楊曉東

（山西平遙峰巖煤焦集團(tuán)明子煤業(yè)有限公司）

在礦井建設(shè)和生產(chǎn)過程中，江河湖泊、池塘、溝渠中的積水，雨水，雪水等地表水順著裂縫灌至井下，形成水災(zāi)。巖層和煤層中的滲水、采空區(qū)的水隨著開采活動不斷涌出，一旦與地表水匯集，將嚴(yán)重威脅礦井安全。通常一個水泵房安裝3～5臺排水泵，因類型和用途不同，配備的電機(jī)功率從數(shù)千瓦到數(shù)百千萬瓦不等，是煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)中真正的電老虎。排水系統(tǒng)消耗的電能占整個礦井生產(chǎn)耗電的20% 左右［1-5］。

我國人均水資源占有量為世界平均值的1/4，特別是在煤炭的主產(chǎn)區(qū)——陜蒙地區(qū)恰恰是缺水最嚴(yán)重的地方，人民生活用水十分困難［6］。如果將礦井水利用起來，將能緩解礦區(qū)水資源緊缺的現(xiàn)狀。由于部分礦井水為酸性，若不經(jīng)處理直接排放，會對礦區(qū)周圍土壤環(huán)境造成破壞［7-8］。我國90%以上的煤礦為井工礦，存在著“水、火、瓦斯、煤塵、頂板”五大災(zāi)害，瓦斯爆炸和透水是造成后果最嚴(yán)重的礦難事故［9］。雖然從2011 開始我國煤礦水害事故持續(xù)減少，但造成的死亡人數(shù)占比較高。為減少水害事故，礦井排水顯得十分重要，近些年來我國部分礦井開始采用自動化控制，然而其自動化的水平較低，效果不太理想［10-13］。礦井多水平排水系統(tǒng)中各泵房依靠自身排水進(jìn)行控制，傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)自動化控制，效率低下，為此亟需設(shè)計一套排水控制系統(tǒng)。

1 工程概況

王坡井田位于晉城市澤州縣，井田東起萬里中村一帶，西至庵頭攫坡，南起陳莊馬頭山，北至蝗坪車山南側(cè)。經(jīng)計算，礦井正常涌水量為1 250 m3/d（52 m3/h），最大涌水量為3 000 m3/d（125 m3/h），設(shè)計考慮防塵灑水及一定備用系數(shù)，設(shè)計正常涌水量為100 m3/h，最大涌水量按150 m3/h。目前，中央排水泵房安裝3臺山東博泵科技股份有限公司MD280-65×7 型多級離心泵，揚(yáng)程455 m，流量280 m3/h，功率630 kW（6 000 V）。水泵出口閘閥為DN200（6.4 MPa）。設(shè)計在三采區(qū)水倉內(nèi)增設(shè)應(yīng)急排水設(shè)備，沿塔里進(jìn)風(fēng)立井敷設(shè)，潛水泵配套電動機(jī)為850 kW，6 kV。由于煤礦抽水時間不固定，并且泵房安裝時間較早，各排水設(shè)備未及時更新，造成排水設(shè)備維修費用高、排水效率低。主要表現(xiàn)在離心泵底閥易損壞、水泵效率低、水泵密封不嚴(yán)、維修成本高等，在實際使用過程中存在諸多問題都有待解決。

2 排水自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 技術(shù)方案

依托王坡煤礦的排水系統(tǒng)現(xiàn)狀，對多水平排水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。本系統(tǒng)共涉及2個主排水泵房，分別為中央排水泵房和三采區(qū)排水泵房。中央排水泵房安裝3 臺水泵，為山東博泵科技股份有限公司MD280-65×7 型多級離心泵。三采區(qū)水泵房安裝3臺水泵，為新鄉(xiāng)泵廠責(zé)任有限公司MD155-67×3 多級離心泵。采用隔爆型低壓真空磁力啟動器控制。水泵出口閘閥為DN200（6.4 MPa）。

礦井排水系統(tǒng)的自動化控制核心之一是解決水泵的抽真空問題，使排水泵泵體形成負(fù)壓，將水倉的水吸入泵體，再啟動水泵。目前常用的方式是射流抽真空方式，射流抽真空方式為每臺排水泵配置射流裝置，通過射流裝置排除泵體內(nèi)的空氣。本設(shè)計采用射流泵。排水監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)水泵房排水系統(tǒng)現(xiàn)狀及要求設(shè)計，實現(xiàn)排水系統(tǒng)的集中監(jiān)控，完成對水泵及其附屬信息的綜合監(jiān)測和自動控制，并通過上位軟件實現(xiàn)人機(jī)交互。除抽真空改造外，還需將每臺泵的排水閥改為電動閘閥，配合排水泵啟停，并為各水倉安裝液位傳感器、管道流量傳感器等，采集系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)組成

