具备以太网接口；现场控制中心将采集的数据通过设在变电所的以太网交换机将信息传至地面指挥中心，使地面指挥中心同步显示水泵运行工况，地面指挥中心可以发出指令给现场控制中心，实现远端指挥。
3.2 控制功能
基于系统设定，以及运行时间、水位、煤矿用电负荷等参数自动确定各台水泵的开启和停止，并能自动实现水泵及排水管路的轮换工作，做出合理调度；自动统计出矿井每天的用电负荷情况，确定用电高峰、低谷时间，以“移峰填谷”原则确定开、停水泵的时间；设定出低水位、高水位和上限水位信号，根据所监测的水位信号自动分配泵的运行/停止。低水位时停泵；高水位时休止时间最长的一台水泵运行；上限水位时休止时间长的两台泵运行，另一台备用或检修。当水位达到高位或者水位低于高位但处在用电低谷时间内，将自动启动一台休止时间最长的运行泵，当达到低位或者处于低水位和高位之间但属于用电高峰时间内则自动停泵。
每台水泵设置地面远控、井下集控、就地三种工作方式，同时集控又分自动、半自动和手动三种方式，就地方式有闭锁和检修方式，具体工作方式可由操作台上旋钮设定或由地面主机设定。自动时，由PLC检测水位、压力、时间等相关信号，自动完成各泵组和管路运行，无需人工参与；半自动工作方式时，由工作人员选择泵组运行/停止，PLC自动完成选定泵组和管路的启停和监控工作；手动检修方式仅在故障检修和手动试车时使用，当某台水泵及其附属设备发生故障时，该泵组自动退出运行和工作轮转，不影响其它泵组正常运行。PLC柜上设有该泵的禁止启动按钮和指示灯，设备检修时，可防止其他人员误操作，以保证系统安全可靠。系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行。
3.3 保护功能
系统具有的保护功能有温度保护、流量保护、电机故障检测、电动闸阀故障检测、电动闸阀故障检测、水泵轮换工作保护和闸阀轮换工作保护等。
温度保护：当轴承温度或定子温度超出允许值时， PLC 自动实现温度超限报警；流量保护：当水泵正常中流量达不到正常值时，则自动实现本台水泵停车报警，自动转换为启动另一台水泵工作；电机故障检测：通过高压电动机综保与PLC的通讯，监视水泵电机短路、漏电、断相、过电流、欠电压等电气故障，并参与水泵的联锁控制；电动闸阀故障检测：监测闸阀电机的短路、漏电、过载、断相、过电流等故障，并参与水泵的联锁控制；水泵轮换工作保护：设计各台泵及管路的“轮换工作制”， 防止因泵或管路长期不用而出现故障不能及时被发现，以达到有故障早发现、早处理，保证设备处于良好状态，有紧急情况需要投入能及时投入运行，以免影响矿井安全；闸阀轮换工作保护：为防止管路选择闸阀长期不用导致卡阻生锈，设计“轮换工作制”，在管路对应一台水泵的情况下，开闭管路轮换选择闸阀。 3.4 组态软件具有的功能
系统集成组态软件提供了生动直观的界面和丰富易用的功能。组态软件功能包括实时运行参数监测、实时过程控制、历史数据查询、设备故障及模拟量超限时报警、优化生产计划、智能控制和模拟动画显示。
(1)实时运行参数监测：实时采集水泵运行工况参数，可模拟显示水仓水位、泵的流量、出口压力、工作电流、工作电压、功率、效率、轴承和定子温度、电量及电动机、电磁阀和电动阀的各种工作状态，并做出曲线、报表，以利于管理人员做出正确判断，并可召唤打印。
(2)实时过程控制：根据分析采集的参数，自动完成过程控制，或由操作员操作控制。
(3)历史数据查询：实时监测数据及故障信息均可存贮于历史数据库中，可实现历史回显，历史趋势分析，可显示直方图、柱装图、饼图等以便进行综合分析。
(4)设备故障及模拟量超限时报警：设备故障及模拟量超限时，同步显示故障设备名称、语音报警、向短信平台发送信息、打印故障等功能。服务器将该故障信息存入故障信息数据库，供以后统计分析。
(5)优化生产计划：建立综合历史数据库，将用电量、排水量、涌水量、排水时间等情况作趋势分析图表，为今后的生产计划和矿井安全提供参考。
(6)智能控制：软件设置多种控制策略，可以根据实际情况做出决策和应急预案，以提高系统的自动化程度和智能程度；设置不同的值班人员操作权限，并能够对值班人员的操作进行记录。
