摘 要：通过对目前井下排水系统的监测、控制方式的研究， 着眼于未来煤矿自动化、智能化的发展趋势， 提出了基于PLC控制系统为核心的井下排水系统自动化监控系统， 并对该自动化监控系统的技术要求、核心功能进行了分析， 对整个监控系统的总体结构设计及各核心单元的结构设计、总体要求进行了详细的阐述， 该监控系统能够大幅提高煤矿井下排水系统工作的可靠性和稳定性。
关键词：排水系统； 自动化； 监控设备； PLC系统；
Abstract: Through the research on the monitoring and control mode of the underground drainage system, and focusing on the future coal mine automation and intelligent development trend, the underground drainage system automation monitoring system based on the PLC control system is put forward, and the technical requirements and the core functions of the automatic monitoring system are analyzed, and the technical requirements of the system are analyzed.On the basis of the overall structure design of the whole monitoring system and the structure design of the core units, the overall requirements are described in detail. The monitoring system can greatly improve the reliability and stability of the coal mine drainage system.
Keyword: drainage system; automation; monitoring equipment; PLC system;
引言
随着国民经济的发展， 为了满足人类社会不断对煤炭需求量的增加， 各矿山企业不断加大对煤炭的开采力度和深度， 这就导致了井下对排水装置的需求量也随之增加。在开采的过程中， 地下水、渗透水以及各类设备的冷却水会不断流入井下巷道内， 因此就需要井下排水系统将这些积水排出巷道， 传输到地面上去， 一旦排出不及时或者遇到井下涌水事故， 将导致重大经济损失， 甚至造成严重的人员伤亡事故[1].
目前， 我国大多数煤矿对井下排水设备， 采用的是人工监控方式， 该方式存在着监控效果差、反馈滞后性大、无法及时有效对各排水单元进行实时控制等问题， 因此迫切需要建立一套完善的煤矿井下排水系统的自动化监控设备， 确保煤矿的安全生产。
1、 排水系统自动化监控设备的技术要求
为了彻底解决目前井下排水系统由人工监测、人工操作控制导致的监控效果差、安全性低、资源消耗量大、反应滞后等难题， 新的井下排水系统自动化监控设备应具有以下特点：
1） 响应速度快。煤矿井下生产环境极端恶劣， 各种不稳定因素较多， 因此要求监控设备能够实时对各种信息进行有效的采集， 同时为了保证井下作业人员的安全， 还要求煤矿井下监控设备能够对存水区域的存水情况进行有效的实时监控， 当水情超过预设的警戒线时， 能够迅速启动排水并发出报警信号， 通知相关区域的人员迅速撤离危险区域。
2） 可靠性高。煤矿井下巷道内的作业环境差， 因此煤矿井下排水系统监控设备需要能够确保在恶劣环境中工作的可靠性， 这既包括PLC控制系统对排水系统各类运行信号采集的可靠性， 也包括信号在网络设备内传输和反馈的可靠性。
3） 系统信息图表化。能够将采集、分析提取的信息实时的以图表形式进行显示， 实现整个监控系统的直观化操作。
2、 自动化监控设备的总体结构设计
在对煤矿井下排水系统监控设备功能和要求进行分析的基础上， 提出了以PLC控制系统为核心的自动化监控系统， 其主要包括监控分站、上位机控制中心及网络通讯结构[2], 其整体结构如图1所示。
图1 监控设备的总体结构示意图
该监控系统是以PLC控制系统作为整个监控系统的处理核心， 以现场的数据采集单元为基本载体， 配合位于监控目标处的各类传感器设备和相关的驱动控制设备， 在网络通讯中心系统和以太环网系统的支持下所建立起来的， 实现了地面控制中心的远程监控、设备的现场自控、现场手控及信息监测检修控制等， 能够对井下巷道内的积水进行实时水位监测、对排水设备内的水压、流量及排水设备的运行参数进行实时监测和控制。能够将监测到的各类信号以图形、数据、表格、图表等直观的形式直接在地面信息控制中心进行实时显示， 实现对各类设备运行状态的实时监测， 从而实现井下排水系统的自动化， 确保设备运行的准确性、及时性和可靠性。
3、 自动化监控分站结构设计
自动化监控系统的分监控站是位于一线的数据监控点， 其主要包括分站信息汇总处理系统， 显示设备、各类传感器设备、流量计、液位计等， 在自动化监控系统运行的过程中， 监控分站主要对其控制站点的排水系统各类设备的运行情况进行实时监测， 然后将这些采集到的信息进行初步的处理并上传中央处理系统[3], 其基本结构示意图如图2所示。
图2 监控分站的结构示意图
监控分站的设置实现了将传统的对各类排水设备的分散控制提升到了集成控制的层次， 减少了各类操作人员的数量， 不仅极大地提高了对一线排水设备的监测、控制效率， 而且能够大大减少在井下工作人员的数量， 为员工的安全提供了保障， 为实现一线监控分站对于各类数据采集的准确性及工作的可靠性， 其应具有工况监测、集中/手工控制、远程控制、系统自检及各类保护功能。
4、 上位机控制中心的结构设计
在整个监控系统的结构组成中， 上位机控制中心的主要作用是将从各一线监控分站采集、传输过来的信息进行集中分析处理， 根据分析处理的结果将巷道内各排水设备的实时工作状态以图表的形式进行呈现， 便于集控中心的控制人员实时掌握井下巷道内的积水情况， 并及时传递给一线的监控分站， 并控制相应的排水设备进行指定的操作， 作为核心的人机交互接口， 其承担着控制人员和设备之间的对话任务， 这就要求上位机控制中心在进行设计时需要具有极强的可交互性、简单、清晰、明了的信息显示功能， 能够将监控分站传递上来的一线排水设备的工作情况进行实时的动态显示， 其结构如图3所示。
5、 网络通信结构设计
因自动化监控系统由位于井下的各分监控站点及位于地面上的集控中心组成， 各分站点之间的距离及其与地面集控中心的距离可长达数十公里， 为了确保信息在传输过程中的及时性、有效性、准确性、完整性， 因此我们需要该监控系统内的网络通信采用点对点式的分布结构[4].这种结构形式可以使不同设备之间的信息通过相互之间的高速光纤网络系统进行传递， 可以有效地消除设备检测单元、控制中心之间可能存在的信息隔断， 确保信息传递的顺畅性， 其结构如图4所示。
图3 上位机监控中心结构示意图
图4 网络通信结构示意图
6、 结语
目前， 我国煤矿井下排水通常采用人工检测、检查、控制的方式， 这种模式不仅存在着控制不及时、监测效果差的难题而且远不能满足矿山设备自动化、智能化的发展方向， 因此， 在分析现有井下排水系统优缺点的基础上， 提出了一种基于PLC控制系统为核心的井下排水系统自动化监控设备， 大幅提高了煤矿井下排水系统工作的可靠性和稳定性， 为煤矿行业的安全生产提供了极强有力的保障， 具有一定的经济和社会效益。
参考文献：
[1]国家发展与改革委员会。煤炭工业发展“十二五”规划[Z].2012-06-08
[2]陶睁。监控与数据采集系统在能源管理中的应用研究[D].重庆：重庆大学， 2009.
[3]葛卫民。基于无线传感器网络的智能电量采集硬件平台和监控系统[D].天津：天津大学， 2010.
[4]黄位华。基于工业以太网的水量监测及管理决策系统的开发[D].太原：太原理工大学， 2012.
