一种煤矿井下排水系统无人值守的安全预警系统的制作方法

本发明涉及自动监测设备技术领域，特别是涉及一种煤矿井下排水系统无人值守的安全预警系统。

背景技术：

井下水泵房是指安装有排水设备以排除井下涌水的井下硐室。水泵房设置数量与井下涌水量和排水高度有关，有可能只在最低开采水平设置一个，也可能每隔几个阶段设一个，用以接力排送全矿涌水量，这两种方式都要经过技术经济分析后确定。用平硐开拓的矿山，井下涌水可直接从平硐流出，不需要设水泵房。

现有技术中的井下水泵房内的控制部件一般是手动监控和控制，自动化程度不高，无法实现自动化运行，需要配备多人进行监控，人工成本高，工作效率低。

技术实现要素：

本发明提供了一种煤矿井下排水系统无人值守的安全预警系统。

本发明提供了如下方案：

一种煤矿井下排水系统无人值守的安全预警系统，包括中央处理单元、水泵控制单元、信息采集单元以及地面监控单元，所述中央处理单元分别与所述水泵控制单元、所述信息采集单元以及地面监控单元可通信相连；

所述信息采集单元用于采集选定的井下的监测数据；

所述中央处理单元用于将所述监测数据发送至所述地面监测单元并根据所述监测数据生成第一控制指令；

所述水泵控制单元用于接收所述中央处理单元发送的所述第一控制指令并根据所述第一控制指令控制水泵组件包含的各部件的工作状态。

优选地：所述信息采集单元包括水仓水位传感器、水泵启闭状态传感器、阀门开合状态传感器以及高压启动综合保护模块；所述中央处理单元用于根据所述水仓水位传感器获取到的水位值以及所述高压启动综合保护模块获取到的电动机监测数据生成第一控制指令，以便所述水泵控制单元根据所述第一控制指令控制水泵以及阀门在有保护的前提下实现同时进行工作状态的切换。

优选地：所述中央处理单元用于根据所述水仓水位传感器获取到的水位值生成第一控制指令，包括：

对所述水位值进行微分处理，计算出水仓的水位平均变化率；根据所述水位平均变化率以及水仓安全容纳时间采用模糊控制理论生成所述第一控制指令。

优选地：所述电动机监测数据包括三相电压、运行电流、运行功率及故障信息。

优选地：所述信息采集单元还包括水泵的排水管路压力传感器、水泵的真空度传感器、超声波液位计。

优选地：还包括视频辅助单元，所述视频辅助单元包括安装于井下水泵处的多个摄像仪，所述摄像仪与所述中央处理单元相连，以便所述中央处理单元将所述摄像仪获取到的图像信息发送给所述地面监控单元。

优选地：还包括应急广播辅助单元，所述应急广播辅助单元包括与所述地面监测单元相连的服务端以及位于井下的多个广播音响。

优选地：所述中央处理单元与“五遥”服务器可通信相连，排水系统包括多套水泵组件，所述中央处理单元用于根据所述“五遥”服务器发送某套水泵组件的故障信息生成第二控制指令，以便所述水泵控制单元接收到所述第二控制指令后控制该套水泵组件包含的所有部件的工作状态。

优选地：还包括供电单元以及供电监测单元，所述供电单元包括日常供电系统以及eps应急供电系统；所述供电监测单元用于对所述日常供电系统的供电状态进行实时监控，以便实现所述日常供电系统供电与所述eps应急供电系统供电的切换。

优选地：所述中央处理单元还用于接收所述地面监控单元发送的基于水泵运行时间的控制指令以及基于用电负荷的控制指令，所述水泵控制单元用于接收所述中央处理单元发送的所述基于水泵运行时间的控制指令以及基于用电负荷的控制指令并根据所述基于水泵运行时间的控制指令以及基于用电负荷的控制指令控制水泵组件包含的各部件的工作状态。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

