水峪煤业井下排水监控系统的设计及测试研究

宫 强

（汾西矿业集团水峪煤业有限公司，山西 孝义 032300）

由于国家发展的需要，近年来，加大了煤矿的开采力度，而煤矿的开采会产生较大程度的积水，这给井下作业安全造成了威胁［1］。井下排水系统是有效解决井下积水问题的关键系统，而监控系统则是排水系统的核心系统。不断加大对井下排水系统中监控系统综合性能的升级设计，成为当下保证排水系统正常运行及作业安全的关键，将排水监控系统引入排水系统，对井下排水系统进行动态监控，保证稳定高效的运行，具有重要的推广应用价值［2］。因此，在分析井下排水监控系统设计的基础上，开展了监控系统的总体方案设计，并对该系统中PLC控制器、主要传感器及显示界面等方面进行设计研究，最终将所设计的监控系统在汾西矿业集团水峪煤业进行了应用测试，验证了该监控系统的稳定性及可行性，这对后期监控系统的推广应用奠定了基础。

1 井下排水监控系统设计的重要性

井下排水系统是煤矿生产系统的重要组成部分，其系统结构主要包括泵房、水仓、排水管路、多级排水泵、潜水泵、监控系统、控制系统等。保证各分系统的高效、稳定运行，对提高井下排水效率及作业安全至关重要［3］。据估算，在煤矿开采中，开采一吨煤，会产生将近5～7 t的积水；同时，井下也时常出现突然的较大量的渗水现象，导致井下的积水迅速增加，若未及时将井下积水排出，则很可能引发井下积水及设备损坏事故［4］。而井下排水系统能及时排除井下积水，并通过管路将积水从井下排出至井口以外;而监控系统则是整体排水系统的核心系统。目前，排水监控系统虽在井下进行了实际应用，但大部分煤矿中的排水监控系统存在智能化程度较低、数据检测精度较低、系统运行稳定性较差等问题，无法较全面地对井下排水相关信号参数进行实时采集及处理分析，极易产生信号显示不及时、信号误报等故障现象，严重影响着井下排水系统的正常运行及作业安全［5］。因此，有必要采用更加先进的控制、监控技术，加大对排水监控系统的升级设计，以保证井下的作业安全。

2 排水监控系统的总体设计

排水监控系统作为井下排水系统的重要组成部分，将目前先进的计算机控制技术、无线通信技术、数字化字化控制技术应用到监控系统，实现系统的优化升级改进，已成为当下重要的研究方向。因此，由山西科达自动化公司工程师和矿方工程技术人员组成的设计团队，选用汾西矿业集团水峪煤业中为研究对象，对该煤矿的排水系统进行了排水监控系统的设计研究。设计了包含井下监控系统、远程监控中心、设备层及操作层等方面内容，而系统的控制核心则选用了西门子的S7-300PLC控制器，系统通讯采用了CAN总线方式进行通讯，下端配备了包括YZ602型压力传感器、LED-99DE流量传感器及CY-DB42型液位传感器等数据检测设备。监控系统的总体结构方案见图1。在此方案中，通过下端的4个分站，分别对排水系统的相关数据进检测，由接收天线传递至数据接口，经过PLC控制器分析处理后，将相关信号传递至监控计算机，计算机通过HUB集线器，将各类数据信号进行分类传输至服务器、网络终端等，实现对井下排水的有效监控及故障报警。同时，远程监控中心通过服务器与客户端进行数据传输，对数据进行分析、处理、存储及监控，从而实现了数据的远程、快速传输与排水状态的监控。

图1 井下排水监控系统总体结构方案

3 控制系统主要模块设计

3.1 监控系统PLC控制器设计

PLC控制器是井下排水监控系统的核心部分。选用了市场成熟的西门子S7-300型PLC控制器。该控制器设计了模拟量输入/输出模块、数字量输入/输出模块、开关量输入/输出模块、通讯模块、CPU模块等模块［6］，其外形见图2。其中，井下水泵电机开关、水泵管路开关、急停开关等信号则通过PLC控制器中的开关量输入/输出模块进行信号输入；而井下电机转速、工作温度、电流大小、功率等则通过模拟量输入/输出模块进行信号输入；井下环境中的氧气浓度、湿度、压力大小等信号则通过数字量输入/输出进行信号获取及输出。另外，在PLC中各模块的工作电源采用的24VDC电源，可通过PLC中的CPU中的电压及外部的AC/DC转换电源进行供电。西门子PLC与其他品牌不同的是，在其内部设计了滤波电路，可有效实现对外部干扰信号的隔离。所选用的PLC控制器具有较高的控制性能，能较好的满足井下排水系统的有效控制，保证井下作业环境的安全。

