矿山排水系统远程自动化监控系统探讨

矿山排水系统远程自动化监控系统探讨矿井排水系统远程自动监控系统探讨关键词：监控系统，矿井，讨论，自动化，排水系统矿山排水系统远程自动化监控系统探讨本文简介：摘要：排水系统是影响矿山生产安全的关键所在，可根据水仓水位变化来控制水泵启停，及时排除矿井涌水。而针对有色稀有金属矿排水系统点多线长的特点，人工监测方法效率低、失误多，远程自动化监控系统是化解这一问题的关键。针对此，以陕西太山庙某钨钼矿为例，选用SCADA系统作为基本框架，阐述了系统功能，并使用PA矿山排水系统远程自动化监控系统探讨本文内容：摘要：排水系统是影响矿山生产安全的关键所在，可根据水仓水位变化来控制水泵启停，及时排除矿井涌水。而针对有色稀有金属矿排水系统点多线长的特点，人工监测方法效率低、失误多，远程自动化监控系统是化解这一问题的关键。针对此，以陕西太山庙某钨钼矿为例，选用SCADA系统作为基本框架，阐述了系统功能，并使用PAC工控器连接传感器和水泵电机，基于上位机监控软件分析和处理水仓信息，以此实现水泵的自动启停，确保排水系统的安全运行。关键词：矿井涌水；排水系统；自动启停；水位变化金属矿是原材料工业发展的重要支撑，尤其钨钼等有色小金属矿山的开采是驱动装备制造业转型升级的关键，但该种矿山的整体资源品位低且水文条件复杂，在开采过程中，容易破坏矿体围岩和顶板含水层，将地表及地下导水通道打开，使水流入井巷和采区，引发矿井涌水和透水[1]，对矿山生产安全带来极大的威胁。而井下排水系统通过配置相应的水泵、排水管理、水仓等可将矿井涌水排至地面，是确保矿井安全作业的关键，但传统的人工启停阀门、水泵的控制模式，增加了劳动强度，且因为无法实时监控，故障发生率较高，为此，亟待引入自动化控制技术开发一种“无人值守”的远程监控系统，以根据水仓水位变化，自动水泵启停，而SCADA系统作为一种数据采集和自动化控制系统，通过融合PAC工控器、传感器设备及上位机监控软件，可实时监测使泵环境参数变化，以自动、高效的完成矿井排水任务，是降低人工操作失误，提升矿山排水系统效用性。1矿山概述陕西太山庙钨钼矿位于南秦岭一带多金属成矿区域内，该地区矿质条件优越，融合了多种类型的有色金属矿，钨钼等资源丰富，预计产量为5～10WO3万t，该矿山的开采规模不大，井下开采位于400～850m中段，而随着开采深度的不断下移，井下中段将不断增加，运输巷道将继续延伸，但井下中段和巷道布局的密集性，使得矿井排水系统存在点多线长的问题，目前，矿井下布设了-600m主泵房、426m副泵房，排水系统主要由多级离心式水泵、水泵电机、启动设备、底阀、配电设备等构件组成，通常，24h的用量为15021m3，最大涌水量为18508m3，额定扬程及流量分别为180m、521m3/h，仍然采用传统的人工观测水仓水位和手动控制水泵启停的方式，对排水系统进行操作，该种方式完全依赖于人的经验、操作失误多[2]，无法确保矿井生产安全性，且效率低、经济性差，针对此种问题，需要对排水系统控制方式进行改造，采用流量计、液位计等传感器来监测水仓参数变化，通过自动控制水泵机组的启停，来实现高效、精准的排水。2系统的设计方案2.1系统的结构模型结合排水系统的应用需求，远程自动控制系统应该能够实现水仓水位、供电峰谷布局自动启停水泵电机、调度水泵运行，并可实时监测使泵流量、水仓水位等信息状态，通过网络与上位机监控软件进行数据交互，实现“无人值守”的监测，并在发现排水系统异常和故障时，及时发出预警信号，根据该功能需求，工业控制SCADA系统是以计算机为基础的数据采集和自动化控制系统，其使用统一的操作系统、接口和系统模块，可与各类网络通讯系统进行有效融合，适用于点多、分散的排水系统数据采集和远程自动化控制的需求，以其为系统选型搭建监控系统的整体框架，可对各水仓水位、出口流量、水泵流量及电流等进行无人值守的自动化监测，并将结果反馈给水泵控制器，驱动执行机构自动控制水泵的启停，将矿井涌水顺利排出，整个系统将由现场控制级、过程控制级及监控控制级构成，如图1所示。