泵房自动化及机器人巡检系统的研究与应用

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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、

6、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KD450-90X8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 配套电动机型 号丫500-10- 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

7、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 采用PLC可编程控制器为核心； 外围设备性能可 靠； 应急措施齐全； 模块化灵活性高 ； 组网功能强大； 液晶显示屏人机 界面 (HMI) 直观 诊断功能 口令保护 PLC具有多种不同的通讯接口多种通讯处理器 用

8、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 SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。 远程和现场都编程2、软件问题 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。 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。 曲线式水位自动控制水位监测一直是 矿

9、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 的监测反馈判断 水位所处于哪个档，然后执行相应的控制动作。经过长时间的摸索和实际经 验现将固定档位式水位控制更改为曲线式控制，式 PLC控制 “ IQ”更高。 涌水量增大早预警根据水仓加装的 水位传感器实时监测水仓水位，以时间、容积、水位相结合的方式测算 出单位时间的涌水量，达到突发事故早发现、早预警、早排 水的目的。 设有用水量监测通过模拟量水位 传感器监测单位时间内的上涨速度，测算出矿井的涌水量并结合水位高 度确定泵控制动作，可提前了解事故情况为紧急事故提前预 知提前进入紧急

10、 排水状态。 一键起停操作简单在井下操作台和 地面调度室可以实现一键起停功能，系统将按设备顺序自动启动自动监 测各个设备数值最后达到自动排水。大大降低了操作难度减 小了误操作的发 生概率。 故障直观易于维护在现场触摸屏上 可汉字显示各故障信息并报警，在地面控制站上可显示 现场单元当前的 报警信息以及保存的报警记录当运行的水泵出现轴承超温、 高压开关故障、 流量不够、正压过低、电流不正常时自动停止运行，并能确 切的显示故障位 置和类型且有声光报警。四、项目创新点：水泵监控系统有 自动、远程、手动、一键启动四种工作方式，控制模式 以“井下优先” 的原则可以进行手动切换，在特殊条件下也可以进行自动切

11、 换，根据水位控 制原则，自动实现水泵的轮换工作，可实现水泵房的无人值 守。通过检测水仓进 水量的变化率，对透水事故进行预警，在确认进入紧急 状态模式后，以 最快速度将所有水泵开启，以最大排水量进行排水。增设一套可往复 在水泵房行走的机器人巡检装置一套。采用轨道自行走 方式，轨道吊挂 泵房，用于对水泵设备的移动的巡检巡查，及时发现运行过 程中，电机、水 泵、闸阀的各种清理，巡检机器人本体上不少于 2 台高清网 络摄像仪，同时 具备红外温度的采集，负责采集泵体及电机的外壳温度以及 泵房的环境温度 ，巡检机器人本体安装拾音头可清晰的听到井下泵房设备的 运转声音，巡检 机器人本体安装了烟雾报警传感器

12、，实时监测井下泵房的烟 雾报警情况，巡 检机器人在井下实现充电，避免了井下更换电池，巡检装置 通过无线网络进 行信号传输，无线终端通过网线连接到井下交换机上，在地面集控室可以通 过IE浏览器操作、查看到巡检机器人的各种巡检状态，可 连接至大屏显示 。五、项目实际应用 情况及效果分析梧桐庄矿泵房自 动化及机器人巡检系统的设计采用集中控制、分布采集。在井下泵房放置 带有PLC的集中控制柜，每台水泵配置就地控制柜。水泵所 有相关信号采集 至对应的就地箱。巡检机器人由终 端控制设备及前端移动体两大部分组成。通过对终端控 制设备的操作实 现对前端机器人的控制，使之能快速到达相应观测点进行观 测。防fll

13、轨道趟様机器人系统适用于多种工作设备进行观察的场合，特点如下1、点位预置功能：可对相应观测点进行预设置2、移动累积误差自动调节功能：当前端移动机器人运行相应长度后会产 生累积误差，此 时系统可根据设定自动复位至原点。3、位置记忆功能：此功能用于突然断电情况下记忆断电前装置位置。4、障碍物探测功能：对移动机器人行进方向障碍物进行探测，如发现障 碍物存在实现即时制动（多用于保护人身安全方面）。5、伴随照明功能：前端移动机器人配有两台摄像镜头，每台摄像镜头伴 随一台照明装置。通过终端控制设备可对照明装置的光强进行相应调节以适 应观测需要。6、巡检机器人满足10 h连续运行，快速2h充电完成的执行。井

14、下泵房的自动化控制系统和机器人巡检系统的研究与实施，在技术上 已经很成熟，但 由于应用环境的复杂性在具体的应用过程中会经常遇到一些 突发性的问题。 现梧桐庄矿的自动化系统在装备上已经达到了国内的先进水 平，巡检机器人 更是在国内领先。该项目 2016年初立项， 2016年8 月在峰峰集团梧桐庄矿实施完成，运 行至今，状况良 好。1、经济效益：该系统通过整合 硬件资源，达到减人增效的目的：以原泵房水泵工每班3 人、一天三班工作制计算，可缩减人员每班 2 人，共节省 8 人，每人年工 资约 10万元，共计节约 80 万元；该系统可通过编程实现避峰填谷，节约电 费，每天按避峰 填谷8 个小时计算，每天可节约电费 8h*1400kw*0.5 元 /kw.h=5600 元 ，每年节约 5600*365=2044000元 ，每年总计节约 284.