排水監(jiān)控系統(tǒng)由地面集控中心、井下監(jiān)控主機(jī)和水泵房設(shè)備三部分組成。柜內(nèi)安裝西門子本安型觸摸屏，可就地進(jìn)行PLC 柜全/半自動操作。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

通過控制PLC 柜內(nèi)繼電器的通斷來控制水泵的啟動，經(jīng)過處理后通過以太網(wǎng)模塊上傳到井下環(huán)網(wǎng)。在選擇手動控制模式時，主要依靠就地控制柜來控制水泵的啟停。柜面上有按鈕、指示燈，可以顯示關(guān)鍵控制部件的狀態(tài)信息，系統(tǒng)異常、故障時可進(jìn)行聲光報警。為增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，為每臺就地控制柜配備了UPS。通信中斷時，就地控制柜可獨立工作。

2.3 主要設(shè)備及傳感器

如圖2所示，觸摸屏上主要顯示水泵的實時運(yùn)行狀態(tài)，水泵開停狀態(tài)，負(fù)壓，水泵壓力、流量，電機(jī)溫度，配電柜電流、電壓，水倉水位等信息，并具備就地半自動開停水泵的功能。

具體到水泵控制系統(tǒng)，力控的組態(tài)配置界面提供形象的水泵三維立體圖像，通過簡單組態(tài)可以生成非常形象直觀的水泵系統(tǒng)運(yùn)行畫面。同時，數(shù)據(jù)集成方面，WinCC 軟件支持多種工控設(shè)備驅(qū)動，尤其是對本系統(tǒng)采用的西門子S7-300系列PLC 的支持。網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)主要由PLC 通信模塊，環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，光纖收發(fā)器等組成。其主要功能是將井下的傳感器數(shù)據(jù)、視頻信息等上傳到地面，并提供數(shù)據(jù)上傳外接接口，可以與其他綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫集成交換。

王坡煤礦井下排水系統(tǒng)中包含中央水泵房和三采區(qū)泵房2 個水平的水泵控制系統(tǒng)，2 個泵房內(nèi)分別裝有獨立的中央集控柜和就地控制柜，對2個水平間的通信采用了雙冗余設(shè)計。多水平最優(yōu)控制算法加載在上位機(jī)內(nèi)，上位機(jī)進(jìn)行算法求解后將控制命令下發(fā)到各水泵就地控制箱，此外上位機(jī)主要用作系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)視。

3 系統(tǒng)功能

3.1 信號采集

系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，參與水泵系統(tǒng)的啟?？刂?，并將信息反饋給操作調(diào)度人員，給生產(chǎn)調(diào)度提供參考。

3.2 設(shè)備控制

系統(tǒng)具有手動控制、遠(yuǎn)程控制、半自動控制、全自動控制4種模式，可以控制排水泵、電動閘閥、電動球閥、真空泵等設(shè)備聯(lián)動。

手動控制：操作員通過就地操作柜上的按鈕完成每臺設(shè)備的啟停。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)水泵超溫、開關(guān)故障、壓力下降、水位超低等故障時，系統(tǒng)將報警提示操作員根據(jù)情況停止水泵。

遠(yuǎn)程控制：地面監(jiān)控主機(jī)通過井下環(huán)網(wǎng)與井下PLC控制站通訊，實現(xiàn)井上下實時數(shù)據(jù)的交換。

半自動控制：通過本安觸摸屏和地面監(jiān)控主機(jī)可以對單臺泵組進(jìn)行一鍵啟?？刂啤訒r，先保證待開排水泵及對應(yīng)閥門和真空泵或者射流裝置、電動球閥等狀態(tài)就位，然后按下待開泵組的一鍵啟動按紐，PLC控制程序接收到啟動指令，先抽真空，完成啟動流程。停止泵組時，按下待關(guān)泵組的一鍵停止按紐，系統(tǒng)將先關(guān)掉閥門，再停止水泵，恢復(fù)初始狀態(tài)。

