煤礦井下單法蘭液位變送器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

在煤礦井下生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況監(jiān)測(cè)十分必要，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控是充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)設(shè)備作用#好的方式。目前我國(guó)的井場(chǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)是分散進(jìn)行的，分別對(duì)不同的系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，而各個(gè)系統(tǒng)之間設(shè)計(jì)的兼容性能差，在系統(tǒng)無(wú)法兼容的情況下，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的互相通信，而遠(yuǎn)程監(jiān)控更加無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此，在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中將采用兼容性能優(yōu)越的方案。

 

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)的檢測(cè)

單法蘭液位變送器遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要完成的是對(duì)井下抽水泵進(jìn)行控制啟停操作，對(duì)其控制需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行，主要檢測(cè)的數(shù)據(jù)包括驅(qū)動(dòng)水泵的異步電機(jī)溫升、水倉(cāng)水位、水泵的出口壓力以及水泵進(jìn)水口的真空度情況。針對(duì)這些物理量的檢測(cè)，需要選用不同的檢測(cè)儀表。本文采用鉑電阻 PT100 進(jìn)行電機(jī)溫度的檢測(cè)，利用 GUY 液位傳感器對(duì)水位進(jìn)行檢測(cè)，利用 PTP 系列的壓力變送器水泵的出口壓力以及泵入口處的真空度進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)驅(qū)動(dòng)水泵的電機(jī)工作狀態(tài)、射流泵工作狀態(tài)的檢測(cè)，通過(guò)其控制繼電器的輸出觸點(diǎn)動(dòng)作情況進(jìn)行判斷。

 

1.2 系統(tǒng)控制方式

（1）手動(dòng)控制方式。本控制系統(tǒng)可以在緊急情況下實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制，在井下排水泵房安裝相應(yīng)的控制器，通過(guò)手動(dòng)的方式控制電泵的啟停。

（2）半自動(dòng)控制方式。半自動(dòng)控制方式是指，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)判斷電泵是否需要啟停，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)通信的方式通知現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行手動(dòng)的方式對(duì)水泵進(jìn)行啟�？刂�。

（3）自動(dòng)控制方式。自動(dòng)控制方式是系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)水位情況以及設(shè)備的運(yùn)行狀況，自動(dòng)判斷是否需要進(jìn)行水泵的啟�？刂�，并且自動(dòng)完成對(duì)水泵的啟停操作。

 

2 控制策略的設(shè)計(jì)

2.1 水泵的啟動(dòng)

在煤礦日常運(yùn)行中，水倉(cāng)的水位需要滿足設(shè)定的安全標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)水位高于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要控制水泵進(jìn)行排水作業(yè)，對(duì)水位高度的判斷是通過(guò)水倉(cāng)安裝的水位傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的，通過(guò)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)定的參考安全值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果對(duì)水泵完成啟�？刂啤Ｈ绻麢z測(cè)的水位高度高于設(shè)定的高度，就需要控制水泵進(jìn)行排水作業(yè)，當(dāng)系統(tǒng)接收到相應(yīng)信息以后，便做出相應(yīng)的指令，控制水泵的啟停。當(dāng)需要啟動(dòng)水泵的時(shí)候，系統(tǒng)通過(guò)繼電器控制電機(jī)啟動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)水泵工作，當(dāng)水泵出口的壓力增大到一定數(shù)值時(shí)停止。

 

2.2 水泵的運(yùn)行

壓力傳感器和變送器檢測(cè)的信號(hào)通過(guò) STM32 控制板傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)達(dá)到啟動(dòng)水泵的要求的時(shí)候，就會(huì)接通水泵控制閥，完成對(duì)水泵的啟動(dòng)控制，同時(shí)關(guān)閉射流泵。在水泵工作的同時(shí)，需要利用各種傳感器對(duì)水泵的工作狀態(tài)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，需要檢測(cè)的數(shù)據(jù)包括電機(jī)運(yùn)行電流、泵出口壓力、泵入口的真空度以及泵輸出管道的水流量等數(shù)據(jù)。通過(guò)這些數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的變化情況，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)會(huì)判斷出水泵的運(yùn)行狀況。

 

2.3 水泵的停止

通過(guò)遠(yuǎn)程控制水泵運(yùn)行，水泵將井下水倉(cāng)水排出過(guò)程中，水倉(cāng)水位將不斷下降，此時(shí)，水位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并進(jìn)入控制系統(tǒng)分析計(jì)算，當(dāng)水位達(dá)到安全水位以下時(shí)，系統(tǒng)會(huì)控制水泵停止工作。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送關(guān)機(jī)信號(hào)以后，對(duì)應(yīng)的電磁閥會(huì)完成換向，關(guān)閉缸控閘閥。在關(guān)閉水泵的過(guò)程中，水泵出口處的壓力會(huì)繼續(xù)增大，直到閘閥關(guān)閉徹底為止。同時(shí)，系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)，控制常開觸點(diǎn)動(dòng)作，使水泵停機(jī)。

