煤礦井下單法蘭液位變送器遠程監控系統的研究與設計

在煤礦井下生產(chǎn)過(guò)程中，對現場(chǎng)情況監測十分必要，實(shí)現集中監控是充分發(fā)揮監測設備作用#好的方式。目前我國的井場(chǎng)的監控系統是分散進(jìn)行的，分別對不同的系統進(jìn)行監控，而各個(gè)系統之間設計的兼容性能差，在系統無(wú)法兼容的情況下，就無(wú)法實(shí)現系統之間的互相通信，而遠程監控更加無(wú)法實(shí)現，因此，在本文設計的系統中將采用兼容性能優(yōu)越的方案。

 

1 系統方案設計

1.1 數據的檢測

單法蘭液位變送器遠程監測系統主要完成的是對井下抽水泵進(jìn)行控制啟停操作，對其控制需要根據現場(chǎng)的基本數據進(jìn)行，主要檢測的數據包括驅動(dòng)水泵的異步電機溫升、水倉水位、水泵的出口壓力以及水泵進(jìn)水口的真空度情況。針對這些物理量的檢測，需要選用不同的檢測儀表。本文采用鉑電阻 PT100 進(jìn)行電機溫度的檢測，利用 GUY 液位傳感器對水位進(jìn)行檢測，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。對驅動(dòng)水泵的電機工作狀態(tài)、射流泵工作狀態(tài)的檢測，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 系統控制方式

（1）手動(dòng)控制方式。本控制系統可以在緊急情況下實(shí)現手動(dòng)控制，在井下排水泵房安裝相應的控制器，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，遠程監測系統根據現場(chǎng)檢測數據判斷電泵是否需要啟停，通過(guò)現場(chǎng)通信的方式通知現場(chǎng)，現場(chǎng)工作人員進(jìn)行手動(dòng)的方式對水泵進(jìn)行啟�？刂�。

（3）自動(dòng)控制方式。自動(dòng)控制方式是系統根據檢測到的現場(chǎng)水位情況以及設備的運行狀況，自動(dòng)判斷是否需要進(jìn)行水泵的啟�？刂�，并且自動(dòng)完成對水泵的啟停操作。

 

2 控制策略的設計

2.1 水泵的啟動(dòng)

在煤礦日常運行中，水倉的水位需要滿(mǎn)足設定的安全標準，當水位高于標準時(shí)，需要控制水泵進(jìn)行排水作業(yè)，對水位高度的判斷是通過(guò)水倉安裝的水位傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的，通過(guò)將實(shí)時(shí)監測數據與設定的參考安全值進(jìn)行比較，根據比較結果對水泵完成啟�？刂�。如果檢測的水位高度高于設定的高度，就需要控制水泵進(jìn)行排水作業(yè)，當系統接收到相應信息以后，便做出相應的指令，控制水泵的啟停。當需要啟動(dòng)水泵的時(shí)候，系統通過(guò)繼電器控制電機啟動(dòng)，電機帶動(dòng)水泵工作，當水泵出口的壓力增大到一定數值時(shí)停止。

 

2.2 水泵的運行

壓力傳感器和變送器檢測的信號通過(guò) STM32 控制板傳輸到遠程監控系統，系統根據接收的數據與設定值進(jìn)行比較。當達到啟動(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水泵的工作狀態(tài)機進(jìn)行檢測，需要檢測的數據包括電機運行電流、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據。通過(guò)這些數據以及數據的變化情況，遠程控制系統會(huì )判斷出水泵的運行狀況。

 

2.3 水泵的停止

通過(guò)遠程控制水泵運行，水泵將井下水倉水排出過(guò)程中，水倉水位將不斷下降，此時(shí)，水位傳感器實(shí)時(shí)監測數據并進(jìn)入控制系統分析計算，當水位達到安全水位以下時(shí)，系統會(huì )控制水泵停止工作。當系統發(fā)送關(guān)機信號以后，對應的電磁閥會(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 )繼續增大，直到閘閥關(guān)閉徹底為止。同時(shí)，系統發(fā)送信號，控制常開(kāi)觸點(diǎn)動(dòng)作，使水泵停機。

 

3 單法蘭液位變送器方案設計

3.1 水泵及水路設計

本文單法蘭液位變送器系統中，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)，當這兩臺發(fā)生故障時(shí)或者水位較高的時(shí)候，就會(huì )啟用另外兩臺備用水泵，當需要對水泵進(jìn)行檢修時(shí)啟動(dòng)剩余的 1 臺備用泵。于此同時(shí)，為了提高排水的效果，系統設計了 3 組排水管道。

 

3.2 單泵啟停方案

本設計中使用的井下水泵是離心泵，在對其進(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(mén)保持閉合，第二，水泵出水口處于真空狀態(tài)。在需要進(jìn)行停機時(shí)，需要完成閥門(mén)的關(guān)閉在進(jìn)行關(guān)閉水泵的操作，這是因為如果直接控制水泵停機，會(huì )產(chǎn)生“做泵”的情形發(fā)生，這對水泵的使用期限造成很大的影響。所以，在停機的時(shí)候需要借助儀表進(jìn)行判斷，當水泵入水口的負壓計檢測出當前為真空狀態(tài)，并且壓力表顯示泵出口壓力不再增加的情況下，才能對水泵進(jìn)行停機操作。

 

3.3 水泵組啟動(dòng)方案

如圖 3 所示為本系統設計的水泵組示意圖，可以看出本系統采用 5 臺主工作水泵，其中兩臺為工作水泵，兩臺備用水泵，另外一臺為檢修水泵。在管道出口的地方安裝閘閥。在煤礦井下水倉中標注有四條水位線(xiàn)，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根據水倉水位傳感器檢測到的現場(chǎng)水位情況對水泵的啟停進(jìn)行控制。

當單法蘭液位變送器系統檢測到當前水位位于水位 1 或者水位 2或兩者之間的時(shí)候，不需要啟動(dòng)水泵。當水位達到了標記 2和標記 3 之間的時(shí)候，代表當前的水位狀態(tài)是低警戒值，遠程控制系統根據當前狀態(tài)所存在的時(shí)間段對水泵進(jìn)行啟�？刂�，當此時(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 1 臺工作水泵進(jìn)行啟動(dòng)控制 ；如果判斷水位在標記 3 及標記 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 1 臺水泵進(jìn)行啟動(dòng)控制 ；當水位處在標記 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，需要控制至少兩臺水泵進(jìn)行啟動(dòng)。

 

4 結語(yǔ)

本文分析了現在井下排水的功能要求及特點(diǎn)，設計了一種能夠遠程監控的單法蘭液位變送器系統，并利用 STM32 單片機開(kāi)發(fā)了嵌入式技術(shù)，根據各水倉水位檢測數據，制定了相應的單泵及泵組啟停方案。本文主要結論如下 ：

（1）開(kāi)發(fā)的 STM32 單片機控制系統，將井下各水倉檢測的水位情況進(jìn)行分析判斷，根據判斷結果控制泵啟停的數量，并繼續檢測實(shí)時(shí)檢測水位情況，循環(huán)做出水位判斷，并對泵組的啟停進(jìn)行控制，該系統可靠性高、穩定性好，能夠實(shí)現煤礦井下水泵的自動(dòng)控制，實(shí)現泵房的無(wú)人作業(yè)。

（2）本文設計的煤礦井下單法蘭液位變送器監控系統優(yōu)化了井下泵組的啟�？刂扑惴�，并且在系統結構組成以及設備的安裝難度上得到了改善，并進(jìn)一步提升了對水泵機組狀態(tài)的檢測，提高了運行監測的精度。