煤礦井下水泵自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

謝兆豐，長孫佳慶

（陜西彬長礦業(yè)集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽 712000）

在煤炭礦井等井下活動中，最重要的施工工程是排出井下涌水，這要求排水系統(tǒng)必須萬無一失、可靠和安全，能順利、完全地將地下水排出地面[1]。水泵控制系統(tǒng)作為井下排水系統(tǒng)不可或缺的系統(tǒng)，關(guān)系到后面對煤礦井的開采，其技術(shù)亟需提高，以提高總體礦井的開采速率和效率[2]。而老式傳統(tǒng)井下水泵仍然以人工為主，使用的控制系統(tǒng)復(fù)雜紛繁、功能損耗大，不僅僅不能有效提高效率，而且提高了開采的成本，不利于礦井科技的發(fā)展。因此，井下水泵系統(tǒng)亟需向自動化、去人工化靠攏發(fā)展。

1.煤礦井下排水系統(tǒng)概述

煤炭井下排水系統(tǒng)作為煤礦的六大系統(tǒng)之一，為煤礦開采打下了重要基礎(chǔ)，同時也是井下系統(tǒng)運(yùn)行過程中的“保衛(wèi)兵”。研究表明，井下液體主要成分包括地表水和地下水，包括了降雨積水、水庫積水、礦井積水、江河水和地下層水等水分。如果在排水過程中導(dǎo)致地層水進(jìn)入礦井或者礦井內(nèi)積水，很有可能拖慢開采進(jìn)度，嚴(yán)重將影響井下工作人員的生命健康，帶來不必要的危險和傷害。故而，排水系統(tǒng)是保障礦井安全運(yùn)作的一個大系統(tǒng)，舉足輕重。

國外礦井排水系統(tǒng)非常成熟且早期進(jìn)步飛快，對現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)的使用方式也非常成熟，國際上普遍認(rèn)可并利用。1990年代中期，排水系統(tǒng)開啟方式由俄羅斯專家通過一臺功率為2千瓦到3.5千瓦的電機(jī)所實(shí)現(xiàn)，并由此發(fā)現(xiàn)了雙電機(jī)的優(yōu)勢，同時也巧妙處理了高揚(yáng)程雙電機(jī)的問題，并處理了現(xiàn)場會產(chǎn)生的實(shí)際問題，大大提升了礦井排水系統(tǒng)的發(fā)展程度。

在富礦國家，自動化智能技術(shù)也得到了充足的發(fā)展，煤炭生產(chǎn)也實(shí)現(xiàn)了去人工化。利用網(wǎng)路信息實(shí)時監(jiān)控相應(yīng)操作，并實(shí)時檢修儀器設(shè)備。盡管有些國家的對于開發(fā)煤炭礦井排水系統(tǒng)并沒有花大量的精力，但是在總體上煤炭礦井技術(shù)還是大部分實(shí)現(xiàn)了自動化。

隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，中國也開始重視煤礦排水系統(tǒng)方面的發(fā)展，投入了較大的資金和精力在排水系統(tǒng)的研發(fā)中。人工方式的排水和自動化排水使用的都是離心機(jī)，但是人工排水只能以來與技術(shù)人員的個人經(jīng)驗(yàn)和及時發(fā)現(xiàn)，來啟動和停止水泵。人工操作的具體步驟是，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)水倉水位較高，及時將排水系統(tǒng)中的閘閥關(guān)閉，然后開啟射流泵，通過射流泵對管道進(jìn)行真空處理，在同時觀察壓力表和氣壓表，符合一定的壓力后開啟水泵。在這個過程中要求技術(shù)人員及時處理、對突發(fā)情況要鎮(zhèn)靜處理，但是這樣對技術(shù)人員要求過高且更容易發(fā)生事故，自動化系統(tǒng)的引進(jìn)不僅能夠解放人工，更能夠保障礦井的安全，節(jié)省時間。目前，中國在煤炭排水系統(tǒng)中取得了長足的進(jìn)步，自動化程度在排水系統(tǒng)的操縱和優(yōu)化排水以及管道修復(fù)和安置中得到了較大的提高，另外，在操縱給排水系統(tǒng)中運(yùn)用了先進(jìn)的算法和模糊控制，使得排水系統(tǒng)更加易于操控，并且提高了系統(tǒng)對工作的精度和反饋迅速程度。

2.自動化控制系統(tǒng)原理與組成

煤礦井下水泵控制系統(tǒng)不僅需要人工控制，更需要時時刻刻有自動監(jiān)測等的功能。在整一個自動化控制系統(tǒng)內(nèi)，最重要的是PLC控制器。它能夠?qū)γ旱V井下所有數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控管理，并自動分析然后依據(jù)結(jié)果對水泵運(yùn)行發(fā)布命令。該可編程邏輯控制器不僅僅能夠發(fā)出與控制臺相同的指令，也能對其他有關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制，并通過以太網(wǎng)把具體數(shù)據(jù)與狀況反饋到監(jiān)控中心，與監(jiān)控中心鏈接。

