矿井排水自动化监控系统设计分析

摘 要：在矿山生产过程中，矿井排水系统发挥了十分重要的作用。利用矿井排水系统可将井下涌水排除，从而为矿下作业创造一个安全、稳定的环境。目前，很多矿井水泵房主要还是采取水位报警与人工操作相结合的传统排水模式，水位检测精度偏低，操作随意性较大，无法对矿井涌水量进行实时监控及科学调度。基于此，文章对矿井排水自动化监控系统进行了综合性阐述，并提出了相关设计方案，以供参考。

关键词：矿井排水；自动化监控；系统设计

1 矿山井下涌水现象概述

矿井涌水是矿井作业过程中常见的现象之一，主要是由于矿井巷道采空区漏水所致，水源则包括地表水、大气水分及采空区水等。采矿时，采掘空间可能会造成围岩应力场发生改变，导致地下含水系统与围岩的平衡状态受到破坏，产生过水通道，导致股状水流突破围岩，涌入矿井当中[1]。这种突发性涌水现象，水压较高且水量较大，维持时间较长，会给矿井带来严重危害。若涌水现象较为严重，将会导致表土层、中砂层水疏干而引发地表不规律下沉，甚至造成地表塌陷，对附近建筑、道路、农田等均可能产生破坏，造成人员伤亡。因此，在矿井作业时，必须做好相应的排水工作，并构建出一个完整的矿井排水系统，以保证矿井开挖的安全性，为企业经济效益提供保障。

2 系统需求目标分析

从国内大部分矿井水泵房情况来看，水位检测控制主要还是依靠传统方法，利用超限报警装置配合人工操作进行排水。这种传统方法应急性较差且自动化程度较低，需要人工现场操作，存在较多潜在性安全风险。随着矿井开采规模的不断加大，这种传统方法已经无法满足实际应用需求[2]。而自动化排水管理系统的出现让上述情况得到了很大的改观，在提升矿井作业安全性的同时，也提升了矿井生产效率，降低了排水能耗，并起到了节约成本的作用。

从系统需求方面来看，矿井排水自动化监控系统可对各台设备运行状态信息进行整合性管理、分析，主要包括液位信息及温度信息。通过中央控制系统可对水泵房运行状态进行分析，并实现自动控制。系统可对水流、数量等数据进行采集、分析，以对水泵开机、停机进行调控。若水仓水量超过阙值时，系统便会调动水泵进行排水作业，实现无人自动化排水。另外，系统除了具备排水控制功能外，还具备了一定辅助功能。例如，系统具备了基础数据管理功能，可用于数据采集点、逻辑模型及控制数据维护，进一步降低了系统故障率；系统具备了人员管理功能，可将相关人员信息输入于系统当中，对人员进行合理分配，并且系统会将用户权限赋予相关人员，保证系统操作的安全性。

3 系统设计分析

3.1 系统整体架构

系统整体架构主要包括四个部分：（1）地面控制中心。地面控制中心是整个自动化监控系统的枢纽，其中包括操作系统软件、组态软件及数据库等部分。（2）水泵房监控装置。水泵房监控动态主要由电控箱、模拟量检测模块、开关量检测模块及操作台构成。模拟量检测模块中又含有模拟量传感器、数字量传感元件、电缆及相关附件。（3）远程控制网络。远程控制网络由以太环网所构建。水泵房监控平台利用远程控制网络与地面监控中心相连接，并可实时通讯，以实现远程操控。（4）执行机构。执行机构主要包括阀门控制箱与高压启动器，其控制对象主要包括高压电机与电动阀门。

3.2 子模块设计分析

矿井排水自动化监控系统主要包括以下模块：

（1）模拟量检测模块。模拟量检测模块当中含有各类模拟量传感器，具体包括功率变送器、电流传感变送器、温度传感变送器、流量传感变送器及水位传感变送器。利用这些传感器可对主排水系统的各种模拟量参数进行检测，以获取水位、主排水管路流量、水泵运行电流、水泵温度、电机温度计及电能损耗等信息[3]。模块获取这些信息后将其传递至系统进行数据分析，以判断模块是否正常工作。若发现数据达到预设值范围或达到临界阙值，便会由系统对相关设备进行调控，以保持正常排水状态。

（2）开关量检测模块。开关量检测模块主要检测对象为排水泵高压柜中的相关设备开关，包括真空断路器、真空接触器、电动阀等设备的开关，还可对真空泵工作状态进行检测。所得到的数据也会反馈至分析模块进行判断。利用开关量检测模块可判断开关是否正常工作，若发现数据或信号异常，系统会采取保护措施，重启开关或将开关信号接入PLC。

（3）液位信息模块。液位信息模块主要是对水仓液位、排水管流量等信息进行采集、分析，并可将相关数据整合为曲线，以便于用户观察实际排水状况[4]。考虑到矿井排水现场环境较为特殊，水体浑浊度较高，如果只是使用一般的接触式传感器，矿井水体易造成探头损坏。因此，应选用超声波液位传感器对液位信息数据进行采集。该类型传感器不仅测量精度较高，而且安装便捷、输出信号较为稳定，在井下环境中具有良好的适用性。

（4）温度采集模块。通过温度信息可将水泵的工作状态反映出来，以判断水泵是否处于良性状态。温度采集模块主要负责水泵温度信息采集，并可进行实时监控，具备了预警功能。此模块先会采集温度信息数据，并将其传递至系统进行分析，若发现温度值超过正常范围，则会由系统发出警报，并将异常温度信息反馈至用户，以便于及时调整水泵工作状态，保证水泵正常运行[5]。温度采集模块当中，温度传感器选用铂电阻，其电阻值能跟随温度变化而发生改变，性能较为稳定，灵敏性好，且具备较高的精度。

（5）数据分析模块。数据分析模块在整个矿井排水自动化监控系统起到了中枢作用，可对各类采集数据进行分析，以此来判断水泵具体运行状态。若发现数据信息异常，则会引导系统调试，直至系统恢复至正常工作状态为止。

（6）开停机模块。开停机模块是系统的执行模块。数据分析模块对采集信息进行分析后，便会将相关指令发送至开停机模块，开停机模块便可根据排水系统实际运行状况，对泵开关进行调节，实现开、停机动态化监控，让系统始终保持良性运行状态。

（7）数据库。数据库是整个监控系统的核心组成，其会对所有采集信息数据进行整合，并为相关操作执行提供基础。

整个系统以PLC为基础，并在PLC上添加了一个以太网模块。利用以太网模块可将设备信息、运行状态信息、故障信息等设备模拟量及开关信息数据通过以太网传输至地面控制中心，而地面控制中心可将相关反馈指令通过以太网传输至PLC，即完成指令调控。

4 结束语

利用矿井排水自动化监控系统可实现排水自动化操作，为排水泵安全运行提供基础，有利于促进企业安全生产，为企业整体效益提供保障。

参考文献

[1]王盛杰，李小喜，许春雨.矿井主排水自动化监测监控系统的开发[J].中国矿业，2014（12）：147-151.

[2]李顺，巨明伟.基于PLC的矿井排水监控系统的设计[J].工矿自动化，2011（10）：89-91.

[3]李春华，夏国良，魏超全.矿井排水智能监控系统结构设计[J].工业仪表与自动化装置，2014（1）：57-59+63.

[4]寇彦飞，杨洁明，寇子明.基于安全节能的矿井自动化排水控制系统设计[J].煤炭工程，2016，（1）：31-34.

[5]于圣涛.浅谈矿井排水自动化监控系统的应用[J].科协论坛（下半月），2013（9）：53-54.