由图1可知，该控制系统将采用由上至下的层级结构，最底层的“现场控制级”关联了流量、液位及电力监测等传感器，用于监控和采集矿山生产中水仓水位、矿井涌水量、水泵电动机工作状态，并将所得参数结果传输给水的控制器之中，也即“过程控制级”，由其根据监测数据进行数据转换、分析和处理，并作出逻辑判断，自动控制水泵的启停，并在发现设备故障或涌水问题时，及时发出预警信号，并经由通讯网络将其上传至“监督控制级”，该层利用可视化软件实现人机交互，可由其整合、存储监测参数。2.2系统的主要功能结合上述框架体系可知，系统将由数据采集和检测、启停控制、通讯网络及上位机等模块构成，以此完成排水设备参数的采集、数据分析，并据此通过通讯网络发出启停控制指令，实现与上位机的交互，具体，系统的功能模块如下分析。1)数据采集及检测配置电量、温度、振动、液位、流量等传感器和检测仪器，以对水泵振动数据、电压、电流、轴转速度、排水流量、水仓液位高度等数据进行采集，并检测水泵启动柜真空断路器、接触器的运行状态、电动阀门的启闭位置及工作性能等[3]，并将现场采集、检测的数据结果经由通讯网路上传至PAC控制系统。2)启停控制模块该模块主要整合采集的数据信息，并经由PLC/PAC等模拟量输入模块进行数据转换，通过微分计算方法得出单位时间内各水位段水仓水位的上升速率，并设定水泵启停的上下限，并以此作为水泵控制器启停的逻辑处理条件和依据，在高水位时启动水泵排水，低水位时关闭水泵停止排水，并在水位超限时及时发出预警，避免水流倒灌引发水泵和电动机的故障[4]，甚至造成矿井涌水问题。3)上位机监控模块该模块是人机交互的模块，提供与SQL关系型数据库的接口，以将现场监测设备获取的水泵、水仓等数据参数根据既定规则存储至数据库之中，并可生成参数报表，以视图方式显示出来，供操作人员查看、分析和下载；同时还可接受来自启停控制中心下达的指令，进行远程控制操作。可采用具备丰富设备支持库、强大语言处理能力的组态王6.55以模块形式开发上位机软件，进行IO设备组态、SQLServer数据库设计。4)网络通讯该模块集成了数据传输、、设备监测、操作控制等多种功能，可依赖于该矿山已经构建的有线、无线局域网基于IEEE802.11协议标准的TCP/IP通讯网络，通过以太网接入设备，利用通信接口和协议，实现各模块的全过程通信，可将水泵的运行参数传递给上位机软件，进行动态显示，且操作人员可利用通讯网络向水泵控制器发出质量，自动控制器启停。3系统各模块的设计分析3.1水泵设计水泵作为矿井下排水系统的核心构件，其正常运行是实现矿井顺利排水的关键，但在自动启停运行下，因为涌水掺杂泥沙物质，对于水泵损害严重，需要根据涌水量配置多个水泵或排水管理，而为了保证各设备的正常运行，可采用“轮换工作制”[5]进行水泵设计，以循环的方式轮换使用水泵，以便及时发现故障、进行处理，结合该钨钼矿排水系统中水泵的使用频率，可依照“1#→2#→3#→1#”的顺位轮换使用启动水泵，一旦系统发现某个水泵发生故障时，可及时发出预警，故障水泵将不再参与轮换，其余水泵和管路将依顺序递补正常运行，水泵轮换控制逻辑如图2所示。同时，为了实现节能减排，可采用“避峰就谷”策略[6]，将矿井生产时段的用电量划分为峰段、谷段，在峰段可利用水仓的有效容积存储井下排水，以此控制水泵的启动数量，减少用电量，而在谷段时间内可启动多个水泵统筹排水，将水仓水位降至最低位。实际操作中，为在确保安全同时实现节能，可根据水仓水位变化率来判断泵房的涌水量，依据水仓水位变化率来预判泵房的涌水量和水泵的排水量，结合矿井生产情况计算水仓的余量[7]，并通过水泵运行时间的计量来判定电量负荷，在设计水泵“避峰就谷”的控制逻辑时，取8个水位点为监测对象，划分为8个区段，8段为上限水位、7段为预警水位，当水位上升至7段时，则需要开启水泵排水，由此，水仓水位的监测是实现“避峰就谷”安全实施的关键，可据此设定控制逻辑，当矿山供电系统处于“谷段”时，若水仓水位上升至水位点6时，则启动两台水泵，若持续上升至7时，启动第3台水泵，发送预警信号，而当处于“峰段”时，若水位点位于6时，启动1台水泵，若上升至水位点7时，则不论水位上升速率缓慢或快速，均需要启动两台水泵，当水位继续上升时，再启动余下的1台水泵，而若在处于“谷段”，快要达到“峰段”时，若水位在水位点5，则需要启动水泵排水。