矿井主排水自动控制及远程监控系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种矿井主排水自动控制及远程监控系统，采用上位机结合下位机的网络型控制结构，上位机包括工控机，下位机包括主副两台操作台、矿用隔爆兼本质安全型电控箱、执行机构和传感器；上位机与下位机通过以太网实时交换数据，再通过执行机构实现对井下排水设备的控制。本发明为可实现以信息采集存储、自动化控制、数据处理、网络传输为标志的矿井主排水系统实时监测监控管理系统，可有效改善矿井主排水系统管理模式，提高劳动生产率，实现井下中央泵房的无人化、少人化运行。
【专利说明】矿井主排水自动控制及远程监控系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种矿井主排水自动控制及远程监控系统，尤其是一种适用于高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井的主排水自动控制及远程监控系统。
【背景技术】
[0002]随着煤炭行业高产高效的发展，矿井安全问题己成为制约煤炭生产的关键因素。井下排水系统是煤矿生产中四大系统之一，担负着井下积水排除的重要任务，其能否正常运行直接影响着整个矿井生产的安全性。井下排水系统一旦发生故障，不仅影响井下生产，甚至会使矿井淹没，危及生产工人的生命。
[0003]当前，我国井下主排水系统可分为人工就地控制系统与自动控制系统两大类。国内大部分煤矿主排水系统还处于人工就地控制阶段，其存在的问题有如下两点:①该方式以人工手动控制为主，因而水位检测精度不高，操作随意性大，无法实现涌水量的实时监测和排水过程的科学调度。涌水量突然增大时，操作人员若未及时发现和处理，将导致重大安全事故的发生。②人工操作无法避免高强度的工作，尤其是闸阀的操作，劳动量最大。另夕卜，国内少数煤矿采用了自动化排水装置，但其控制功能不健全，系统无法实现井下“无人值守”自动化运行，井上人员也无法实时监测监控井下排水设备；系统可靠性差，当PLC或传感器出现故障时，系统将无法进行排水作业。
[0004]本发明是根据矿井的实际情况，将计算机技术、自动控制技术融为一体，实现排水系统的中央泵房就地控制、井下值班室监控、地面远程监控三级监控；同时本发明配备多种后备保护，大大增强了系统的可靠性。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的是提供一种矿井主排水自动控制及远程监控系统，用于解决现有煤矿井下主排水系统控制功能不健全、可靠性差、地面无法远程监控井下设备等问题，实现矿井主排水系统的自动化、无人化运行。
[0006]本发明提供的技术方案为:一种矿井主排水自动控制及远程监控系统，系统采用基于组态王软件的上位机结合基于PLC的下位机的网络型控制结构，其中
上位机安装于地面，上位机包括工控机和显示屏，其上安装有操作系统软件、组态软件平台和数据库软件以实现对下位机所采集的系统状态数据的分析、判断和处理；
下位机安装于井下，包括主操作台、副操作台、矿用隔爆兼本质安全型电控箱、执行机构和传感器，矿用隔爆兼本质安全型电控箱分别与主操作台、副操作台、执行机构和传感器相连接，其中主操作台和副操作台完成系统信息实时显示、操作命令输入和系统报警等功能，矿用隔爆兼本质安全型电控箱完成逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并通过执行机构控制设备动作实现对井下排水设备的数据采集和实时控制，执行机构实现对井下泵用电机、电动阀门的状态返回、控制和保护，传感器完成系统各参数的采集、转变、传输等功能，实现对井下排水设备状态的在线检测； 上位机通过以太网实现与下位机的矿用隔爆兼本质安全型电控箱的远程通讯，实现对系统的报警限值、运行参数等进行在线修改的功能，还可以在授权情况下远程启、停水泵和开、闭阀门，从而实现对井下排水设备的远程控制。
[0007]优选地，主操作台和副操作台均采用本安型操作台本体上安装独立矿用隔爆型腔体的结构，本安型操作台本体内嵌蜂鸣器，隔爆型腔体内部安装隔爆显示屏，其中主操作台的本安型操作台本体还内嵌操作面板。
