摘 要：目前贵州大多矿井水泵房仍然采用传统的人工操作排水方式，存在很大的安全隐患。黔金煤矿从水泵房生产实际出发，针对现有排水系统的弊端，利用以西门子PLC为核心的监控分站、保护传感器、液位检测装置和音视频对讲云台摄像仪对原有的排水系统进行改造，使井下水泵房远程集控系统能够根据实时水位及水泵运行时间，结合用电“避峰就谷”原则，按照“轮班工作制”自动启动与停止水泵，实现了井下泵房排水的自动化控制和地面远程集控。
关键词：煤矿泵房；可编程控制器；音视频
中图分类号：TD442.2；TD67 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）11-0158-03
Remote Control System of Water Pump Room of Qianjin Coal Mine
CAO Guangxu1，REN Yongli1，HE Guangqiang2
（1.Qianxi Jin Po Coal Industry Co.，Ltd.，Bijie 551519，China；
2.Huayang Communications Technology Co.，Ltd.，Xuzhou 221116，China）
Abstract：At present，most of the pumping stations in Guizhou still use traditional manual operation and drainage methods，and there is a great potential safety hazard. In view of the disadvantages of the existing drainage system，the existing drainage system is reformed by using PLC control cabinet，protection sensor，liquid level detection device and audio-video camera，so that the remote set control system of the well sewer house can be rooted in the real-time water level and the running time of the pump. The remote centralized control system of underground pump house can automatically start and stop the pump according to the real-time water level and the running time of the pump，the principle of “avoiding peak and valley” and the principle of “working in shifts”，thus realizing the automatic control of underground pump house drainage and the remote centralized control of the ground.
Keywords：coal mine pumping station；programmable logic controller（PLC）；audio and video
0 引 言
目前贵州大多矿井水泵房仍然采用传统的人工操作排水方式，这种排水系统由于自动化程度低，应急能力差，无法做到根据水位或其他参数自动开停水泵，存在很大的安全隐患。2017年贵州出台了《省人民政府关于煤炭工业淘汰落后产能加快转型升级的意见》（黔府发[2017]9号），目标之一就是智能机械化水平要显著提升[1]。黔金煤矿从煤矿排水生产实际出发，针对现有排水系统的弊端，结合现代工业技术和控制理论，利用PLC控制柜、保护传感器、液位检测装置和音视频对讲云台摄像仪对原有的排水系统进行改造，使井下水泵房远程集控系统能够根据实时水位及水泵运行时间，结合用电“避峰就谷”原则，按照“轮班工作制”自动启动与停止水泵，系统实现了井下泵房排水的自动化控制和地面远程集控。地面集控室操作人员能够通过上位机监视水泵房相关设备的实时工况，能够在操作界面调用音视频云台摄像仪器，进行变焦、变倍操作，多角度视频监控；利用音频对讲功能能够和现场巡检人员迅速沟通。系统的控制方式能够在就地控制、检修控制、自动控制、远程控制等方式之间自由切换。系统的建设提高了水泵有效利用率，节约了电能，大大降低了生产成本；有效地保护水泵电机等设备，延长使用寿命，减少事故停机时间，提高排水能力。