地面控制中心：設(shè)置在調(diào)控中心內(nèi)部的地面控制中心是自動化排水系統(tǒng)的核心，它選擇工控機(jī)作為操控臺，不僅僅接收數(shù)據(jù)并對礦井下有關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，而且負(fù)責(zé)向控制器中傳輸相關(guān)的數(shù)據(jù)和具體狀態(tài)。

通過以太網(wǎng)，地面控制中心能實(shí)現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)控制中心或監(jiān)測分站實(shí)現(xiàn)控制與鏈接。在中國一些礦井中的以太網(wǎng)絡(luò)中心高效且快速，已到達(dá)千兆以上，完美適應(yīng)了數(shù)字化礦山的開拓概念。

水倉監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)：按照類型劃分，我國煤礦井排水水倉類型可以劃分為小型水倉和中轉(zhuǎn)水倉。小型水倉與中轉(zhuǎn)水倉連接，當(dāng)小型水倉的積水達(dá)到閾值之后，小型水倉中的積水將會通過水泵排到中轉(zhuǎn)水倉之中，當(dāng)中轉(zhuǎn)水倉的積水達(dá)到閾值之后，又將通過水泵把中轉(zhuǎn)水倉中的水抽向主水倉。

3.煤礦井下水泵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

井下水泵控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括的設(shè)備有：離心泵、射匱泵、閘閥、止回閥、管道和壓力表等，本部分將主要介紹上面所說的設(shè)備。

離心式水泵：我國礦井離心式水泵運(yùn)用較為普遍，主要工作原理是水泵葉片在電動機(jī)的帶動之下高速旋轉(zhuǎn)，并將礦井下的水通過排水管排出來。開動電機(jī)之后由于葉片開始做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，高速運(yùn)動將井下液體離心帶出甭提，并在最后出水口導(dǎo)出。

閘閥：位于止回閥的下方，閘閥是排水的重要設(shè)備，閘閥的主要作用為：計(jì)算并監(jiān)測、控制通過離心泵排出的水的有關(guān)數(shù)值；在開啟離心泵是，保證閘閥處于關(guān)閉狀態(tài)。閘閥的優(yōu)點(diǎn)是，在安裝過程中無需判斷方向問題，也不存在安裝反向的問題，非常簡單盛世，還可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)相關(guān)量度。但是，閘閥存在的缺點(diǎn)是，由于體積較大，閘閥內(nèi)部存在的問題難以解決，需要的維修成本較高。

止回閥：止回閥的作用在于它能夠有效防止水泵被破壞。在水流下落過程中，通常會由于水流速度過快，對水泵和管道產(chǎn)生很大的沖擊力，這對水泵和管道有一定的壓力，若出現(xiàn)水泵在流水過程中突然停轉(zhuǎn)，止回閥能夠迅速感應(yīng)到并關(guān)閉閘閥，防止管道中的水流形成高壓，對水泵造成二次破壞。

壓力表與真空表：壓力表顧名思義是監(jiān)測排水管道中的水壓，并反饋到控制中心。安裝在水泵和吸水管上為真空表，監(jiān)測排水系統(tǒng)的真空度。

射流泵和真空泵：排水系統(tǒng)進(jìn)行排水時，應(yīng)當(dāng)把泵腔和吸水管中灌滿水才能開始離心，保證水流能夠正常啟動，其工作原理是利用管道、泵腔和外界的壓強(qiáng)差將水從井下抽出。若沒有灌滿水，則管道和泵腔都存在空氣，吸水管中水壓大，井下的水不會被壓入管道內(nèi)部，水泵運(yùn)行將會出現(xiàn)水流不足的現(xiàn)象，該過程產(chǎn)生的熱能不能被利用，直接影響了水泵的正常使用，并且縮短了水泵的壽命。射流泵的作用在于帶動水流流入吸水管和泵腔內(nèi)部，利用射流泵帶動泵內(nèi)的空氣流動形成虹吸。