[0008]优选地，主操作台安装于井下中央泵房，副操作台安装于井下值班室，实现井下主排水系统的中央泵房就地控制、井下值班室监控和地面远程监控的三级监控。
[0009]优选地，主操作台和副操作台的隔爆显示屏分别与矿用隔爆兼本质安全型电控箱通过RS485实现就地通讯。
[0010]优选地，所述执行机构包括矿用隔爆型高压启动器和矿用隔爆型阀门电动装置控制箱。
[0011 ] 优选地，矿用隔爆型高压启动器具有就地电动和远程电动两种控制模式，在下位机出现故障时，启动就地电动控制模式实现井下泵用电机的后备控制。
[0012]优选地，所述矿用隔爆型阀门电动装置控制箱具有就地电动和远程电动两种控制模式，在下位机出现故障时，启动就地电动控制模式实现井下电动阀门的后备控制。
[0013]优选地，所述传感器包括温度传感器、正压传感器、负压传感器、流量传感器、液位传感器、电压变送器和电流变送器。
[0014]优选地，所述液位传感器采用非接触式矿用超声波液位传感器，有效减少水仓中煤泥对测量精度的影响；同时还配备矿用投入式液位传感器作为后备检测装置，增强系统液位检测的可靠性。
[0015]本发明与现有技术相比，具有如下有益效果:
(I)采用上位机结合下位机的网络型控制结构，可实现地面远程控制、现场自动控制、现场手动控制和现场检修控制四种控制方式；既适用于现场控制，又适用远程监控，实现以信息采集存储、自动化控制、数据处理、网络传输为标志的矿井主排水系统实时监测监控管理系统，可有效改善矿井主排水系统管理模式，提高劳动生产率，实现井下中央泵房的无人化、少人化运行。
[0016](2)在现场手动控制模式下，操作人员通过主操作台的操作面板控制水泵及阀门的运行，系统根据实时监测的工况参数和电气参数，当出现错误操作和故障时发出报警信息；在现场自动控制模式下，系统根据设定参数、实际工况及“削峰填谷”原则自动控制水泵及阀门联合运行，既可实现多泵顺序轮流工作，也可在特殊情况下，如因涌水量过大而造成水仓水位居高不下或持续攀升，自动控制两台甚至三台水泵同时运行；现场检修控制模式为短时运行方式，是针对故障阀门检修后用于检验修复效果而设计的，具有故障保护退出功能。
[0017](3)上位机用于远程监控井下下位机，不断采集井下报警信息、设备运行信息、传感器数据等参数，对数据进行记录，并对历史数据进行分析、判断和处理，形成报表和历史曲线，上位机可对下位机的报警限值、运行参数等参数进行在线修改，还可以在地面远程控制模式下对井下设备进行控制，实现远程启、停水泵，开、闭阀门等功能。
[0018](4)由于井下中央泵房噪音嘈杂、环境潮湿，不具备人员长期值守条件，一般将值班室设置在与中央泵房相邻的中央变电所内。因此本发明同时配备主副两台操作台，主操作台安装于井下中央泵房，副操作台安装于井下值班室；主操作台配备有操作面板，具有信息实时显示、操作命令输入和系统报警等功能；副操作台未配备操作面板，不具备具有操作命令输入功能，只具有信息实时显示和系统报警等功能；结合地面上位机，本发明可实现矿井排水系统的中央泵房就地控制、井下值班室监控、地面远程监控三级监控。
[0019](5)矿用隔爆型高压启动器和矿用隔爆型阀门电动装置控制箱具有就地电动和远程电动两种控制模式，在下位机出现故障时，启动就地电动控制模式可实现后备控制；同时配备非接触式矿用超声波液位传感器和投入式液位传感器两种传感器，增强系统液位检测的可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的系统结构图；
图2为本发明的系统原理图；
图3为本发明的设备布局图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作出详细说明。
[0022]如图1所示，本发明提供一种矿井主排水自动控制及远程监控系统，系统采用上位机结合下位机的网络型控制结构，上位机安装于地面，下位机安装于井下；上位机与下位机通过以太网实时交换数据，从而实现对井下排水设备的控制。
[0023]上位机包括工控机，其上安装有操作系统软件、组态软件平台和数据库软件，组态软件平台选用组态王6.55监控软件，实现对下位机所采集系统状态数据的分析、判断和处理，下位机包括主操作台、副操作台、矿用隔爆兼本质安全型电控箱、执行机构和传感器，上位机通过以太网实现与下位机的矿用隔爆兼本质安全型电控箱的远程通讯，实现对系统的报警限值、运行参数等进行在线修改的功能，还可以在授权情况下远程启、停水泵和开、闭阀门，从而实现对井下排水设备的远程控制。