通过本发明，可以实现一种煤矿井下排水系统无人值守的安全预警系统，在一种实现方式下，该系统可以包括中央处理单元、水泵控制单元、信息采集单元以及地面监控单元，所述中央处理单元分别与所述水泵控制单元、所述信息采集单元以及地面监控单元可通信相连；所述信息采集单元用于采集选定的井下的监测数据；所述中央处理单元用于将所述监测数据发送至所述地面监测单元并根据所述监测数据生成第一控制指令；所述水泵控制单元用于接收所述中央处理单元发送的所述第一控制指令并根据所述第一控制指令控制水泵组件包含的各部件的工作状态。本申请提供的煤矿井下排水系统无人值守的安全预警系统，可以根据时间、水位、用电负荷等参数，自动开启运转，并对各种参数实时监视来达到无人值守。可有效降低无人值守自动控制水泵系统故障率，并加快故障处理速度，记录故障发生过程并分析原因，减少同样故障重复发生率，为煤矿主排水系统的无人值守生产模式保驾护航。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种煤矿井下排水系统无人值守的安全预警系统的结构示意图;

图2是本发明实施例提供的根据设定时间和用电负荷控制水泵启停的流程图；

图3是本发明实施例提供的故障处理流程图。

图中：中央处理单元1、水泵控制单元2、信息采集单元3、水仓水位传感器31、水泵启闭状态传感器32、阀门开合状态传感器33、高压启动综合保护模块34、排水管路压力传感器35、水泵的真空度传感器36、超声波液位计37、地面监控单元4、视频辅助单元5、应急广播辅助单元6、“五遥”服务器7。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参见图1、图2、图3，为本发明实施例提供的一种煤矿井下排水系统无人值守的安全预警系统，如图1所示，该系统包括中央处理单元1、水泵控制单元2、信息采集单元3以及地面监控单元4，所述中央处理单元1分别与所述水泵控制单元2、所述信息采集单元3以及地面监控单元4可通信相连；

所述信息采集单元3用于采集选定的井下的监测数据；

所述中央处理单元1用于将所述监测数据发送至所述地面监测单元4并根据所述监测数据生成第一控制指令；

所述水泵控制单元2用于接收所述中央处理单元1发送的所述第一控制指令并根据所述第一控制指令控制水泵组件包含的各部件的工作状态。

所述信息采集单元3包括水仓水位传感器31、水泵启闭状态传感器32、阀门开合状态传感器33以及高压启动综合保护模块34；所述中央处理单元1用于根据所述水仓水位传感器31获取到的水位值以及所述高压启动综合保护模块34获取到的电动机监测数据生成第一控制指令，以便所述水泵控制单元2根据所述第一控制指令控制水泵以及阀门在有保护的前提下实现同时进行工作状态的切换。所述中央处理单元用于根据所述水仓水位传感器获取到的水位值生成第一控制指令，包括：

对所述水位值进行微分处理，计算出水仓的水位平均变化率；根据所述水位平均变化率以及水仓安全容纳时间采用模糊控制理论生成所述第一控制指令。所述电动机监测数据包括三相电压、运行电流、运行功率及故障信息。所述信息采集单元还包括水泵的排水管路压力传感器35、水泵的真空度传感器36、超声波液位计37。

还包括视频辅助单元5，所述视频辅助单元5包括安装于井下水泵处的多个摄像仪，所述摄像仪与所述中央处理单元1相连，以便所述中央处理单元1将所述摄像仪获取到的图像信息发送给所述地面监控单元4。还包括应急广播辅助单元6，所述应急广播辅助单元6包括与所述地面监测单元4相连的服务端以及位于井下的多个广播音响。所述中央处理单元1与“五遥”服务器7可通信相连，排水系统包括多套水泵组件，所述中央处理单元1用于根据所述“五遥”服务器7发送某套水泵组件的故障信息生成第二控制指令，以便所述水泵控制单元接收到所述第二控制指令后控制该套水泵组件包含的所有部件的工作状态。

