煤矿井下磁性翻板液位计自动排水系统的应用研究

煤矿井下磁浮子翻板液位计自动排水系统的应用研究

 

摘要：针对晋煤集团坪上煤业中央水磁浮子翻板液位计水泵人工操作繁琐、劳动强度大、启泵时间长、设备故障不能及时受控等问题，对主排水系统进行自动化改造，将中央变电所和中央磁浮子翻板液位计有机整合，实现磁浮子翻板液位计一人顶岗全盘自动操作，实现实时掌控参数及就地自动化排水、远程监测状态、远程控制排水，具备较好的自动运行和自调节功能，为矿井自动化、无人化管理提供了技术支撑。

 

引言

自动化、无人化是当今煤矿发展的一个主流。新版《煤矿安全生产标准化》要求：矿井主排水系统采用集中远程监控，实现无人值守。因此利用现代化的技术和手段，对矿井主排水系统进行升级改造，从而实现岗位自动化监控，切实保障水泵排水系统稳定、可靠，因而对现有系统进行升级改造势在必行[1]。

 

1现场概述

坪上煤业为晋煤集团旗下主力生产矿井。目前中央水磁浮子翻板液位计主排水系统采用传统的人工手动排水的方法，水泵每天开启时间约10h，需派专人进行看守。磁浮子翻板液位计水仓容量591.3m3，中央水磁浮子翻板液位计有三台泵，型号为MDM85-67×7，扬程为469m,排水能力为85m3/h，由型号为YB400S1-2、电压等级为6kV的电机拖动。供电高压隔爆开关为八达矿用磁力启动器的QJGZ-100/6。其中电机前后轴预埋有温度传感器，每台泵配套有出口压力表、入口压力表。抽真空方式为注水式。

由于磁浮子翻板液位计阀门均为手动阀门，启停泵流程内的各项工作均需现场人员手动按顺序去完成，操作过程十分繁琐，且劳动强度大，启泵时间长，设备故障难以及时发现；特别是水位到达启停水位时能否按时启停水泵，受磁浮子翻板液位计值班人员人为因素制约，给安全排水带来一定的隐患，磁浮子翻板液位计现有工作模式已无法满足现代矿井的管理要求。因此非常有必要对主排水系统进行自动化改造，将中央变电所和中央磁浮子翻板液位计有机整合，实现磁浮子翻板液位计一人顶岗全盘自动操作[2]，为矿井实现全面自动化提供理论基础和数据参考。

 

2研究内容

在安全、稳定、可靠、先进的前提下，利用现有成熟的工业生产过程控制技术，包括并不局限于国际先进的PLC、HMI、工业以太网、工控机、各类传感器技术等，实现排水作业的自动化控制，可自动进行事件记录、数据管理。实现中央磁浮子翻板液位计的就地自动化排水、远程监测状态、远程控制排水。

 

2.1技术路线

根据项目研究特点，采用的技术路线如下图1所示。

 

 

2.2系统功能

1）控制系统采用主站+分站模式，每台分站对应一台水泵及附属设备，各分站通过一根CAN总线串接，任何一台分站故障，不影响其他分站工作。地面控制中心设置在区队值班室，地面控制中心设置2台工控机，自动排水系统通过工业以太网将中央磁浮子翻板液位计的设备运行情况的动态画面、音视频、设备运行相关技术参数等传输到地面，同时预留接口，能够与矿自动化网络监控平台联网。

2）地面监控中心工控机具备运行参数报表/故障报表的统计分析、每台水泵开机时间/总排水量统计分析、自动生成、记录、查询、打印等功能。

3）实时监测：开关运行数据、各类闸阀状态、传感器实时数据和故障状态，并能够保存各类数据不少于1个月。

4）保护功能：具有流量保护、压力异常保护、电动闸阀故障保护、水位超限及水位传感器故障报警保护装置；在每处水位采集点设置2套不同原理液位传感器，液位传感器可以监测0~5m的深度水位，精度为0.02m；可实现水位突变报警、排水量异常报警、电机及水泵温度异常报警停机功能。