1 系统结构及实现
系统主要由现场设备、监控分站、上位机、就地操作台、显示屏、电动闸阀、电磁阀和传感器、摄像仪、系统软件等组成。
1.1 地面集控中心
本部分主要由系统主机、上位机软件、打印机、报警装置组成，配置主备两台系统主机。上位机采用成熟的工业控制组态软件，通过界面及功能设计来完成整个系统的动态、实时参数的采集显示，动态图形显示，历史数据记录及语音报警、状态趋势图等诸多功能；能远程自动或单机方式控制主排水泵的启动、运行、停止，并能实现对水泵视频监控的嵌入。当系统产生报警信息时，地面的报警装置自动语音播放，提醒操作人员。系统还可通过以太网接口及OPC协议与全矿综合自动化网络连接，实现信息共享。
1.2 现场设备
系统现场主要由监控分站、本安操作台、示屏（嵌装）、高爆开关、音视频对讲云台摄像仪、应急手动控制装置、电动闸阀、电动球阀、射流系统、传感器等组成。
监控分站主要由可编程控制器（PLC）、信号变送器、中间继电器等组成[2]，完成对信号的接收、放大、运算、判断发出各种指令，监控水泵的运行工况，实现远程控制和根据现场水位及其他信号自动控制。
本安操作台主要由显示屏、按钮、逻辑运算模块组成，就地显示水泵运行工况，通过给监控分站发送信号的方式控制水泵、闸阀、球阀，实现系统的检修和就地集中控制。
水泵电机由现场的高爆开关供电和控制，高爆开关有电压斜坡、电流闭环控制、转矩闭环控制、功率闭环控制、速度闭环控制等功能。同时对水泵运行时的电流、电压、频率、功率因数、有功功率、无功功率、电度、运行时间、热过载程度、RTD温度进行监视。
音视频对讲云台摄像仪主要实现泵房内的视频监控及无人值守时与现场巡检、检修人员双向对讲。
闸阀和球阀作为系统的辅助设备，开启水泵前通过对球阀操作，启动射流系统，将水泵内的气体抽出，保证水泵内注满水，防止水泵空转，同时水泵启动后当泵体内压力达到预设压力时才将电动闸阀打开，降低水泵启动阶段的电流，减少倒流水对水泵的冲击。
现场传感器主要包括水位传感器、正负压力传感器、温度传感器、流量传感器、开停传感器、到位开关等，完成水泵各类参数的采集和处理，包括电流、温度、流量、压力、真空度等，实时显示水泵的运行状态。
1.3 数据传输
采取了工业现场总线/智能设备相结合的基于交换式工业以太网的煤矿工业控制网络模型[3]，放置在水泵房内的监控分站与就地操作台、显示屏及现场的高爆开关内的综合保护器之间的通讯采用总线通讯，监控分站与现场电动闸阀、电磁阀和传感器采用硬接线连接，实现设备状态采集及控制，监控分站、摄像仪、上位机之间采用矿井工业以太网实现数据传输。
1.4 视频巡检及语音对讲
考虑系统投入后泵房自动控制和无人值守的需要，在泵房内安装了两套200W像素，20倍变焦，360度旋转监视，自带64个预置位，云台自动巡航，具备双向对讲、报警输出功能的矿用本安型球型摄像仪。摄像仪根据预先设置的监视点定时自动进行巡航监测，发现异常输出报警，地面人员可以调看录像，找出异常点。此时可以调出摄像仪的操作界面，利用云台调整摄像仪角度，利用变焦功能调整画面大小，观察故障点的实际情况，安排人员巡查检修。若地面操作人员需要和现场检修人员沟通，可以直接在集控界面上点击通话按钮，实现双向对讲。井下检修人员可以直接在检修地点和地面人员沟通，而不用再走到井下的调度电话处，使交流更为顺畅。同时，井下检修时，地面人员可以操作摄像仪将图像调整为最佳角度和最佳倍率，实时观察检修点情况，提醒现场人员注意安全；观察传感器反馈，辅助检修人员。视频巡检及语音对讲功能的实现大大提高了系统的安全性和可用性。
2 系统控制方式
水泵房集控系统可以选择的控制模式有：自动控制、检修控制、就地控制、远程控制。系统在任何工作方式下，泵房现场的各种运行参数、设备状态均通过工业以太网传到地面监控计算机。
2.1 自动控制
根据水仓水位，PLC按照设定参数，自动选择运行水泵，并按照控制流程，完成单台或多台水泵的开停。下位机在自动控制模式中，可以脱离上位机的通讯仍能正常运行。
2.2 就地控制
系统设置为就地模式时，根据一台水泵的启停控制流程，程控水泵的启动与停止，实现一键启/停。
2.3 检修控制
控制台上的切换开关和控制按钮，启停任何一台设备或多台设备。
2.4 远程控制
系统设置为远程模式时，在地面计算机监控画面上，授权人员登录后，根据水仓水位情况、水仓液位变化速率，通过计算机来控制相应水泵的启停。
3 系统远程集控流程
为了确保系统的安全可靠运行，系统在远程集控时遵循以下流程：
