KJ164 煤矿排水监测系统的设计与应用

王 鹏

（大同煤矿集团白洞矿业公司， 山西 大同 037001）

1 KJ164 煤矿排水监测系统概述

大同煤矿集团白洞矿业公司C5 号层主排水泵房担负着将全矿井井下水排至地面的重任，布置有主、副水仓，主副水仓容积均为1 200 m3，通过一定高度的连通渠在吸水井处将主副水仓联通；主水仓设置有两个吸水井，吸水井底部通过连通渠直接相连；水泵房布置有3 台水泵，水泵型号为MD280-65×7，水泵额定排水量280 m3/h；配套电机型号为YB2-4503-4，电动机功率为630 kW；水泵房设有两趟Φ200 排水管路，通过主排水泵房管子道、930 材料暗斜井、东404 联络巷及主立井排至地面矿井水处理厂。根据大同煤矿集团公司智能化矿井的要求，为实现主排水泵房的无人值守，经公司领导研究决定在C5 号层主排水泵房安装KJ164 煤矿排水监测系统。经过2 年的使用，证明该系统能够实现主排水泵房无人值守功能，并且在地面控制机室将数据报表打印出来，用以分析水泵运行情况及井下排水量变化情况，对指导和预防井下水灾具有一定意义。

2 KJ164 煤矿排水监测系统的工作原理及功能

2.1 系统工作原理

KJ164 煤矿排水监控系统的主站系统是基于B/S/C（browse/sever/client）三层结构的计算机网络系统，其组成大致分为井下水泵控制站以及地面操作站两部分，二者之间采用工业以太网实现相互连接[1]。其中PLC 控制为主站控制器，主要作用是对排水泵、管道阀门、水仓水位、电动机等参数进行自动化控制与监测，依据水泵运行期间参数变化、水仓水位变化、闸阀状态及电动机运行参数的检测实现对水泵运行的科学控制。而以太网模块是井下水泵控制站进行传感器、控制器信号传输至地面操作站的主要途径[2]。另外，地面操作站设有上位机，上位机通过组态王开发监控系统软件进行数据的处理与控制，实现地面控制水泵的启动与停止；井下水泵控制站设有就地控制操作台，操作台上设置有液晶触摸屏，液晶触摸屏使用TCP/IP 协议与上位机通讯，传输速率为10/100 Mbit/s 自适应。同步显示上位机上所用的数据内容。

2.2 系统组成

1）控制箱及PLC 控制箱。KJ164 煤矿排水监控系统使用的KXB660 矿用隔爆型控制箱可置于煤矿井下，用于监测井下各种环境参数、设备开停状态等，实现对被控电气设备的起动、断电以及闭锁的控制。与KXJ127 矿用隔爆兼本安型PLC 控制器配接使用，PLC 控制器输出开关控制信号给控制箱，控制箱接收到开关量信号驱动继电器开闭，继电器输出端控制控制箱交流接触器输入端的有无继而控制交流接触器后级输出端触点的开闭，可实现低电压DC24V 控制交流660 V 设备的开停。

2）操作台。操作台与KXJ127 矿用隔爆兼本安型PLC 控制器配接使用，配备有液晶显示屏，可显示水泵房所有设备的工作状态及故障信息，同时操作台具有按钮式开关量输出功能，实现操作台就地控制水泵的功能。

3）电动闸阀。将原来手动闸阀更换为电动闸阀。电动闸阀具有手动和电动两种操作模式，在电动模式中，通过机械传动实现电动闸阀开到位、关到位及过力矩故障控制，配合PLC 和液晶显示屏实现闸阀状态显示。

4）放风球阀及引水球阀。在原来放风球阀和引水球阀的管路上并联接入了电动的放风球阀和引水球阀，从而实现了电动控制和手动控制两种操作模式。

5）液位传感器。采用投入式液位变送器，利用所测液体静压与该液体的高度成正比的原理，采用陶瓷电容压力敏感传感器，将静压转换为电信号，再经过线性修正转化为标准电信号供PLC 使用。

6）压力传感器。压力传感器由供电电源、压力传感器、单片机、频率信号输出等部分组成。传感器的电源部分向压力传感头提供工作电源，压力传感器把压力差变换成微弱的电信号，微弱的电信号经过单片机程序变换成数字信号，单片机对数字信号进行运算和处理，并且把压力值以频率信号输出。

