一种煤矿井下瓦斯抽放泵站集中控制系统

技术领域

本发明涉及瓦斯泵站监测技术领域，尤其涉及一种煤矿井下瓦斯抽放泵站集中控制系统。

背景技术

煤矿井下瓦斯抽放系统作为煤矿生产中的主要工作系统之一，在煤矿安全问题中占有重要地位，实现井下瓦斯抽放的自动化控制不仅会提高瓦斯抽放效率，还为矿山的安全生产提供可靠的安全保证，目前，煤矿井下瓦斯抽放系统存在以下问题：井下瓦斯抽放作业采用人工现场操作方式，无法科学、合理地调度瓦斯抽放量和瓦斯抽放时间；井下瓦斯抽放操作人员要到达现场根据目测水箱液位传感器数值高低来启停瓦斯抽放泵，因人工不能精确控制水压及流量，造成瓦斯泵抽采效率低，瓦斯泵干转的情况时有发生；传统人工控制的瓦斯抽放系统存在可靠度不高、效率低下、检修维护困难的问题，无法做到数据实时监测、记录、上传，出现故障后无法从历史记录中分析及查看，不能满足数字化和信息化的高速发展等问题；

近些年以来，虽有瓦斯抽放集控系统应用，代替了部分人工现场工作，但在实际运行中仍存在一定的问题：外部供水不稳定导致瓦斯抽放泵工作效率不能保证，造成资源浪费；采用PLC控制箱和组合开关分别进行逻辑判断和驱动瓦斯抽放泵及阀门启停，现场设备多、接线多、管网多，不便维护；数据虽然上传至地面集控室工控机，但仅集控室值班人员能看到，管理人员无法及时获悉现场情况；因此，本发明提出一种煤矿井下瓦斯抽放泵站集中控制系统以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种煤矿井下瓦斯抽放泵站集中控制系统，该煤矿井下瓦斯抽放泵站集中控制系统将进入瓦斯抽放泵的水控制在比较精准的压力和流量范围，保证瓦斯抽放泵工作在最高效模式区间。

为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种煤矿井下瓦斯抽放泵站集中控制系统，包括设备层、控制层、传输层和管理层，所述设备层用于采集现场数据传输给控制层，并接收控制层的命令实现设备启停；

所述控制层用于接收设备层数据，进行数据处理、显示，并通过传输层将数据上传给管理层，同时根据系统逻辑程序要求对现场设备发送动作指令；

所述传输层用于实现控制层和管理层的数据通讯；

所述管理层用于接收控制层经传输层上传的数据，并对数据存储、显示、发布以及人机交互。

进一步改进在于：所述设备层包括传感器、执行器和摄像仪，所述传感器包括矿用甲烷传感器、矿用一氧化碳传感器、矿用液位传感器、矿用压力传感器、矿用温度传感器、矿用流量传感器，所述执行器包括矿用电动闸阀、矿用电动球阀、矿用潜水泵及声光报警装置，所述摄像仪为音视频一体化云台摄像仪。

进一步改进在于：所述传感器中，矿用液位传感器包括两种不同测量原理的液位传感器，用于进行水箱液位测量，一种液位传感器为矿用超声波液位传感器，另一种液位传感器为矿用投入式液位传感器。

进一步改进在于：所述设备层中，采用矿用变频器对供水水泵电机进行调速，通过采集水箱和管路中的矿用液位传感器、矿用压力传感器和矿用流量传感器，将信号反馈给控制层，通过对信号进行分析处理，采用PID算法将控制信号发送给矿用变频器，再通过矿用变频器调节供水水泵电机，将进入瓦斯抽放泵的水控制在规定压力和流量范围，控制瓦斯抽放泵工作的模式区间。

进一步改进在于：所述控制层为隔爆型瓦斯抽放泵的控制器，且控制器采集设备层的数据，并且将数据进行分析处理后通过传输层上传到管理层，同时，管理层的指令通过传输层下发到控制器中，控制器根据指令对设备层进行控制。

进一步改进在于：所述控制器中写有煤矿井下瓦斯抽放泵站集中控制自动化程序，具备就地控制、远程控制和自动控制三种模式，同时具备分析设备层状态实现瓦斯、流量、压力参数的报警功能。