[0024]主操作台和副操作台均采用本安型操作台本体上安装独立矿用隔爆型腔体的结构，本安型操作台本体内嵌蜂鸣器，隔爆型腔体内部安装隔爆显示屏，该显示屏优选为15寸液晶显示屏，其中主操作台的本安型操作台本体还内嵌操作面板。主操作台安装于井下中央泵房，副操作台安装于井下值班室，实现井下主排水系统的中央泵房就地控制、井下值班室监控和地面远程监控的三级监控。
[0025]矿用隔爆兼本质安全型电控箱包括PLC模块、隔离开关、变压器、隔离安全栅、空气开关、继电器、开关电源、本安电源和接线端子，本发明中选用西门子S7-300型PLC作为核心控制单元，PLC模块包括CPU模块、电源模块、通讯模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、接口模块；隔离安全栅将温度传感器的电阻信号转化为4-20mA标准电流信号，并起到隔离作用；继电器采用欧姆龙24V直流继电器，PLC模块的数字量输出模块与继电器直接相连，通过继电器控制执行机构工作；开关电源给矿用隔爆兼本质安全型电控箱其它内部单元和两个操作台的隔爆显示屏供电；本安电源给主操作台的操作面板供电。
[0026]主操作台和副操作台的蜂鸣器通过信号线与PLC模块的数字量输出模块相连，隔爆显示屏通讯端通过RS485通讯线与PLC模块的通讯模块相连实现就地通讯，主操作台的操作面板通过信号线与矿用隔爆兼本质安全型电控箱的PLC模块的数字量输入模块相连。
[0027]执行机构包括矿用隔爆型高压启动器和矿用隔爆型阀门电动装置控制箱，实现对泵用电机、电动阀门的状态返回、控制和保护，其状态返回端和控制端通过信号线分别与PLC模块的数字量输入模块和数字量输出模块相连。其中矿用隔爆型高压启动器不仅具有短路保护、过载保护、欠压保护和漏电保护功能，实现对水泵电机的故障保护，而且具有就地电动和远程电动两种控制模式，在下位机故障时，还能进行就地电动控制实现井下泵用电机的后备控制；矿用隔爆型阀门电动装置控制箱不仅具有短路保护、过载保护、欠压保护、漏电保护、过力矩保护、断相保护及相序鉴别自动纠正功能，而且具有就地电动和远程电动两种控制模式，在下位机故障时，还能进行就地电动控制实现井下电动阀门的后备控制。
[0028]传感器包括温度传感器、正压传感器、负压传感器、流量传感器、液位传感器、电压变送器和电流变送器，完成系统各参数的采集、转变、传输等功能。温度传感器采用PTlOO钼热电阻；液位传感器采用非接触式矿用超声波液位传感器，能有效减少水仓中煤泥对测量精度的影响，同时还配备矿用投入式液位传感器作为后备检测传感器，可增强系统的检测可靠性；流量传感器采用超声波流量传感器，其具有安装方便、免维护、可靠性高等优点。传感器除温度传感器通过隔离安全栅与PLC模块的模拟量输入模块相连外，其他传感器直接与PLC模块的模拟量输入模块相连。
[0029]所述的上位机用于远程监控井下下位机，不断采集井下报警信息、设备运行信息、传感器数据等参数，系统将采集的数据储存于Access数据库中，并进一步分析、处理，最终形成报表和历史曲线。上位机可对下位机的报警限值、运行参数等参数进行在线修改；还可以在地面远程控制模式下对井下排水设备进行控制，实现远程启、停水泵，开、闭阀门等功倉泛。
[0030]如图2所示，传感器采集小井液位、水泵入水口负压、水泵出水口压力、管网流量、泵用电机温度、泵用电机电流、泵用电机电压、泵用电机温度等参数信息，并通过模数转换将采集的信息传输到CPU中进行处理，其中泵用电机温度包括前轴温度、后轴温度和绕组温度。同时，操作台面板、矿用隔爆型阀门电动装置控制箱、隔爆型高压启动器采集操作台面板状态、电动阀门状态和泵用电机启停状态，经数字量输入模块传输到CPU中，其中操作台面板状态包括开关、按钮、多档旋转开关等元件的状态，电动阀门状态包括电动阀门的开闭状态、就地/远程状态等。CPU模块对采集到的信息进行综合、分析、计算和判断，输出控制信号，驱动相应的执行机构，进行泵用电机启停、电动阀门开闭、蜂鸣器开闭等操作。主操作台和副操作台的隔爆显示屏与通讯模块实时通讯，就地显示系统信息。地面监控中心通过通讯模块，实时监控井下排水设备。