图2 S7-300PLC控制器

3.2 主要传感器选型设计

井下排水系统主要由电机、水泵、各类阀门、管道等组成，因此，所设计的监控系统需实现对水位高度、流量、水泵的运行压力、电机工作状态等方面信号检测，选用性能稳定，检测精度较高的传感器尤为重要。下面就排水监控系统中的流量传感器及液位传感器进行选型设计分析。

（1）流量传感器

流量传感器主要安装在排水管道上，负责对水泵中的水位的流量进行检测。经过筛选对比，选用了LED-99DE型流量传感器，其外形见图3。该传感器具有数据检测精度高，设备性能稳定，抗干扰性强等特点，一方面可对水泵的运行状态进行检测，当水泵出现问题时，可向PLC发出相应提示，并做出水泵运行状态的实时调整；另一方面则可完成对排水系统的有效检测，当排水系统出现故障问题时，流量传感器也能发出相应的提示，协助完成对排水系统故障的排除。

图3 LED-99DE型流量传感器实物

（2）液位传感器

有效控制排水系统中水位高度，是整个排水监控系统的核心。由于排水过程中，经常出现管路渗水或漏水现象，加上所渗漏出的水中带有一定的酸碱性，大量渗、漏水的长期积累，也将出现各类淤泥的堆积现象。因此，选用了两个同种规格的CYDB42型液位传感器，其实物见图4。该传感器具有较强的抗腐蚀性及防水等级，能较好适应井下环境；同时，所设计的两个液位传感器安装于水仓的不同部位。当两个液位传感器检测的信号参数基本相同时，则认为检测数据准确；当两个传感器检测数据差距较大时，则认为水位检测有问题，需进行水位的再次复查及检测，以保证了所检测水位的准确性。

图4 液位传感器实物

3.3 监控系统显示界面设计

结合现有的组态软件设计功能，对排水监控系统的显示界面进行了设计。在该显示界面中设计了管路流量显示、管路压力、阀门开度、水泵运转情况、水仓液位值、报警功能、数据报表、数据曲线等功能，并将各类数据信号通过数字或流动画面等方式进行显示，整个显示界面见图5。同时，在该显示界面中，能对电机的启停、设备的开关等情况进行控制及显示；当所检测的数据值超过相应阀值时，该显示界面则会发生相应的黄色报警，并在整个流程图中对异常现象发生位置进行实时显示，以快速方便地对操作人员发出故障信息的提示。另外，通过显示界面中的报表输出，可将排水系统中的各类信号参数进行打印及数据存储，由此，完成对整个井下排水系统的全面监控。

图5 排水监控系统显示界面

4 控制系统的测试验证

为进一步掌握所设计的井下排水监控系统的稳定性及可行性，将该监控系统用于汾西矿业集团水峪煤业的井下进行了将近6个月的现场应用测试。测试结果表明：该监控系统各项功能运行正常，且能对排水过程中的各类信号参数进行实时检测，并通过显示界面进行相关数据及排水系统运行状态的实时显示，当系统出现故障问题时，也能将相关故障信息通过显示界面进行显示。与该煤矿现有的监控系统相比，其监控的远程控制功能更加强大，显示更加直观。据现场人员介绍，该监控系统能使排水系统故障问题排除率提高约50%，并使井下排水系统作业安全性提高了将近45%。按照一年估算，可给企业节约将近50万的相关费用支出，得到了现场人员及企业管理人的一致认可。由此，验证了所设计的排水监控系统具有一定的可靠性及可行性，可对该井下排水监控系统进行推广应用。

5 结语

将更加先进的控制技术及设备应用到井下排水监控系统中，已成为目前提升排水系统工作效率及作业安全的关键。因此，通过对井下排水监控系统的重要性进行分析，进而开展了监控系统总体方案的设计，并对监控系统关键模块进行了设计。为验证该系统的监控性能，将其在汾西矿业集团水峪煤业进行了应用测试。结果表明：与现有的监控系统相比，所设计的排水监控系统运行正常，监控功能更加全面，能使排水系统中的故障排除时间缩短将近50%，并为企业节约将近50万元/年的费用支出，得到了相关人员的一致好评，建议将此系统进行推广应用。