煤矿井下单法兰液位变送器远程监控系统的研究与设计

在煤矿井下生产过程中，对现场情况监测十分必要，实现集中监控是充分发挥监测设备作用#好的方式。目前我国的井场的监控系统是分散进行的，分别对不同的系统进行监控，而各个系统之间设计的兼容性能差，在系统无法兼容的情况下，就无法实现系统之间的互相通信，而远程监控更加无法实现，因此，在本文设计的系统中将采用兼容性能优越的方案。

 

1 系统方案设计

1.1 数据的检测

单法兰液位变送器远程监测系统主要完成的是对井下抽水泵进行控制启停操作，对其控制需要根据现场的基本数据进行，主要检测的数据包括驱动水泵的异步电机温升、水仓水位、水泵的出口压力以及水泵进水口的真空度情况。针对这些物理量的检测，需要选用不同的检测仪表。本文采用铂电阻 PT100 进行电机温度的检测，利用 GUY 液位传感器对水位进行检测，利用 PTP 系列的压力变送器水泵的出口压力以及泵入口处的真空度进行检测。对驱动水泵的电机工作状态、射流泵工作状态的检测，通过其控制继电器的输出触点动作情况进行判断。

 

1.2 系统控制方式

（1）手动控制方式。本控制系统可以在紧急情况下实现手动控制，在井下排水泵房安装相应的控制器，通过手动的方式控制电泵的启停。

（2）半自动控制方式。半自动控制方式是指，远程监测系统根据现场检测数据判断电泵是否需要启停，通过现场通信的方式通知现场，现场工作人员进行手动的方式对水泵进行启停控制。

（3）自动控制方式。自动控制方式是系统根据检测到的现场水位情况以及设备的运行状况，自动判断是否需要进行水泵的启停控制，并且自动完成对水泵的启停操作。

 

2 控制策略的设计

2.1 水泵的启动

在煤矿日常运行中，水仓的水位需要满足设定的安全标准，当水位高于标准时，需要控制水泵进行排水作业，对水位高度的判断是通过水仓安装的水位传感器进行实时检测的，通过将实时监测数据与设定的参考安全值进行比较，根据比较结果对水泵完成启停控制。如果检测的水位高度高于设定的高度，就需要控制水泵进行排水作业，当系统接收到相应信息以后，便做出相应的指令，控制水泵的启停。当需要启动水泵的时候，系统通过继电器控制电机启动，电机带动水泵工作，当水泵出口的压力增大到一定数值时停止。

 

2.2 水泵的运行

压力传感器和变送器检测的信号通过 STM32 控制板传输到远程监控系统，系统根据接收的数据与设定值进行比较。当达到启动水泵的要求的时候，就会接通水泵控制阀，完成对水泵的启动控制，同时关闭射流泵。在水泵工作的同时，需要利用各种传感器对水泵的工作状态机进行检测，需要检测的数据包括电机运行电流、泵出口压力、泵入口的真空度以及泵输出管道的水流量等数据。通过这些数据以及数据的变化情况，远程控制系统会判断出水泵的运行状况。

 

2.3 水泵的停止

通过远程控制水泵运行，水泵将井下水仓水排出过程中，水仓水位将不断下降，此时，水位传感器实时监测数据并进入控制系统分析计算，当水位达到安全水位以下时，系统会控制水泵停止工作。当系统发送关机信号以后，对应的电磁阀会完成换向，关闭缸控闸阀。在关闭水泵的过程中，水泵出口处的压力会继续增大，直到闸阀关闭彻底为止。同时，系统发送信号，控制常开触点动作，使水泵停机。

 

3 单法兰液位变送器方案设计

3.1 水泵及水路设计

本文单法兰液位变送器系统中，共利用了 5 个主排水泵，正常情况下只有两个进行排水作业，当这两台发生故障时或者水位较高的时候，就会启用另外两台备用水泵，当需要对水泵进行检修时启动剩余的 1 台备用泵。于此同时，为了提高排水的效果，系统设计了 3 组排水管道。

 

3.2 单泵启停方案

本设计中使用的井下水泵是离心泵，在对其进行启动的时候，有两个主要问题需要进行关注 ：地衣，需要控制出水管道上的阀门保持闭合，第二，水泵出水口处于真空状态。在需要进行停机时，需要完成阀门的关闭在进行关闭水泵的操作，这是因为如果直接控制水泵停机，会产生“做泵”的情形发生，这对水泵的使用期限造成很大的影响。所以，在停机的时候需要借助仪表进行判断，当水泵入水口的负压计检测出当前为真空状态，并且压力表显示泵出口压力不再增加的情况下，才能对水泵进行停机操作。

 

3.3 水泵组启动方案

如图 3 所示为本系统设计的水泵组示意图，可以看出本系统采用 5 台主工作水泵，其中两台为工作水泵，两台备用水泵，另外一台为检修水泵。在管道出口的地方安装闸阀。在煤矿井下水仓中标注有四条水位线，水位由底到高分别是水位、水位 2、水位 3、水位 4，单法兰液位变送器控制系统根据水仓水位传感器检测到的现场水位情况对水泵的启停进行控制。

当单法兰液位变送器系统检测到当前水位位于水位 1 或者水位 2或两者之间的时候，不需要启动水泵。当水位达到了标记 2和标记 3 之间的时候，代表当前的水位状态是低警戒值，远程控制系统根据当前状态所存在的时间段对水泵进行启停控制，当此时处于用电高峰期，那么不启动水泵，如果此时处于用电较少的时间段，那么需要对 1 台工作水泵进行启动控制 ；如果判断水位在标记 3 及标记 4 之间的时候，代表此时水位处在中度警戒状态，需要对 1 台水泵进行启动控制 ；当水位处在标记 4 及以上的情况时，代表此时的水位处在高警戒的状态下，需要控制至少两台水泵进行启动。

 

4 结语

本文分析了现在井下排水的功能要求及特点，设计了一种能够远程监控的单法兰液位变送器系统，并利用 STM32 单片机开发了嵌入式技术，根据各水仓水位检测数据，制定了相应的单泵及泵组启停方案。本文主要结论如下 ：

（1）开发的 STM32 单片机控制系统，将井下各水仓检测的水位情况进行分析判断，根据判断结果控制泵启停的数量，并继续检测实时检测水位情况，循环做出水位判断，并对泵组的启停进行控制，该系统可靠性高、稳定性好，能够实现煤矿井下水泵的自动控制，实现泵房的无人作业。

（2）本文设计的煤矿井下单法兰液位变送器监控系统优化了井下泵组的启停控制算法，并且在系统结构组成以及设备的安装难度上得到了改善，并进一步提升了对水泵机组状态的检测，提高了运行监测的精度。