4.自動化系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方案

4.1 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方案

排水系統(tǒng)監(jiān)控自動化系統(tǒng)：排水監(jiān)控自動化系統(tǒng)的運(yùn)行借助于以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。半自動化控制、就地控制與全自動控制三種控制方式都運(yùn)用到PLC控制系統(tǒng)。第一種半自動控制系統(tǒng)，是在系統(tǒng)運(yùn)作的時候采取半自動調(diào)控和半自動觸屏對系統(tǒng)進(jìn)行有效操控，第二種是就地控制，這種方法能夠?qū)ε潘到y(tǒng)進(jìn)行全面的保護(hù)，并有可能將排水系統(tǒng)的危險程度降到最低。第三種是全自動控制系統(tǒng)，這種方式全面以來PLC技術(shù)，對井下系統(tǒng)進(jìn)行全面的保護(hù)和控制，不耗費(fèi)人工，降低了礦井的人工成本。

中央泵房設(shè)計(jì)：中央泵房是井下控水系統(tǒng)的最核心部分，它的存在為井下排水系統(tǒng)提供了充足的動力，同時，中央泵房能否正常、安全地運(yùn)行，關(guān)系到整個礦井的運(yùn)行，是整個礦井工作的重大基礎(chǔ)。我國礦井多數(shù)選擇單臺水泵設(shè)計(jì)的中央泵房，選擇單臺水泵是避免在前期安裝的過程中，出現(xiàn)了多臺水泵不匹配、不協(xié)調(diào)的情況，運(yùn)作起來將會出現(xiàn)非常多的疏忽，另外我國在中央泵房的附近也要求安裝壓力表等壓力測試設(shè)備以監(jiān)測壓力大小，并根據(jù)壓力大小調(diào)整中央泵房的壓力。

4.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框架如上文設(shè)計(jì)完后，應(yīng)當(dāng)確定系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，本文列出了其中不同的煤礦井下排水自動化系統(tǒng)的主要功能。

多種運(yùn)行模式切換：由于水泵可能出現(xiàn)不同的狀況，所以要應(yīng)對不同的狀況設(shè)計(jì)不同的運(yùn)行模式，本系統(tǒng)設(shè)置了三種不同的運(yùn)行模式，這三種運(yùn)行模式不交叉，在出現(xiàn)狀況是能夠互相切換，幫助水泵調(diào)節(jié)不同的壓力。同時，為了系統(tǒng)的檢修，本方案將設(shè)置現(xiàn)場控制模式優(yōu)先于自動控制模式。

可視化控制：從地面控制中心能夠?qū)崟r監(jiān)測中央泵房的各項(xiàng)情況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控。

水泵啟停自動化模式：水泵啟停自動化有利于水泵在緊急情況下自行啟停。

系統(tǒng)保護(hù)模式：有利于出現(xiàn)緊急情況后對系統(tǒng)起保護(hù)作用。

排水系統(tǒng)自動運(yùn)行模式：通過智能調(diào)度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自行運(yùn)作，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，加快進(jìn)程。

水泵自動輪換模式：通過系統(tǒng)對每個水泵的參數(shù)設(shè)定，決定水泵運(yùn)作時間，平衡每個水泵運(yùn)作時間，延長整個系統(tǒng)壽命，減少出錯。

數(shù)據(jù)自動采集模式：自動儲存數(shù)據(jù)，有利于對以后水泵參數(shù)的調(diào)節(jié)，也有利于研究收集數(shù)據(jù)。

4.3 排水系統(tǒng)自動化設(shè)計(jì)

井下排水系統(tǒng)自動化軟件設(shè)計(jì)：

軟件設(shè)計(jì)操作方式：由于煤礦是全自動化設(shè)計(jì)，故對軟件設(shè)計(jì)要求較高，需要萬無一失的設(shè)計(jì)。本文采用的設(shè)計(jì)方案是PLC系統(tǒng)，OLC設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)符合井下排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并結(jié)合煤礦井下的情況，具體問題具體分析，要求在操作時候能夠根據(jù)具體情況作出不同的回應(yīng)。應(yīng)當(dāng)注意的是，在設(shè)計(jì)該軟件系統(tǒng)時候，只有水泵處于停運(yùn)的狀態(tài)，即水泵無法工作狀態(tài)，才能更換其他操作方式，若在水泵沒有停運(yùn)的時候便更換其他操作方式，該系統(tǒng)應(yīng)該及時提醒警示工作人員操作方式的變換，再進(jìn)行下一步的操作，防止對水泵造成更大的傷害。

井下排水自動化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：

煤礦井下排水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)沒有軟件設(shè)計(jì)那么復(fù)雜，首先對PLC進(jìn)行選型應(yīng)用，應(yīng)該根據(jù)井下情況對PLC類型進(jìn)行選用。其次，要確保傳感器分配設(shè)計(jì)有效，傳感器對井下自動排水具有較大的影響，好的傳感器能提高排水系統(tǒng)的效率。

5.結(jié)語

煤礦企業(yè)應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇PLC技術(shù)和自動化控制理念，最大程度提高排水系統(tǒng)效率并保證煤礦生產(chǎn)的安全。