[0031]如图3所示，为本发明的井下布局图，中央泵房与中央变电所相邻，值班室设置在中央变电所内。本发明按矿井排水量不同，可配备:1~5台数量不等的机组。将矿用隔爆型高压启动器设置于中央变电所内，副操作台设置于中央变电所内的值班室，主操作台、矿用隔爆兼本质安全型电控箱、矿用隔爆型阀门电动装置控制箱设置于中央泵房内。
[0032]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明实质和原理的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种矿井主排水自动控制及远程监控系统，其特征在于，系统采用基于组态王软件的上位机结合基于PLC的下位机的网络型控制结构，其中 上位机安装于地面，上位机包括工控机和显示屏，其上安装有操作系统软件、组态软件平台和数据库软件以实现对下位机所采集的系统状态数据的分析、判断和处理； 下位机安装于井下，包括主操作台、副操作台、矿用隔爆兼本质安全型电控箱、执行机构和传感器，矿用隔爆兼本质安全型电控箱分别与主操作台、副操作台、执行机构和传感器相连接，其中主操作台和副操作台完成系统信息实时显示、操作命令输入和系统报警等功能，矿用隔爆兼本质安全型电控箱完成逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并通过执行机构控制设备动作实现对井下排水设备的数据采集和实时控制，执行机构实现对井下泵用电机、电动阀门的状态返回、控制和保护，传感器完成系统各参数的采集、转变、传输等功能，实现对井下排水设备状态的在线检测； 上位机通过以太网实现与下位机的矿用隔爆兼本质安全型电控箱的远程通讯，实现对系统的报警限值、运行参数等进行在线修改的功能，还可以在授权情况下远程启、停水泵和开、闭阀门，从而实现对井下排水设备的远程控制。
2.根据权利要求1所述的矿井主排水自动控制及远程监控系统，其特征在于，主操作台和副操作台均采用本安型操作台本体上安装独立矿用隔爆型腔体的结构，本安型操作台本体内嵌蜂鸣器，隔爆型腔体内部安装隔爆显示屏，其中主操作台的本安型操作台本体还内嵌操作面板。
3.根据权利要求2所述的矿井主排水自动控制及远程监控系统，其特征在于，主操作台和副操作台的隔爆显示屏分别与矿用隔爆兼本质安全型电控箱通过RS485实现就地通τΗ ο
4.根据权利要求1-3中任一所述的矿井主排水自动控制及远程监控系统，其特征在于，主操作台安装于井下中央泵房，副操作台安装于井下值班室，实现井下主排水系统的中央泵房就地控制、井下值班室监控和地面远程监控的三级监控。
5.根据权利要求1所述的矿井主排水自动控制及远程监控系统，其特征在于，所述执行机构包括矿用隔爆型高压启动器和矿用隔爆型阀门电动装置控制箱。
6.根据权利要求5所述的矿井主排水自动控制及远程监控系统，其特征在于，所述矿用隔爆型高压启动器具有就地电动和远程电动两种控制模式，在下位机出现故障时，启动就地电动控制模式实现井下泵用电机的后备控制。
7.根据权利要求5所述的矿井主排水自动控制及远程监控系统，其特征在于，所述矿用隔爆型阀门电动装置控制箱具有就地电动和远程电动两种控制模式，在下位机出现故障时，启动就地电动控制模式实现井下电动阀门的后备控制。
8.根据权利要求1所述的矿井主排水自动控制及远程监控系统，其特征在于，所述传感器包括温度传感器、正压传感器、负压传感器、流量传感器、液位传感器、电压变送器和电流变送器。
9.根据权利要求8所述的矿井主排水自动控制及远程监控系统，其特征在于，所述液位传感器采用非接触式矿用超声波液位传感器，可有效减少水仓中煤泥对测量精度的影响；同时还配备矿用投入式液位传感器作为后备检测装置，增强系统液位检测的可靠性。
【文档编号】E21F16/00GK104076789SQ201410307639
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月1日 优先权日:2014年7月1日
【发明者】宋建成, 王盛杰, 姚宇, 许春雨, 田慕琴, 李泽宇 申请人:太原理工大学