3.1 指令下发前状态判断
系统接收到开泵请求后，系统后台判断液位的高度是否达到，液位变化率是否正常，待开水泵供电是否正常，配套设施是否正常，水泵的状态是否正常，是否在规定的时间段内。上述指标均满足时，系统下发启动指令给PLC。
3.2 启动
系统接收到开泵命令后，将自动选定排水管路、射流管路和待开水泵。首先打开射流阀门抽真空，监测真空表，当发现泵体内水已经充满时，启动电机，同时关闭射流阀。此时监测泵体内的压力变化，当压力值达到预设压力时，打开出水口电动闸阀，闸阀开度100%时，停止电动闸阀。
3.3 运行监测
水泵在运行（包括启动）期间，应进行实时监测，发现问题及时采取措施。监测内容主要有：监测电压、电流情况，系统工艺要求电压波动不得超过额定值的正负5%，电流不得超过报警值；监测压力、真空和流量指示的变化情况，不得出现跳变现象；监测水仓水位的变化情况，若水泵开启后，液位仍持续上升，此时要求开启第二台水泵；监测水泵的震动情况，当发现水泵不上水或者电机超温时系统会采取应急停泵措施。
3.4 正常停泵
当水仓水位低于下限水位时系统会自动停止运行水泵。首先关闭出水管路电动闸阀，然后关闭水泵出水口电动闸阀，待阀门关闭到位后，停泵。
3.5 故障停泵
当发生故障时，系统将根据故障类型和程度，自动调用相应的程序自动停止运行水泵，并分析当前水仓液位情况，确认是否开启另一台水泵。
4 系统功能
4.1 保护功能
保护功能主要包括电压异常报警、电流异常报警、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、水位突变报警、排水量异常报警、温度异常报警、震动异常时报警。
4.2 故障停泵功能
当系统异常状况达到停泵条件时，系统将自动停泵，等待维修，且“故障复位”按纽未复位前，当前水泵将无法启动。
4.3 水泵自动轮换功能
为了防止备用泵、电气设备和备用管路长期不用而导致设备受潮或出现其他故障未经及时发现，当工作泵出现紧急故障需投入备用泵时，而不能及时投入以致影响矿井排水安全，控制程序将水泵启停次数及运行时间和管路使用次数及流量等参数自动记录累计，系统根据这些运行参数按一定规律自动启停水泵，使各水泵及其管路的使用率分布均匀，当水泵在启动或运行过程中出现故障时，系统自动停止故障水泵，投入新的水泵排水，实现水泵自动轮换工作，延长水泵的使用寿命。
4.4 控制功能
系统具有自动控制、检修控制、就地控制、远程控制四种控制功能。
4.5 监测功能
地面控制中心能通过以太网络远程监控各个水泵的运行情况及主要的运行参数，就地利用显示屏显示水泵的运行情况及主要参数，系统通过图形动态显示水泵、真空泵、电磁阀和电动闸阀的运行状态，采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警，直观地显示电磁阀和电动闸阀的开闭位置，实时显示水泵及附属设备的运行情况及参数。
4.6 远程调试功能
可以地面远程设定和修改水泵的运行条件、工况参数和控制程序。
4.7 报警功能
用实时趋势图方式和数字形式准确实时地显示水仓水位，并在启停水泵的水位段发出预告信号和低段、超低段、高段、超高段水位分段报警，用事先录制的语音提示形式提醒操作人员注意。采用图形、趋势图和数字形式直观地显示各管路的瞬时流量及累计流量、水泵轴温、电机温度等动态值，超限报警，自动记录故障类型、时间等历史数据，并通过每台水泵的流量计算出水泵的有效功率，以提醒巡检人员及时检修或更换水泵。
4.8 数据共享功能
系统能与矿井综合调度系统无缝连接，实现数据的共享。
4.9 视频巡检功能
摄像仪可以根据预先设置的监视点自动进行巡航监测，发现异常自动报警，自带语音对讲功能。
5 结 论
黔金煤矿井下水泵房远程集控系统的实施，实现了在井下水泵的地面远程控制并具备自动运行功能，完成了智能化建设的一小步，对降低工人劳动强度、减人提效及提高黔金矿的信息化水平都起到了积极作用，提高了黔金煤矿的安全生产水平。系统投运后，满足了黔金煤矿的实际需要，效果良好。
参考文献：
[1] 贵州省人民政府.省人民政府关于煤炭工业淘汰落后产能加快转型升级的意见 [J].贵州省人民政府公报，2017（7）：28-44.
[2] 李洋.林南仓矿井下泵房无人值守自动化控制系统 [J].煤矿机械，2010，31（7）：138-140.
[3] 李世银，钱建生，孙彦景，等.煤矿工业以太网网络模型研究及应用 [J].华中科技大学学报（自然科学版），2007（S1）：213-216.
作者简介：曹光绪（1985-），男，河南开封人，助理工程师。从事煤矿机电、自动化系统的管理工作。
