煤礦井下排水自動化控制系統(tǒng)分析

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【摘要】現(xiàn)今，我國礦井主排水系統(tǒng)仍多采用繼電器控制，水泵的開停及選擇切換均由人工完成，還做不到根據(jù)水位或其他參數(shù)自動開停水泵。利用PLC進行礦山排水自動化的研發(fā)與利用在我國已經有了較長的歷史，但其應用效果依然需要優(yōu)化。論文從實際出發(fā)，闡述了如何通過可編程序控制器(PLC)及相關傳感器，實現(xiàn)排水泵房的“無人值守”，從而達到減員增效，降低成本，提高勞動生產率的效果。

【關鍵詞】排水泵房；自動化控制；無人值守；減員增效

1泵房概述

1.1泵房運行模式

目前，國內煤礦井下泵站的運行大多采用的是傳統(tǒng)的人工操作方式，每個泵站要求有值守人員8人，當觀察到水倉水位達到一定高位時，人工手動開啟水泵往地面排水，當水位達到一定低位時關閉相應水泵。

1.2存在問題

人工操作開停水泵存在的問題：1）無水倉水位、水泵排水壓力、水泵軸承振動、水泵溫度、運行電流等參數(shù)的監(jiān)測，無法客觀地判斷水泵的運行狀況，不能及時對水泵進行檢修，導致水泵長時間運轉于低效率區(qū)間。2）無法實時判斷水倉水位的變化率，涌水事件發(fā)生時，不能及時發(fā)出預警信號，并將水泵自動起動。3）泵組維護、泵組故障分析沒有準確、可靠的歷史數(shù)據(jù)可以查詢。4）水泵啟停操作，均需水泵工于現(xiàn)場操作，水泵開啟水位點及啟泵流程存在不規(guī)范的可能，且需三班值守，占用勞動力多。5）對各水泵的運行時間沒有有效統(tǒng)計，無法做到水泵的均衡使用。

2設計原則

以PLC控制為核心，將各種外圍配套設備監(jiān)控及環(huán)境影響因素都引入整體系統(tǒng)內，通過采用各種數(shù)學模型，依據(jù)各種運算規(guī)則進行數(shù)據(jù)處理，使各子系統(tǒng)執(zhí)行最優(yōu)運行方案[1]。根據(jù)礦井的不同使用要求，依據(jù)相關標準，對系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)進行計算，確定最佳方案。根據(jù)水倉水位的變化，自動完成排水泵引水、啟停、閥門開關等一系列動作。1）根據(jù)電價區(qū)間，自動根據(jù)“避峰填谷”“均勻磨損”原則運行。2）擁有“井下自動”“遠程操控”“井下手動”“井下一鍵啟動”等多種運行模式。3）手動控制采用以就地控制柜為基礎的不依賴于PLC的純繼電控制。4）根據(jù)涌水量大小、水泵性能曲線及管路特性曲線，計算水泵聯(lián)合運行的最佳工況點，確定最佳開啟水泵、管路參數(shù)和數(shù)量，確保水泵長期在高效區(qū)運行。5）符合國家數(shù)字化礦山標準要求，采用模塊化結構設計，可嵌入數(shù)字化礦山平臺。6）根據(jù)系統(tǒng)配置，真正意義上實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)的“雙機熱備”功能。7）可對井下各子系統(tǒng)參數(shù)進行監(jiān)視、報警、存儲、查詢及打印報表等操作。8）具備Web瀏覽、手機App等多種遠程監(jiān)測手段。9）系統(tǒng)與礦井綜合調度系統(tǒng)無縫連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3系統(tǒng)模式

系統(tǒng)采用“分布式多CPU”的控制方式，系統(tǒng)配置2臺“PLC集中控制柜”和5臺“PLC就地控制柜”。每臺水泵對應1套控制裝置。系統(tǒng)安全度高，其中，任意1臺“PLC控制柜”或者水泵出現(xiàn)問題后，系統(tǒng)均可正常運行，且存在問題的水泵可單獨檢修，確保泵房自動化控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行[2]。

4系統(tǒng)功能

4.1系統(tǒng)工作模式

系統(tǒng)具有自動/遠程操控/手動控制/一鍵啟動4種工作模式。自動模式：根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)設置，自動啟停水泵，并動態(tài)顯示系統(tǒng)內各設備工作狀況和系統(tǒng)各種故障顯示。根據(jù)水倉水位及其他因素，合理調度自動開停水泵及其閥門，在正常水位時，各臺水泵能自動輪換工作，水位上升過快時，自動投入必要數(shù)量的水泵運行。當運行水泵出現(xiàn)故障時，能及時報警，并自動開啟備用水泵。遠程操控：操作人員可在控制室遠程控制水泵機組的起停，其余動作仍由PLC自動執(zhí)行。手動控制：就地PLC控制柜配置手動控制按鈕，選擇此模式的泵組，完全脫離PLC控制，系統(tǒng)不受監(jiān)測信號控制，需要手動操作水泵的各個設備的開停，相互動作，互不閉鎖。一鍵啟動：在現(xiàn)場集中控制柜的觸摸屏上，人工確定開泵臺數(shù)并選擇泵組的啟動，電機及其閥門的起停由PLC自動執(zhí)行。

