泵房自动化及机器人巡检系统的研究与应用

泵房自动化及机器人巡检系统的研究与应用

完成单位：冀中能源峰峰集团有限公司梧桐庄矿

中信重工开诚电气有限公司

一、项目承建单位基本状况

冀中能源峰峰集团梧桐庄矿位于河北省邯郸市磁县境内，井田面积39.6km2，地质储煤4.36亿吨，可采储量1.4亿吨，主采煤层为低灰、低硫、低磷、高挥发分、高发热量、高粘结度的优质肥煤。矿井于1989年4月始建至2003年10月1日正式投产，设计年生产能力120万吨，扩建后核定年产300万吨。该矿以科学发展观为指导，坚持“数字化、智能化”矿山研究与建设，先后建成地面压风系统自动化控制、矿井主通风系统自动化控制、矿井井下供电网络自动化控制、立井提升系统自动化控制等远程监控自动化控制系统，并建有地面集控中心。

二、项目实施概况

1、项目背景

随着工业自动化技术和信息化技术的发展，两化融合已成为推动企业发展的重要战略之一。“机械化减人、自动化换人”成为了煤矿机电发展的重要方向之一。推行无人值守的自动化控制，不仅能够将职工从井下高温度、高湿度、高噪声的工作环境中解放出来，而且也是使煤炭企业减少从业人员数量、改善安全生产条件、节约人工成本的主要途径之一。

梧桐庄矿属于水文地质极复杂矿井，井田内煤层埋深较大，煤系地层基底的中奥陶系灰岩含水层，富水性强，且局部与开采煤层间的隔水岩层完整

性差，严重威胁着矿井安全生产。井田内奥灰含水层与外界的循环交替很微弱，处于一种相对封闭和滞流的水文地质环境，矿井排水是井田内奥灰含水层的主要排泄方式。

梧桐庄矿中央泵房始建于2001年5月，共安装有7台型号为MDF450-90*8的离心式卧泵，水泵流量为450m3/h，扬程为720m，配套电机功率为1400kW。有内外两个水仓，采用射流＋真空两种灌泵装置进行取水。采用集中控制和人工巡检相配合的方式来保证排水泵房的正常运行。

近年来我矿结合生产厂家对井下主排水泵房实现无人值守的自动化控制系统进行了大量的调查研究。由于煤矿主排水泵房均承担着全矿井的排水任务，对设备安全、稳定运行的要求很高。传统的水泵监控系统存在不能直观获取水泵运行机械数据、设备安装繁琐、系统复杂容错率低、系统稳定性差等问题，并不能真正实现可靠的无人值守。且所有数据的获得均需要安设传感器和摄像装置，施工量、维护量都很大。

2、项目目的和意义

（1）通过立项寻求一种结构相对简单，安装、使用方便，能够代替巡检人员对泵房内设备进行巡检的装置。

（2）巡检装置除了能够通过传感器完全取代巡检人员的视觉、触觉、听觉、嗅觉的功能外，巡检装置必须能够实现自动行走、自动充电、门限报警等功能以便于地面监视人员操作，真正实现“自动化换人”的目的。

（3）所有的监视、控制、调整、数据采集均能在地面远程控制，以便在事故发生后能够快速定位故障原因并尽快排除故障恢复排水系统的运行。

（4）研究一种可与现有排水泵房远程监控系统相结合、互补的自动巡检装置，切实实现减人提效的目的，实现安全效益和经济效益双丰收。同时，

对现场安装条件要求的，具有实用性、推广性，以便于应用于其他需要巡检的固定机房硐室，有利于提升梧桐庄矿乃至整个峰峰矿区矿井在自动化控制方面的科技水平。

3、项目基本情况

矿井正常涌水量738 m3/h，最大涌水量1362 m3/h，根据2001年5月首采工作面开采至今涌水量观测，矿井正常涌水量为330 m3/h，最大涌水量1050 m3/h。井下采用直接排水方式，副井底设有内、外2个水仓，内水仓容积3424m3，外水仓容积3705m3，合计水仓容积7129 m3。

现矿一470 m水平安装有两套排水系统，即中央泵房排水系统和潜水泵排水系统。中央泵房安装有7台KD450-90×8水泵，1-2台工作，4台备用，1台检修。水泵额定流量450 m3/h，扬程720 m。配套电动机型号Y500-10-4，功率1400 kW，电压6kV，转速1487 r/min，采用串电抗器方式启动。排水管路选用三趟D426无缝钢管，安装于副井筒内。矿井水直排地面，排高666m.

泵房现有唐山开诚一套主排水电控系统，产品设计按照自动化运行标准来设计，在矿井恢复生产期间，临时安装调试使用，现场7台电动闸阀的开关到位及过转矩信号均无法引出，造成阀门无法执行远控，现场现有的真空泵为SZ-2型排气量3.4m³/h，使用真空泵时，无法满足使用要求。

目前所有压力传感器及压力没有安装蛇形弯管，如果阀门关闭不严密的时候停泵，会造成真空表及负压传感器的损坏，现场真空表已经损坏多块，已安装的负压传感器可能已经损坏。

三、项目实施需要解决的关键问题。

1、硬件问题

①采用PLC可编程控制器为核心；

②外围设备性能可靠；

③应急措施齐全；

④模块化灵活性高；

⑤组网功能强大；

⑥液晶显示屏人机界面 (HMI) 直观

⑦诊断功能

⑧口令保护

⑨ PLC具有多种不同的通讯接口

多种通讯处理器用来连接MPI接口、PROFIBUS 和工业以太网总线系统，通讯处理器用来连接点到点的通讯系统；多点接口(MPI和PROFIBUS) 集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。

⑩远程和现场都编程

2、软件问题

①无人值守减员增效

将本机工作方式转为“地面控制”或“自动控制”时，各水泵由地面主机或PLC根据自身程序以安全为第一的标准进行控制，最终达到无人值守。

②避峰填谷降低成本

地面计算机根据每天矿井的用电负荷情况，确定用电高峰、低谷时间，并将参数传给本机，使水泵运行在最经济的时间。

③曲线式水位自动控制

水位监测一直是矿井排水参数中最重要的参数之一，往常把水仓水位分为五档低水位、正常水位、高水位、上限水位、危险水位，通过水位传感器