煤礦井下磁性翻板液位計自動排水系統的應用研究

煤礦井下磁浮子翻板液位計自動排水系統的應用研究

 

摘要：針對晉煤集團坪上煤業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，實現磁浮子翻板液位計一人頂崗全盤自動操作，實現實時掌控參數及就地自動化排水、遠程監測狀態、遠程控制排水，具備較好的自動運行和自調節功能，為礦井自動化、無人化管理提供了技術支撐。

 

引言

自動化、無人化是當今煤礦發展的一個主流。新版《煤礦安全生產標準化》要求：礦井主排水系統采用集中遠程監控，實現無人值守。因此利用現代化的技術和手段，對礦井主排水系統進行升級改造，從而實現崗位自動化監控，切實保障水泵排水系統穩定、可靠，因而對現有系統進行升級改造勢在必行[1]。

 

1現場概況

坪上煤業為晉煤集團旗下主力生產礦井。目前中央水磁浮子翻板液位計主排水系統采用傳統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，啟停泵流程內的各項工作均需現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現；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有工作模式已無法滿足現代礦井的管理要求。因此非常有必要對主排水系統進行自動化改造，將中央變電所和中央磁浮子翻板液位計有機整合，實現磁浮子翻板液位計一人頂崗全盤自動操作[2]，為礦井實現全面自動化提供理論基礎和數據參考。

 

2研究內容

在安全、穩定、可靠、xianjin的前提下，利用現有成熟的工業生產過程控制技術，包括并不局限于國際xianjin的PLC、HMI、工業以太網、工控機、各類傳感器技術等，實現排水作業的自動化控制，可自動進行事件記錄、數據管理。實現中央磁浮子翻板液位計的就地自動化排水、遠程監測狀態、遠程控制排水。

 

2.1技術路線

根據項目研究特點，采用的技術路線如下圖1所示。

 

 

2.2系統功能

1）控制系統采用主站+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隊值班室，地面控制中心設置2臺工控機，自動排水系統通過工業以太網將中央磁浮子翻板液位計的設備運行情況的動態畫面、音視頻、設備運行相關技術參數等傳輸到地面，同時預留接口，能夠與礦自動化網絡監控平臺聯網。

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

3）實時監測：開關運行數據、各類閘閥狀態、傳感器實時數據和故障狀態，并能夠保存各類數據不少于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，液位傳感器可以監測0~5m的深度水位，精度為0.02m；可實現水位突變報警、排水量異常報警、電機及水泵溫度異常報警停機功能。

 

3系統設計

系統以PLC為中央處理器控制核心，以數據采集監測監控裝置為載體，采用穩定可靠的傳感器和執行器，在組態軟件平臺的支持下，利用礦方已有的工業以太環網，建立自動化排水監控系統[3]。實現地面遠程監控，現場手動控制，并準確測量水位、水壓、水泵狀態、流量等參數，并根據相關策略通過高壓啟動裝置合理調度水泵運行，實現數據上傳、存儲、數據共享，達到礦井排水系統的自動化和無人化。系統總體架構如下圖2所示。

 

 

系統可以劃分為三層結構：管理層即地面監控中心，主要負責數據的圖形、報表、曲線等形式的存儲與展示，以及系統運行的監測和維護、報警等；傳輸層由環網交換機、光纖等組成，實現數據可靠傳輸，采用以太環網，控制箱與網絡實現對接；控制層以PLC為主控制器，穩定可靠，擴展性強。控制系統采用主站+分站模式，每臺分站對應一臺水泵及附屬設備，結構明晰、節約線纜、穩定可靠。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、電動球閥等執行機構以及具備云臺和拾音功能的攝像儀組成。同時系統配置本安操作臺，能實現對磁浮子翻板液位計水泵排水系統的遠程\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設計如圖 3 所示：

 

 

磁浮子翻板液位計數據采集主要是安裝傳感器，通過傳感器采集各關鍵部分的數據信息，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、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。系統每臺水泵配備1臺礦用電動閘閥，共3臺。系統采用灌引水方式，每臺泵配置2臺礦用本質安全型電動球閥，共計6臺。

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

3）液位監測：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臺礦用本質安全型液位傳感器。

4）流量監測：系統設計2臺礦用隔爆兼本質安全型數字超聲波流量計，安裝在主排水管道上。

5）溫度數據采集：每臺水泵內預埋有溫度采集接口，系統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不同，需要根據實際選擇設備相關參數進行供電及信號設計[4]。

 

3.3 軟件設計

研發了配套上位機軟件系統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試驗及結論

本系統在中央變電所進行了為期四個月的工業性試驗，試驗結果表明：采用自動排水系統能夠直觀顯示礦井當前用水量以及水泵啟動臺數、時間、流量及其他運行參數，系統能夠實現就地自動化排水、遠程監測狀態、遠程控制排水，具備較好的自動運行和自調節功能，并且可通過上位機軟件實現遠程操控。系統上線運行后，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，基本實現了排水工作自動化、無人化。