3.2PAC控制系统水泵电机、水仓水位等运行过程参数的采集与监控是系统实现的关键，而要实现管控一体化，就需要选用适宜的采集和控制编辑控制器，PAC性能多样、支持OPC、DCOM等网络通讯标准，可与上位机实现数据交互，且具有数据存储、处理等优势，为此，将选用研华APAX-5000系列的PAC工业控制器作为系统的控制元件，该种PAC工业控制器提供开放式开发架构，将水泵控制、信息采集、处理及网络通讯等功能均整合至单一的控制系统之中，可以有效连接传感器和检测仪器，获取水泵运行过程参数，并利用网络通讯技术，实现远程监控，PAC控件中存储了水泵抽水累积程序，设定Q(m3/h)为瞬时流量，每间隔△t(s)统计一次累积量S[8]：width=346,height=34,dpi=110上式中，S0是上一次累积流量。利用流量计测得实际流量Q，并将其转换为4～20mA标准的电流信号，该电流限号将传至PAC中的AI模块经过转化，即可获得PAC输入映像区流量信号，由此，上位机便可根据该信号发出水泵启停的操控指令，实现排水的远程自动控制。具体，可采用Multiprog对PAC软件进行编程，可在其中调用并对相关参数赋值即可完成相应功能模块的开发，其功能设置如下：1)核心CUP模块该模块融合了数据的分析、处理及逻辑判断，是PAC控制元件的核心，APAX-5000系列提供了一些列CPU模块，系统可根据需求通过更换CPU模块来满足水泵控制任务的变动需求，进行控制系统的升级，省略了重新编程的步骤，且其配置了多个插槽，可为不同模块设备的配置提供支撑。2)AI模拟输入模块该模块负责整合现场数据采集装置获取的模拟信号，其连接BR-HLV威力巴流量计，其通过测量流体的全压力包括静压力和平均速度压力P1、P2，将P1、P2分别引入差压变送器，测量出差压△P=P1-P2，△P反映流体平均速度的大小，以此可推算出流体的流量；同时基于实用性、灵敏性等考量选用静压式液位计作为水位监测设备，选用YD2020-C智能电力监测仪作为水泵电力参数的自动监测仪，电机，而且在监测得到流量、液位、电压、电流等模拟量后，需要利用I/O接口转换为上位机可识别的数字信号。3)DI数字信号输入模块主要是获取现场监测设备传输的数字信号，并将信号传递给CPU模块，其涉及的数字量输入为水仓水位的限值、水泵启动、运行及故障状态等，这些数字量信号多数由继电器接触点或点击保护器接触点等控制设备给出。4)DO数字量输出模块可向现场控制级中的注水电磁阀、水泵电动机等动作部件，发出启停指令的数字信号。4结语自动化控制技术、传感器技术等的发展，为矿区排水系统的“无人值守”的智能化监控提供了有效支撑，融合PAC工业控制器将液位、流量、电力等数据采集设备等优势构建的远程自动化监控系统，可根据水仓水位变化及电量峰谷来自动控制水泵启停，实现了矿区排水系统高效、节能化的发展。参考文献：[1]苏明辉,庞政铎,刘冬梅.演马矿泵房主排水监控系统技术改造[J].煤炭工程,2014,46(11):57-60.[2]梁保家.基于PLC的自动排水控制系统的设计[J].煤矿机械,2014,35(7):229-230.[3]汤伟,李含君,唐玉宝.煤矿井下排水泵房自动化监控系统的设计[J].煤矿机械,2014,35(5):208-210.[4]邹青春.PLC计算机远程监控系统在井下主排水泵系统中的应用[J].煤矿机械,2014,35(5):218-219.[5]刘映群.煤矿井下自动排水远程监控系统的研究与设计[J].中国煤炭,2014