进一步改进在于：所述传输层包括交换机、光缆，所述交换机设有多组，且多组所述交换机之间通过光缆首位相连构成以太环网，当某个交换机损坏，其他交换机下数据仍让正常上传。

进一步改进在于：所述所述管理层包括上位机、服务器、音响、路由器、内网/公网、手机，所述上位机采用组态软件，且组态软件用于将数据通过路由器经过内网/公网发布到手机APP上面，供管理人员查看。

进一步改进在于：所述组态软件结合摄像仪，用于瓦斯抽放泵启停的视频采集，将视频数据发布到手机APP上，供管理人员查看，同时结合摄像仪，用于瓦斯抽放泵启停的音视频联动控制，在地面集控室展示播放现场情况以及现场声音，实现无人化值守。

本发明的有益效果为：

1、本发明设备层下采用矿用变频器对供水水泵电机进行调速，通过采集水箱和管路中的矿用液位传感器、矿用压力传感器和矿用流量传感器，将信号反馈PLC控制器，通过对信号进行分析处理，采用PID算法将控制信号发送给变频器，再通过变频器调节供水水泵电机，将进入瓦斯抽放泵的水控制在比较精准的压力和流量范围，保证瓦斯抽放泵工作在最高效模式区间。

2、本发明控制层下控制器将PLC、真空接触器、后备电池、交换机、触摸屏等结合在一起，可实现逻辑判断、瓦斯抽放泵及阀门驱动、传感器供电、数据传输等功能，井下短暂断电也可正常维持系统运行。

3、本发明传输层下交换机形成光纤环网，某个交换机损坏下仍能实现其他交换机下数据正常上传。

4、本发明管理层上位机软件可以将数据发布到手机APP上面，方便管理人员查看，同时结合摄像仪能够实现水泵启动的音视频联动控制，在地面集控室可看到现场情况听到现场声音，真正实现无人化值守。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明的设备层配置示意图；

图3为本发明的控制层配置示意图；

图4为本发明的管理层手机APP发布流程示意图。

其中：1、瓦斯抽放泵；2、减速器；3、防爆电机；4、矿用流量传感器A；5、矿用流量传感器B；6、矿用球阀；7、瓦斯抽放泵控制器；8、本安电源；9、阀门控制器；10、防爆外壳；11、真空接触器；12、综合保护器；13、变压器；14、直流电源；15、后备电池；16、PLC；17、触摸屏；18、交换机。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例对本发明做进一步详述，本实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

实施例一

根据图1所示，本实施例提出了一种煤矿井下瓦斯抽放泵站集中控制系统，包括设备层、控制层、传输层和管理层，图1是系统整体结构示意图，第一层为设备层，设备层包括传感器、执行器和摄像仪，传感器有矿用甲烷传感器、矿用一氧化碳传感器、矿用液位传感器、矿用压力传感器、矿用温度传感器、矿用流量传感器，执行器有矿用电动闸阀、矿用电动球阀、矿用潜水泵及声光报警装置，摄像仪为音视频一体化云台摄像仪；第二层为控制层，控制层包括瓦斯抽放泵的控制器，控制层用于接收设备层数据，进行数据处理、显示，并通过传输层将数据上传给管理层；第三层为传输层，传输层包括交换机、光缆，传输层用于实现控制层和管理层的数据通讯；第四层为管理层，管理层由上位机、服务器、音响、路由器、内网/公网、手机组成，管理层用于接收控制层经传输层上传的数据，并实现数据存储、显示、发布以及人机交互。控制层通过控制器与设备层内各设备进行数据交换，同时为设备层内各种设备进行供电。控制层通过瓦斯抽放泵控制器内置的交换机接入传输层交换机，传输层通过交换机连接管理层上位机和服务器。

