煤礦井下單法蘭液位變送器遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計

在煤礦井下生產(chǎn)過程中，對現(xiàn)場情況監(jiān)測十分必要，實現(xiàn)集中監(jiān)控是充分發(fā)揮監(jiān)測設備作用#好的方式。目前我國的井場的監(jiān)控系統(tǒng)是分散進行的，分別對不同的系統(tǒng)進行監(jiān)控，而各個系統(tǒng)之間設計的兼容性能差，在系統(tǒng)無法兼容的情況下，就無法實現(xiàn)系統(tǒng)之間的互相通信，而遠程監(jiān)控更加無法實現(xiàn)，因此，在本文設計的系統(tǒng)中將采用兼容性能優(yōu)越的方案。

 

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 數(shù)據(jù)的檢測

單法蘭液位變送器遠程監(jiān)測系統(tǒng)主要完成的是對井下抽水泵進行控制啟停操作，對其控制需要根據(jù)現(xiàn)場的基本數(shù)據(jù)進行，主要檢測的數(shù)據(jù)包括驅(qū)動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 進行電機溫度的檢測，利用 GUY 液位傳感器對水位進行檢測，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行檢測。對驅(qū)動水泵的電機工作狀態(tài)、射流泵工作狀態(tài)的檢測，通過其控制繼電器的輸出觸點動作情況進行判斷。

 

1.2 系統(tǒng)控制方式

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

（2）半自動控制方式。半自動控制方式是指，遠程監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)判斷電泵是否需要啟停，通過現(xiàn)場通信的方式通知現(xiàn)場，現(xiàn)場工作人員進行手動的方式對水泵進行啟�？刂�。

（3）自動控制方式。自動控制方式是系統(tǒng)根據(jù)檢測到的現(xiàn)場水位情況以及設備的運行狀況，自動判斷是否需要進行水泵的啟�？刂�，并且自動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

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

 

2.2 水泵的運行

壓力傳感器和變送器檢測的信號通過 STM32 控制板傳輸?shù)竭h程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)與設定值進行比較。當達到啟動水泵的要求的時候，就會接通水泵控制閥，完成對水泵的啟動控制，同時關(guān)閉射流泵。在水泵工作的同時，需要利用各種傳感器對水泵的工作狀態(tài)機進行檢測，需要檢測的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的變化情況，遠程控制系統(tǒng)會判斷出水泵的運行狀況。

 

2.3 水泵的停止

通過遠程控制水泵運行，水泵將井下水倉水排出過程中，水倉水位將不斷下降，此時，水位傳感器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)并進入控制系統(tǒng)分析計算，當水位達到安全水位以下時，系統(tǒng)會控制水泵停止工作。當系統(tǒng)發(fā)送關(guān)機信號以后，對應的電磁閥會完成換向，關(guān)閉缸控閘閥。在關(guān)閉水泵的過程中，水泵出口處的壓力會繼續(xù)增大，直到閘閥關(guān)閉徹底為止。同時，系統(tǒng)發(fā)送信號，控制常開觸點動作，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(tǒng)中，共利用了 5 個主排水泵，正常情況下只有兩個進行排水作業(yè)，當這兩臺發(fā)生故障時或者水位較高的時候，就會啟用另外兩臺備用水泵，當需要對水泵進行檢修時啟動剩余的 1 臺備用泵。于此同時，為了提高排水的效果，系統(tǒng)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，在對其進行啟動的時候，有兩個主要問題需要進行關(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)。在需要進行停機時，需要完成閥門的關(guān)閉在進行關(guān)閉水泵的操作，這是因為如果直接控制水泵停機，會產(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，在停機的時候需要借助儀表進行判斷，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，才能對水泵進行停機操作。

 

3.3 水泵組啟動方案

如圖 3 所示為本系統(tǒng)設計的水泵組示意圖，可以看出本系統(tǒng)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，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)水倉水位傳感器檢測到的現(xiàn)場水位情況對水泵的啟停進行控制。

當單法蘭液位變送器系統(tǒng)檢測到當前水位位于水位 1 或者水位 2或兩者之間的時候，不需要啟動水泵。當水位達到了標記 2和標記 3 之間的時候，代表當前的水位狀態(tài)是低警戒值，遠程控制系統(tǒng)根據(jù)當前狀態(tài)所存在的時間段對水泵進行啟�？刂�，當此時處于用電高峰期，那么不啟動水泵，如果此時處于用電較少的時間段，那么需要對 1 臺工作水泵進行啟動控制 ；如果判斷水位在標記 3 及標記 4 之間的時候，代表此時水位處在中度警戒狀態(tài)，需要對 1 臺水泵進行啟動控制 ；當水位處在標記 4 及以上的情況時，代表此時的水位處在高警戒的狀態(tài)下，需要控制至少兩臺水泵進行啟動。

 

4 結(jié)語

本文分析了現(xiàn)在井下排水的功能要求及特點，設計了一種能夠遠程監(jiān)控的單法蘭液位變送器系統(tǒng)，并利用 STM32 單片機開發(fā)了嵌入式技術(shù)，根據(jù)各水倉水位檢測數(shù)據(jù)，制定了相應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 單片機控制系統(tǒng)，將井下各水倉檢測的水位情況進行分析判斷，根據(jù)判斷結(jié)果控制泵啟停的數(shù)量，并繼續(xù)檢測實時檢測水位情況，循環(huán)做出水位判斷，并對泵組的啟停進行控制，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控制，實現(xiàn)泵房的無人作業(yè)。

（2）本文設計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�？刂扑惴�，并且在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成以及設備的安裝難度上得到了改善，并進一步提升了對水泵機組狀態(tài)的檢測，提高了運行監(jiān)測的精度。