全自動控制：在預(yù)先設(shè)定液位、壓力等相關(guān)參數(shù)，并選擇“自動”檔后，PLC 控制系統(tǒng)將自動選定排水管路、抽真空管路和待開水泵數(shù)量，按照所設(shè)定的運(yùn)行程序，自動啟停泵組，實現(xiàn)無人值守。射流泵需根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行選型，除抽真空改造外，還需將每臺泵的排水閥改為電動閘閥，配合排水泵啟停。并安裝水倉液位傳感器、設(shè)備溫度傳感器等，采集排水系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；此外地面監(jiān)控設(shè)備必須有備用設(shè)備，方便緊急情況下進(jìn)行切換。

信號采集：系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，參與水泵系統(tǒng)的啟停控制，并將信息反饋給操作調(diào)度人員，給生產(chǎn)調(diào)度提供參考。

存儲查詢：PLC控制器通過以太網(wǎng)將水泵運(yùn)行工況傳到地面監(jiān)控系統(tǒng)，對流量、水位、壓力、真空度、電機(jī)溫度等重要參量進(jìn)行定期存儲，定期的時間可以通過監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫來設(shè)定。在監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)報表界面，可查詢存儲到歷史數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)調(diào)出來即可打印。亦可查詢歷史曲線趨勢，方便技術(shù)員分析系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

組網(wǎng)：與本安觸摸屏通過MPI 電纜通訊，實現(xiàn)就地顯示控制。監(jiān)控系統(tǒng)具備OPC 數(shù)據(jù)通訊接口，可與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.3 組態(tài)顯示

系統(tǒng)配備就地觸摸屏和遠(yuǎn)程工控機(jī)雙上位機(jī)，具有動態(tài)顯示、報警功能、存儲查詢等功能。組態(tài)畫面見圖3。

如圖4所示，井下配備的觸摸屏與地面監(jiān)控站均可實時顯示主排水系統(tǒng)運(yùn)行的模擬圖、運(yùn)行參數(shù)圖表、故障信息等，以便當(dāng)班人員分析，及時發(fā)現(xiàn)問題，排除故障隱患。PLC 控制器過高速環(huán)網(wǎng)與監(jiān)控主機(jī)實時交換數(shù)據(jù)。

3.4 系統(tǒng)主要特點

系統(tǒng)主要特點包括以下幾個方面：實現(xiàn)單水平自動排水和基于動態(tài)約束條件的多水平協(xié)調(diào)優(yōu)化排水控制，可有效避免大采深礦井多水平排水系統(tǒng)的溢倉現(xiàn)象。實現(xiàn)水泵的均勻耐磨設(shè)計，提高運(yùn)行的安全可靠性。將“避峰就谷”和負(fù)載均衡技術(shù)嵌入到最優(yōu)控制算法中，可實現(xiàn)安全生產(chǎn)的目的。采取有效的抗干擾措施，同時在軟件上增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，防止因干擾引起的誤動作而影響生產(chǎn)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)可通過井下環(huán)網(wǎng)上傳到地面監(jiān)控中心。

4 應(yīng)用效果及效益

相比手動閘閥，使用自動控制的電動閘閥在開關(guān)泵過程中泵負(fù)載更加線性平穩(wěn)，取消底閥，采用真空泵和射流噴射泵注引水后，一方面停泵水錘現(xiàn)象得以緩解，避免因水錘力損壞底閥、逆止閥現(xiàn)象。另一方面避免了因底閥損壞造成的漏水故障。礦井排水實現(xiàn)自動控制后，大大降低工人勞動強(qiáng)度，大大縮短水泵空轉(zhuǎn)做無用功時間。拆除底閥后將增大水泵排水量，提升效率10%以上。

5 結(jié) 論

“智慧礦山”理念提出后，煤礦排水逐步從自動化到智能化的轉(zhuǎn)變。根據(jù)王坡煤礦實際排水需求，設(shè)計了一套排水監(jiān)控系統(tǒng)，將“避峰就谷”和負(fù)載均衡技術(shù)嵌入到最優(yōu)控制算法中，在保證安全的前提下，可實現(xiàn)排水成本的最小化。在安全高效完成排水任務(wù)的基礎(chǔ)上，把系統(tǒng)的用電量盡可能地降到最低。根據(jù)信息互通、集中控制的原則，排水控制系統(tǒng)實現(xiàn)地面監(jiān)測井下環(huán)境參數(shù)、遠(yuǎn)程集中控制水泵房機(jī)電設(shè)備、數(shù)據(jù)視頻聯(lián)合報警等功能。此技術(shù)可被廣泛推廣應(yīng)用到礦井主排水系統(tǒng)中，為礦井排水安全提供可靠保障，為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。