4.2檢測功能

檢測內容包括：（1）水倉水位檢測；（2）電機工作電流檢測；（3）電機溫度、振動檢測；（4）水泵吸水管真空度；（5）水泵出水口壓力；（6）排水管路流量檢測。

4.3保護功能

保護模式：自動排水控制系統(tǒng)在實現(xiàn)自動排水的同時，原排水系統(tǒng)的手動控制仍然有效，大大提高排水系統(tǒng)的可靠性，保證排水安全。早期預警系統(tǒng)：根據(jù)科學的數(shù)據(jù)模型以及液位傳感器對液位的監(jiān)測，結合水倉的結構及容量準確計算出涌水量，實現(xiàn)透水事故的早期預警。可靠的真空引水：每臺泵組，使用射流引水方式引水，增加電動功能，將原有的射流總管球閥改為DN50雙控半球閥，所有球閥均使用不銹鋼304材質，保證抽真空系統(tǒng)的正常運行。電氣保護：具有欠電壓、失壓、過電流、漏電、過負荷等全方位的電氣保護功能。同時通過通信將電流、功率、電壓信號及相應的故障信號送入水泵自動化系統(tǒng)，由系統(tǒng)判斷電路的工作狀態(tài)，如果流量、壓力達不到設定值時，系統(tǒng)給出相應判斷并轉換下1臺機組工作[3]。

4.4節(jié)能功能

均勻磨損：系統(tǒng)自動記錄各臺泵組的累計運行時間，并進行排序，下次啟動時優(yōu)先啟動無故障、運行時間短的水泵投入使用，這樣就實現(xiàn)了水泵的均勻磨損，能最大限度地延長泵組的使用壽命。移峰填谷：當電網(wǎng)執(zhí)行峰、平、谷階梯電價時，在保證礦井安全排水的前提下，系統(tǒng)在平、谷段低電價時排水，在峰段高電價時蓄水。設計原理如圖1所示。在系統(tǒng)運行過程中，規(guī)定水倉內水位不能超過極限水位H5，當設備在“谷段”起泵時，每次排水要求水位下降到停泵水位H1以下，可使水倉在“峰段”時有較大空間容納涌水；而在“峰段”起泵排水時，在保證水位不超過極限水位H5的基礎上，只需要將水位排放至安全水位H4即可，這樣可以減少水泵在“峰段”時期的開泵次數(shù)，進而達到節(jié)能的目的。當水位上升至H5超限水位時，不論電網(wǎng)負荷如何，必須立即啟動水泵。若水位繼續(xù)上升，表明1臺水泵的排水量已不足以排除礦井出水，以礦井的最大排水能力來排除礦井涌水。不論投入幾臺水泵，水位必須下降到停機水位H1后方可停泵。效率優(yōu)先原則：當執(zhí)行多臺泵組多趟排水管聯(lián)合運行時，通過圖2（效率優(yōu)先原則：當執(zhí)行多臺泵組多趟排水管聯(lián)合運行時，通過圖2（η為水泵效率，H為揚程）的比較，選擇最佳匹配水泵與排水管數(shù)量，保證水泵在最佳效率點運行。）的比較，選擇最佳匹配水泵與排水管數(shù)量，保證水泵在最佳效率點運行。48

4.5通信功能

系統(tǒng)設計遵循礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)標準子系統(tǒng)接口規(guī)范，采用TCP/IP、MODBUS、OPC通信技術，提供工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信接口，使該系統(tǒng)可以非常容易地并入礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，與其他子系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享[4]。并且可與其他子系統(tǒng)共用井下光纖環(huán)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸通道，減少子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸線路，從而節(jié)約成本。

4.6遠程運維平臺

多數(shù)工業(yè)泵用戶幾乎沒有系統(tǒng)的科學的維修預報能力。大部分工業(yè)泵用戶處于應急維修、定期大修。設備狀態(tài)監(jiān)測和人工巡檢的混合模式。巡檢是周期性的，不同用戶的周期不同。但是，故障有可能發(fā)生在2次檢查之間。將泵的各種實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、甄別和分析方法、診斷依據(jù)、保護邏輯內置于云服務器中，可替代人工智能實現(xiàn)對泵設備狀況不間斷的實時監(jiān)測，進行傅立葉分析，診斷和維修預警。通過設備遠程運維模塊，只要在有網(wǎng)絡的地方就可以隨時訪問現(xiàn)場設備，實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀況，分析處理系統(tǒng)異常原因，提供遠程技術指導，統(tǒng)計分析水泵運行數(shù)據(jù)，提供水泵壽命預測及專家分析等功能。根據(jù)水泵運行工況，提供泵組“健康”報告。提前評估水泵健康狀態(tài)，提前安排維修工作，盡量減少停機時間和產量損失。

5結語

煤礦井下排水自動化控制系統(tǒng)的運用提升了礦山運行的自動化水平，促進了整個煤礦行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。我們需要有效地利用現(xiàn)有資源，不斷對自動化控制系統(tǒng)進行改進與完善，切實發(fā)揮出自動化控制系統(tǒng)的作用，使煤礦產業(yè)得以安全、高效地運行。

【參考文獻】

【1】喬云芬.煤礦井下排水自動化控制系統(tǒng)設計研究[J].煤炭與化工,2020,43(4):89-91.

【2】劉輝,謝春華.智能化自動化控制技術在煤礦井下主排水系統(tǒng)中的應用分析[J].內蒙古煤炭經濟,2019(17):194.

【3】閆宇翔.煤礦井下排水自動化控制系統(tǒng)的結構和功能特點[J].機械管理開發(fā),2018,33(11):234-235.

【4】陳文勝,潘芳榮.礦山井下排水系統(tǒng)自動化控制設計方案[J].科技經濟導刊,2016(9):50.

作者：林斌 單位：華晉焦煤有限責任公司沙曲一號煤礦