 

3 單法蘭液位變送器方案設(shè)計(jì)

3.1 水泵及水路設(shè)計(jì)

本文單法蘭液位變送器系統(tǒng)中，共利用了 5 個(gè)主排水泵，正常情況下只有兩個(gè)進(jìn)行排水作業(yè)，當(dāng)這兩臺(tái)發(fā)生故障時(shí)或者水位較高的時(shí)候，就會(huì)啟用另外兩臺(tái)備用水泵，當(dāng)需要對(duì)水泵進(jìn)行檢修時(shí)啟動(dòng)剩余的 1 臺(tái)備用泵。于此同時(shí)，為了提高排水的效果，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了 3 組排水管道。

 

3.2 單泵啟停方案

本設(shè)計(jì)中使用的井下水泵是離心泵，在對(duì)其進(jìn)行啟動(dòng)的時(shí)候，有兩個(gè)主要問(wèn)題需要進(jìn)行關(guān)注 ：地衣，需要控制出水管道上的閥門保持閉合，第二，水泵出水口處于真空狀態(tài)。在需要進(jìn)行停機(jī)時(shí)，需要完成閥門的關(guān)閉在進(jìn)行關(guān)閉水泵的操作，這是因?yàn)槿绻�直接控制水泵停機(jī)，會(huì)產(chǎn)生“做泵”的情形發(fā)生，這對(duì)水泵的使用期限造成很大的影響。所以，在停機(jī)的時(shí)候需要借助儀表進(jìn)行判斷，當(dāng)水泵入水口的負(fù)壓計(jì)檢測(cè)出當(dāng)前為真空狀態(tài)，并且壓力表顯示泵出口壓力不再增加的情況下，才能對(duì)水泵進(jìn)行停機(jī)操作。

 

3.3 水泵組啟動(dòng)方案

如圖 3 所示為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水泵組示意圖，可以看出本系統(tǒng)采用 5 臺(tái)主工作水泵，其中兩臺(tái)為工作水泵，兩臺(tái)備用水泵，另外一臺(tái)為檢修水泵。在管道出口的地方安裝閘閥。在煤礦井下水倉(cāng)中標(biāo)注有四條水位線，水位由底到高分別是水位、水位 2、水位 3、水位 4，單法蘭液位變送器控制系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng)水位傳感器檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)水位情況對(duì)水泵的啟停進(jìn)行控制。

當(dāng)單法蘭液位變送器系統(tǒng)檢測(cè)到當(dāng)前水位位于水位 1 或者水位 2或兩者之間的時(shí)候，不需要啟動(dòng)水泵。當(dāng)水位達(dá)到了標(biāo)記 2和標(biāo)記 3 之間的時(shí)候，代表當(dāng)前的水位狀態(tài)是低警戒值，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)所存在的時(shí)間段對(duì)水泵進(jìn)行啟�？刂�，當(dāng)此時(shí)處于用電高峰期，那么不啟動(dòng)水泵，如果此時(shí)處于用電較少的時(shí)間段，那么需要對(duì) 1 臺(tái)工作水泵進(jìn)行啟動(dòng)控制 ；如果判斷水位在標(biāo)記 3 及標(biāo)記 4 之間的時(shí)候，代表此時(shí)水位處在中度警戒狀態(tài)，需要對(duì) 1 臺(tái)水泵進(jìn)行啟動(dòng)控制 ；當(dāng)水位處在標(biāo)記 4 及以上的情況時(shí)，代表此時(shí)的水位處在高警戒的狀態(tài)下，需要控制至少兩臺(tái)水泵進(jìn)行啟動(dòng)。

 

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了現(xiàn)在井下排水的功能要求及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控的單法蘭液位變送器系統(tǒng)，并利用 STM32 單片機(jī)開發(fā)了嵌入式技術(shù)，根據(jù)各水倉(cāng)水位檢測(cè)數(shù)據(jù)，制定了相應(yīng)的單泵及泵組啟停方案。本文主要結(jié)論如下 ：

（1）開發(fā)的 STM32 單片機(jī)控制系統(tǒng)，將井下各水倉(cāng)檢測(cè)的水位情況進(jìn)行分析判斷，根據(jù)判斷結(jié)果控制泵啟停的數(shù)量，并繼續(xù)檢測(cè)實(shí)時(shí)檢測(cè)水位情況，循環(huán)做出水位判斷，并對(duì)泵組的啟停進(jìn)行控制，該系統(tǒng)可靠性高、穩(wěn)定性好，能夠?qū)崿F(xiàn)煤礦井下水泵的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)泵房的無(wú)人作業(yè)。

（2）本文設(shè)計(jì)的煤礦井下單法蘭液位變送器監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化了井下泵組的啟停控制算法，并且在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成以及設(shè)備的安裝難度上得到了改善，并進(jìn)一步提升了對(duì)水泵機(jī)組狀態(tài)的檢測(cè)，提高了運(yùn)行監(jiān)測(cè)的精度。