7）温度传感器。温度传感器的感温元件为PT100铂热电阻，利用感温部件PT100 其输出电阻值与施加温度成正比的工作原理来测量温度，适用于对煤矿机电设备的温度进行连续测量。

8）流量计。采用超声波流量计是唯一能实现非接触式测量的流量计。超声波在流体中传播时会承载流体流速的信息，通过接收穿过流体的超声波就可以检测出流体的流速，从而计算出流量。

9）光纤摄像仪。摄像机由本安外壳、镜头、CCD、光发射板以及接线端子组成。外界景物的光线通过玻璃视窗进入镜头，聚焦在摄像头的CCD 芯片上，由CCD 摄像头输出全电视信号，将采集到的实时图像转换为视频电信号、视频光信号、网络电信号、网络光信号输出。配合硬盘录像机可以实现水泵房的实时监控和录像，方便了水泵房无人职守的管理。

2.3 系统控制功能及保护功能

2.3.1 控制功能

KJ164 煤矿排水监控系统分为上位机网络控制、就地自动控制、就地手动控制[3]。上位机网络控制时，需将水泵房操作台选择远控位置处，然后上位机管理员登录后可按照水泵工操作规程对水泵控制，完成水泵的启动和停止。就地自动控制，需将水泵房操作台选择近控位置处，然后按照水泵工操作规程通过操作台按钮对水泵控制，完成水泵的启动和停止。就地手动控制则水泵工按照以前的操作方法，完成水泵的启动和停止。

2.3.2 保护功能

1）超温保护：水泵长期运行，当轴承温度或定子温度超出允许值时，通过温度监测装置及PLC 实现超限报警。

2）电动机故障：当软启动开关因过电流、漏电、低电压等电气故障无法合闸时，PLC 将会把开关故障传送至上位机及触摸屏。

3）电动闸阀故障：电动闸阀设置有过力矩保护，当电动闸阀扭转力矩超过固定值时，将显示过力矩故障，闸阀电动机将不能开闭闸阀，从而达到保护闸阀电动机的目的。同时，PLC 将故障信息显示至上位机及液晶显示屏，以便及时发现并处理故障。

4）液位保护：当液位超出设置的液位上限和下限时，PLC 会在上位机及液晶显示屏上显示液位高和液位低，从而让工作人员得知何时开泵，何时停泵。

2.3.3 预警报警功能

KJ164 煤矿排水监测系统对运行过程中的水泵出现的故障分为“预警”和“报警”。其中预警信息仅通过报警对话框提示用户预警信息，不会对系统进行任何操作。故障报警对运行中的水泵出现故障时，系统将自动停止运行中的水泵，并报警提示用户[4]。

3 KJ164 煤矿排水监测系统的优缺点

3.1 系统优点

1）先进性。该系统采用PLC 控制程序模块化结构，系统可按程序模块分段调试，分布运行。该程序结构具有清晰、简捷、易懂，便于模拟调试，运行速度快等特点。同时可以根据客户的需求对内部程序进行编程，来满足不同设备的需求，具有良好的设备兼容性。

2）可靠性。该系统内部电气元件、电缆及防爆外壳严格按照防爆及防水设计规范进行设计制造，具有防爆、防火、防水、防腐蚀等优点，保证设备在水泵房潮湿环境等恶劣条件下仍然正常运行。

3）安全性。该系统中的操作台、电动球阀、摄像头、温度传感器、压力传感器及液位传感器采用本质安全性设计，可以实现在井下各地点安装都具有本质安全保障，大大提高其使用安全性。

4）实用性。该系统实现了水泵房的无人值守功能，提高了水泵房的自动化管理水平，消除了水泵运行噪声对水泵工的职业危害。

3.2 系统缺点

KJ164 煤矿排水监控系统的唯一不足是缺少对水泵和电动机振动的准确监测，不能预防因震动引起的固定螺栓松动进而造成水泵联轴节损坏的事故。

4 结语

主排水泵房作为煤矿井下安全生产的重点部位，KJ164 煤矿排水监控系统在主排水泵房的成功安装使用，提高了水泵房的自动化控制水平，减少了噪声对煤矿工人的职业危害，减少了水泵房的人工成本，为矿井智能化奠定了基础。