实施例二

根据图1、2所示，本实施例提出了一种煤矿井下瓦斯抽放泵站集中控制系统，包括设备层、控制层、传输层和管理层，图2设备层配置示意图，以一个瓦斯抽放泵站作为一个单元进行阐述，每个单元通常配备有瓦斯抽放泵1，减速器2，防爆电机3，矿用流量传感器A4和矿用流量传感器B5，矿用球阀6，瓦斯抽放泵控制器7，本安电源8和阀门控制器9。矿用流量传感器A4和矿用流量传感器B5用来检测瓦斯抽放泵供水时的实时流量，电动球阀4用来对瓦斯抽放泵进行注水，电动闸阀6用来进行注水量控制。本发明采用矿用变频器对瓦斯抽放泵电机进行调速，通过采集供水水箱管路和抽放管路中的矿用液位传感器、矿用甲烷传感器和矿用流量传感器，将信号反馈到控制层的控制器，通过对信号进行分析处理，采用PID算法将控制信号发送给变频器，再通过变频器调节瓦斯抽放泵电机，将进入瓦斯抽放泵的水控制在比较精准的压力和流量范围，保证瓦斯抽放泵工作在最高效模式区间。

实施例三

根据图1、3所示，本实施例提出了一种煤矿井下瓦斯抽放泵站集中控制系统，包括设备层、控制层、传输层和管理层，图3是控制层配置示意图。以一个隔爆型瓦斯抽放泵控制器作为一个单元进行阐述，每个瓦斯抽放泵控制器由防爆外壳10，真空接触器11，综合保护器12，变压器13，直流电源14，后备电池15，PLC16，触摸屏17，交换机18组成。其中，外部输入660V AC通过防爆外壳10上喇叭口接入，一路经过真空接触器11后通过喇叭口为执行器电动阀门供电，综合保护器对真空接触器11上电压、电流进行检测及保护；另一路经过变压器13后降压为220V AC后作为直流电源14的输入，直流电源14将220V AC变为24V DC，分别为综合保护器12、PLC16、触摸屏17以及交换机18进行供电，同时也为执行器电动阀门和摄像仪供电。后备电池15用于在外部输入断电时为直流电源14供电。PLC16是整个瓦斯抽放控制器的核心，一方面用于采集外部信号，包括瓦斯抽放泵温度传感器温度信号、排气压力传感器压力信号、投入式和超声波式液位传感器液位信号、清水管路流量传感器流量信号等外部传感器信号以及电动球阀和电动闸阀运行信号、故障信号、到位信号等外部执行器信号。另一方面进行数据转换、逻辑运算以及信号输出，通过对各种信号判断进而输出给执行器进行动作。触摸屏17连接PLC16，用于数据显示、故障报警、人机交互等。交换机18连接PLC16，实现与上层设备的数据通讯。

实施例四

根据图1、4所示，本实施例提出了一种煤矿井下瓦斯抽放泵站集中控制系统，包括设备层、控制层、传输层和管理层，管理层由上位机、服务器、音响、路由器、内网/公网、手机组成。其中，上位机软件采用组态软件，该软件可以将显示画面通过路由器经过内网/公网发布到手机APP上面，供管理人员查看。图4是管理层手机APP发布流程示意图。首先在组态软件中创建项目，通常一个瓦斯抽放系统为一个项目。项目创建完毕后创建变量，变量即各种传感器信号以及执行器信号，变量需要与PLC采集的数据相关联。变量创建完毕后打开APP客户端开发工具，将变量传送到开发工具中。然后进行用户权限配置，即对不同的用户开放不同的数据浏览和数据报警权限。接着使用APP客户端开发工具将数据端口服务开启，至此数据即进行了发布。最后在手机APP客户端上面输入用户名和密码登录后即可查看实时数据和报警数据。

本发明设备层下采用矿用变频器对供水水泵电机进行调速，通过采集水箱和管路中的矿用液位传感器、矿用压力传感器和矿用流量传感器，将信号反馈PLC控制器，通过对信号进行分析处理，采用PID算法将控制信号发送给变频器，再通过变频器调节供水水泵电机，将进入瓦斯抽放泵的水控制在比较精准的压力和流量范围，保证瓦斯抽放泵工作在最高效模式区间。且本发明控制层下控制器将PLC16、真空接触器11、后备电池15、交换机18、触摸屏17等结合在一起，可实现逻辑判断、瓦斯抽放泵及阀门驱动、传感器供电、数据传输等功能，井下短暂断电也可正常维持系统运行。同时，本发明传输层下交换机形成光纤环网，某个交换机损坏下仍能实现其他交换机下数据正常上传。另外，本发明管理层上位机软件可以将数据发布到手机APP上面，方便管理人员查看，同时结合摄像仪能够实现水泵启动的音视频联动控制，在地面集控室可看到现场情况听到现场声音，真正实现无人化值守。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。