 

3系统设计

系统以PLC为中央处理器控制核心，以数据采集监测监控装置为载体，采用稳定可靠的传感器和实行器，在组态App平台的支撑下，利用矿方已有的工业以太环网，建立自动化排水监控系统[3]。实现地面远程监控，现场手动控制，并准确测量水位、水压、水泵状态、流量等参数，并根据相关策略通过高压启动装置合理调度水泵运行，实现数据上传、存储、数据共享，达到矿井排水系统的自动化和无人化。系统总体架构如下图2所示。

 

 

系统可以划分为三层结构：管理层即地面监控中心，主要负责数据的图形、报表、曲线等形式的存储与展示，以及系统运行的监测和维护、报警等；传输层由环网交换机、光纤等组成，实现数据可靠传输，采用以太环网，控制箱与网络实现对接；控制层以PLC为主控制器，稳定可靠，扩展性强。控制系统采用主站+分站模式，每台分站对应一台水泵及附属设备，结构明晰、节约线缆、稳定可靠。各分站通过一根CAN总线串接，任何一台分站故障，不影响其他分站工作。系统主要由流量、压力、温度、液位等传感器，电动闸阀、电动球阀等实行机构以及具备云台和拾音功能的摄像仪组成。同时系统配置本安操作台，能实现对磁浮子翻板液位计水泵排水系统的远程\就地自动启停、自动轮换、故障智能切换、避峰填谷、自动诊断功能。

 

3.1 控制设计

中央磁浮子翻板液位计控制系统设计如图 3 所示：

 

 

磁浮子翻板液位计数据采集主要是安装传感器，通过传感器采集各关键部分的数据信息，传送到PLC控制箱。安装传感器主要包括水仓水位、管路流量、闸阀开关、压力变送器、温度传感器等组成。

1）目前井下中央水磁浮子翻板液位计内每台水泵有1个出水手动闸阀，将手动闸阀更换成电动闸阀。系统每台水泵配备1台矿用电动闸阀，共3台。系统采用灌引水方式，每台泵配置2台矿用本质安全型电动球阀，共计6台。

2）出口压力监测：在每台水泵排气口、出水口各配置1台压力传感器，共设计矿用本质安全型压力变送器6台。

3）液位监测：目前井下中央磁浮子翻板液位计有主副2个水仓，在主水仓配置2台不同工作原理的液位传感器，共设计2台矿用本质安全型液位传感器。

4）流量监测：系统设计2台矿用隔爆兼本质安全型数字超声波流量计，安装在主排水管道上。

5）温度数据采集：每台水泵内预埋有温度采集接口，系统将采集每台水泵电机的三相定子温度和轴承温度，配置2台温度传感器，共6台。

3.2供电设计

中央水磁浮子翻板液位计供电设计如图4所示：

 

如上图所示，中央磁浮子翻板液位计内安装的设备主要有可编程控制器箱、操作台、电动闸阀、电动球阀、压力传感器、液位传感器、流量传感器等设备，他们之间供电电压等级和性质不同，需要根据实际选择设备相关参数进行供电及信号设计[4]。

 

3.3 App设计

研发了配套上位机App系统及配套报表自动生成功能，供操作人员查询参考，如图 5、图 6 所示。

 

 

4试验及结论

本系统在中央变电所进行了为期四个月的工业性试验，试验结果表明：采用自动排水系统能够直观显示矿井当前用水量以及水泵启动台数、时间、流量及其他运行参数，系统能够实现就地自动化排水、远程监测状态、远程控制排水，具备较好的自动运行和自调节功能，并且可通过上位机App实现远程操控。系统上线运行后，中央水磁浮子翻板液位计及其他三个水磁浮子翻板液位计由4名工人专人定检改为1名工人巡检，基本实现了排水工作自动化、无人化。