还包括供电单元以及供电监测单元，所述供电单元包括日常供电系统以及eps应急供电系统；所述供电监测单元用于对所述日常供电系统的供电状态进行实时监控，以便实现所述日常供电系统供电与所述eps应急供电系统供电的切换。

所述中央处理单元还用于接收所述地面监控单元发送的基于水泵运行时间的控制指令以及基于用电负荷的控制指令，所述水泵控制单元用于接收所述中央处理单元发送的所述基于水泵运行时间的控制指令以及基于用电负荷的控制指令并根据所述基于水泵运行时间的控制指令以及基于用电负荷的控制指令控制水泵组件包含的各部件的工作状态。

为进一步提高煤矿井下排水系统水泵房的自动控制水平和安全性，结合现场实践经验，本申请提供了一种针对无人值守全自动水泵房的全套安全预警解决方案，即根据时间、水位、用电负荷等参数来自动运转，并对各种参数进行实时监视。

在自动化控制系统逐渐替代传统生产方式的今天，煤矿井下的无人值守全自动水泵房已成为一种趋势，它为企业节能减员增效，提高了设备的开机率。但作为一种新兴的技术形态，无人化的生产方式更需要严谨周密的避险措施与故障预警。

一般来说，矿山企业在推行无人值守全自动水泵房生产模式的同时，也会提高监控人员的业务素质，实施高精尖人才储备计划，配套故障预警系统是必不可少的，它不仅可以提高监控人员的工作效率，还可记录各种事件、系统参数、工作日志等，对系统故障做到可预警、可处理、可追查。该系统中在井下中央水泵房实行无人值守自动控制模式取得了良好的效果。

整个系统主要由plc控制柜（中央处理单元）、水泵系统及各种相应的传感器组成，系统结构组成如图1所示。plc控制柜是井下控制的核心设备，主要完成井下信息的收集、整理与控制，同时实现与地面监控设备进行信息通信，将井下数据传递到地面显示屏。

该系统选用西门子simatic(西门子)s7—300系列plc作为中央处理单元。s7—300系列plc是模块化的设计方式，配置有接口模块(im)、信号模块(sm)、功能模块(fm)和通讯模块(cp)等，通过各个模块的自由组合可以实现各类功能扩展。

plc模块处理单元。主要完成对传感器及电机综保的监测量进行运算与处理，并且根据其运算结果．来实现对执行部分的控制，达到水泵在有保护的前提下自动启停。

高压启动综合保护单元。实时监测电动机的三相电压、运行电流、功率及故障等信息。通过通讯接口传输电动机的各种参数到plc处理单元，实现对电动机进行故障保护。

受控件执行部分。控制单元由系统控制柜、阀门控制柜、就地按钮箱组成，主要对射流泵的启停控制、装置电动球阀、管路电动液控闸阀、放水闸阀、配水阀及水泵近控进行按钮控制。

监测部分。负责监测水泵的真空度、排水管路的压力、电动机保护装置的信息、流量及所有阀的开关量。与系统柜的plc处理单元相结合，通过读取监测部分的信息，实现对所有设备的运行情况进行了解。

声光报警。控制系统监测设备运行出现故障或者水位发生突变时，报警装置发出声光报警，提示水泵司机进行及时维护处理，同时通过地面调度上位机发出短信报警，领导能及时了解信息，避免事件的发生与扩大影响。

煤矿主排水泵房的无人值守全自动控制系统，主要是根据时间、水位、用电负荷等参数来自动开启、停止水泵的运转，实现泵阀的联锁启停，对系统的各种参数进行实时监视，通过接口上传所有信息至地面监控中心操作员站，同时储存至数据库。如图2所示。