(7)模拟动画显示：在正常工作情况下，所有监视画面按照操作员规定的显示顺序与切换周期自动轮换显示；在发生故障时自动弹出故障所在画面；动画采用图形填充以及趋势图、棒状图方式和数字形式准确实时地显示各个监测参数，并在启停水泵的水位段发出预告信号和分段报警信号，用语音和灯光提醒工作人员注意。显示内容包括管网闸阀布置图、排水路线示意图、控制逻辑图、供配电及馈电示意图、水泵运行全特性曲线图、水泵运行综合分析统计图表、水位综合分析统计图表、矿井涌水量综合分析统计图表等。
4 系统特点
在发生灾害和其它特殊情况下，远程控制可以提供最终的备用操作手段。系统可提供矿井涌水趋势分析，为矿井管理者提供决策参考。该项目可最大限度的减少停机检修时间。
该系统对目前实际使用中比较忽视的排水管路效率做了重点监测。因为排水管道在长期使用后存在管壁结垢现象，这不仅增加了管道阻力同时也减小了管道流量，同时也增加了电能损耗。通过对排水管流量和压力的监测，可以知道管道内结垢的程度，及时告警进行结垢清除，减小排水阻力，提高系统效率；为了降低管网压力，通过进水量和出水量的对比，在排水时可充分利用管路，实行多管路排水，提高水泵工况点效率；该系统在初期设计阶段，针对选用设备，根据数学模型，尽量增大排水管路的直径，使水泵和管路相匹配，水泵工况点接近理想工况点运行。
对于水仓泥位的监测，可以提醒工作人员及时清理淤泥，避免泥沙等杂物对泵体的磨损及汽蚀的发生；对于水仓水位的监测，可以保证在高水位排水，降低泵的吸水高度，也会避免汽蚀，减少吸水阻力，提高泵的效率。
系统解决的关键技术问题包括：与电力监测系统通讯，实现数据共享，对确定系统运行状况起到决策性作用；监测计算矿井涌水趋势，根据水位、涌水量确定用电负荷情况，实现“避峰填谷”、分时用电功能；实现远程设备诊断和远程设备维护；通过对排水系统数据的采集、积累、分析，建立合理的数学模型，提高自动化控制水平，实现无人值守水泵房。
系统特点和优势体现为：井下排水泵房、变电所一体化设计；完善的检测和保护系统，地面、井下同步的实时监测；地面远程/井下就地和全自动/单回路自动/手动等多种操作方式的组合；远程编程、组态、设备诊断功能；本安、隔爆、矿用一般型多种防爆形式的组合设计。
5 总结
5.1 应用前景
矿井排水系统是集水泵房设备监测和保护、井下信息发布、灾后总结、日常管理等一体的综合性运用系统,集合了国内外监测保护设备、传输技术、软件技术等最顶尖的产品和技术，这一科技成果的实现，将为煤矿企业的安全生产和日常管理上台阶以及事故急救带来了新的契机。
5.2 经济效益
矿井井下排水是矿井主要用电负荷之一，其电耗占总耗电的20%左右。排水系统总效率由电动机效率，水泵效率，排水管路效率三部分组成。对于排水系统效率，在水泵性能校验中，现有的设计方法只校验水泵的效率。但是这并不是很全面、合理，应该校验整个排水系统的效率。本系统可提高整个排水系统效率，采用“避峰填谷”，合理安排开泵的时间，减少电费开支，对于降低能耗、减少运营成本。
5.3 社会效益
系统将水泵房和变电所作为一体来考虑设计，由于控制水平的提高，水泵房和变电所可实现无人值守，减少了人为操作失误，同时可减少操作人员8-12人，只需要保证在现场附近有巡检人员即可。
矿井透水事故时有发生，采用该系统通过对矿井水泵房排水系统的监测，可以尽可能避免事故的发生或是极大限度的将灾害损失降到最低, 增大矿井安全系数具有重要意义。实施后，可以给平朔其它矿井的排水系统提供示范作用。
参考文献：
[1] 爆炸性环境用防爆电气设备防爆型电气设备[S].
[2] 爆炸性环境用防爆电气设备本质安全型电路和电气设备[S].
[3] 煤炭工业矿井设计规范[S].
[4] 煤矿安全规程(2010)[S].
[5] GB4796 电工电子产品环境条件[S].
[6] GB20062 电力装置的继电保护和自动装置设计规范[S].
[7] GB50058 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范[S].
[8] GB4720-84 低压电器电控设备[S].
[9] GB50171-92 电气装置安装工程盘、柜及二次回路接线施式及验收规范[S].
[10] IEC144 低压开关和控制设备的外壳防护等级[S].
[11] ANSI488 可编程仪器的数字接口[S].