煤礦井下單法蘭液位變送器遠程監控系統的研究與設計

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

 

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行控制啟停操作，對其控制需要根據現場的基本數據進行，主要檢測的數據包括驅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。對驅動水泵的電機工作狀態、射流泵工作狀態的檢測，通過其控制繼電器的輸出觸點動作情況進行判斷。

 

1.2 系統控制方式

（1）手動控制方式。本控制系統可以在緊急情況下實現手動控制，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，遠程監測系統根據現場檢測數據判斷電泵是否需要啟停，通過現場通信的方式通知現場，現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根據檢測到的現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，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，通過將實時監測數據與設定的參考安全值進行比較，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，就需要控制水泵進行排水作業，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。當需要啟動水泵的時候，系統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 控制板傳輸到遠程監控系統，系統根據接收的數據與設定值進行比較。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機進行檢測，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。通過這些數據以及數據的變化情況，遠程控制系統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，水位傳感器實時監測數據并進入控制系統分析計算，當水位達到安全水位以下時，系統會控制水泵停止工作。當系統發送關機信號以后，對應的電磁閥會完成換向，關閉缸控閘閥。在關閉水泵的過程中，水泵出口處的壓力會繼續增大，直到閘閥關閉徹底為止。同時，系統發送信號，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，當這兩臺發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。在需要進行停機時，需要完成閥門的關閉在進行關閉水泵的操作，這是因為如果直接控制水泵停機，會產生“做泵”的情形發生，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，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，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是低警戒值，遠程控制系統根據當前狀態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，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下，需要控制至少兩臺水泵進行啟動。

 

4 結語

本文分析了現在井下排水的功能要求及特點，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 單片機開發了嵌入式技術，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）開發的 STM32 單片機控制系統，將井下各水倉檢測的水位情況進行分析判斷，根據判斷結果控制泵啟停的數量，并繼續檢測實時檢測水位情況，循環做出水位判斷，并對泵組的啟停進行控制，該系統可靠性高、穩定性好，能夠實現煤礦井下水泵的自動控制，實現泵房的無人作業。

（2）本文設計的煤礦井下單法蘭液位變送器監控系統優化了井下泵組的啟�？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，并進一步提升了對水泵機組狀態的檢測，提高了運行監測的精度。