水泵开启与停止时，相应阀门的动作由下位机程序设定。时间与负荷由操作员从上位机直接输入或者设定条件。

无人值守全自动水泵房安全预警根据无人值守全自动水泵房现状，设定各种传感器保护、视频辅助、应急广播辅助、专项停送电、上位机报警等安全预警措施。

系统完全脱离人为操作，设备的动作受控于plc的控制单元，运用比例微分(pd)控制方案，通过模糊控制理论决策。根据水位变化率和水仓安全容纳时间动态实现水仓水位始终适应涌水量变化的安全原则。以节约电能为水泵的运行原则，通过实时监测电量负荷．采取用电“避峰就谷”的控制策略．统筹调度泵房水泵的启停。为了确保安全，系统通过对水位值的实时微分处理，分段计算出水仓水位的平均变化率。来判断水仓的涌水情况。及时采取相应措施．保障泵房的安全。

视频辅助。

在企业前期使用无人值守模式控制水泵时，往往因设备磨合不够、制度不够完善或人员业务水平等因素需要借助视频系统辅助控制。视频辅助系统分为摄像仪、传输介质与客户端。其中摄像仪安装于井下水泵处，三台固定摄像仪监视水泵位置。通过预调整摄像仪位置，可以清晰拍摄整台水泵系统全部设备，将图像上传至地面监控中心操作员站，帮助操作人员更清晰直观地发现系统故障。

应急广播辅助。

应急广播系统的服务端安装于地面监控中心，可与水泵房监控系统同台操作员站。正常生产时，可由监控中心选择播放今日检修计划、会议精神传达、专项管理规程等音频。在水泵房区域安装应急广播终端，当系统出现故障时，下位机向广播音箱发送指令，水泵房及配套变电所内所有音箱可以准确报告故障类型，便于巡回检视人员快速处理故障。

专项停送电。

水泵房配套变电所内的高压防爆配电装置通过“五遥”技术实现地面监控中心远程停送电，利用水泵自动化系统的下位机与“五遥”服务器交换数据，实现水泵故障联动断电保护，避免电动机、开关等高压设备受损。水泵系统的阀门、传感器、电控装置等低压配电设备按照每台水泵分别供电，经过专项停送电保护设备接入低压供电开关。比如某台水泵发生故障时，下位机会自动判断故障类型并分类，故障严重时可以自动联锁停掉该台水泵系统所有的低压供电，而其他水泵自动控制功能不受影响。

上位机报警。

上位机操作端安装于地面监控中心操作员站，具有权限分配功能，操作员可按权限不同进行操作、故障查询、查看报表、访问历史数据、修改设置等不同操作。水泵系统运行与停止时各种设备开停状态、阀门到位状态、水位、压力、温度、电压电流、流量等参数可以实时显示于上位机，并且根据变化动态绘制成历史曲线储存到数据库。同时所有故障及操作记录可备份查询。

全套安全预警系统处理。

下位机根据故障类别作停泵或急停处理，所有过程存入上位机数据库。如图3所示。

煤矿井下无人值守排水系统自动化控制对井下的突发事件处理有以下两种情况：①系统突然断电，系统通过实时监测供电系统，当监测到系统断电时，在停电瞬间自动切换到eps应急电源供电，使监测设备不会停机；②涌水量过大或透水，由于煤矿井下具有地质情况的特殊性，时常发生涌水量大甚至透水事件，所以矿井自动排水控制系统的应急反应、处理能力。也是权衡控制系统是否安全与稳定的重要条件。如发生涌水事故，则同时启动泵房正常使用和备用的离心泵排水。通过系统监测排水量。如果排水量还是小于涌水量，则自动化控制系统应立刻向上级水泵控制系统发出警示信息，给地面强排系统发出启动信号，运用强排水泵和泵房离心泵联合排水，同时发出紧急透水报警及短信，以便让井下人员及时撤离。让领导实时了解井下信息，对泵房情况进行紧急处理，从而将事故的影响降到最小。

总之，本申请提供的煤矿井下排水系统无人值守的安全预警系统，可以根据时间、水位、用电负荷等参数，自动开启运转，并对各种参数实时监视来达到无人值守。可有效降低无人值守自动控制水泵系统故障率，并加快故障处理速度，记录故障发生过程并分析原因，减少同样故障重复发生率，为煤矿主排水系统的无人值守生产模式保驾护航。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。