井下主排水系統遠程自動控制技術的應用

甘松柏

1 未實現遠程自動控制前的主排水系統

在礦井生產過程中，由于自然和人為因素，造成礦井低洼處有積水，如果不及時排水，會給井下的安全生產帶來威脅，因此，井下都會施工主排水泵房。通過在低洼處設置水泵或風泵，將積水排至主排水泵房，再由主排水泵房將水排至地面污水廠。

目前，大多數礦井采取的排水方式為在主排水泵房安裝多級泵、電氣設備、閥門、管路及其附屬裝置，排水時人工操作電氣設備、閥門來啟動泵，實現排水。此種方式，需要投入的人力比較多，且對排水系統的各種參數不清楚，很難掌握礦井涌水情況及特發情況對礦井造成的水害威脅。

西山煤電集團公司東曲礦屬大型礦井，有兩個生產水平，+973水平，+860水平。+860水平正常涌水量為70 m3/h，最大涌水量70 m3/h以上。由于涌水量大，排水垂高大，礦井排水采取分段式集中排水方式，由該水平在低洼處設置排水泵，將各積水點污水排放至大巷排水，最后流入+860水平主水倉。水倉設置主、副水倉2個，主水倉容積2 400 m3，副水倉容積為1 600 m3。

2 井下主排水系統遠程自動控制技術的研究

為了在+860水平主排水泵房實現遠程自動控制，首先要考慮的是水泵的控制方式，以往泵房安裝的是多級泵，需要人工開啟閥門排氣、灌水、啟泵，是實現自動控制的一個難題，解決此難題有兩個辦法，一是安裝一套自動灌水裝置，另一個是選用潛水泵，將水泵安裝在水里，啟泵時不需要灌水。還有一個難題是閥門的自動控制，這就需要為閥門安裝動力裝置。結合東曲礦的實際情況，經反復論證，+860水平主水倉確定采用潛水泵排水，管路上安裝電動閥門實現自動控制。

在電氣控制方面，經過優化，選擇采用PLC技術來實現水泵的開停及閥門的自動開閉，通過在現場安裝各種智能儀表，采集信號給PLC，通過對信號的分析和判斷，對排水系統實施保護，保證水泵正常運行。為了實現遠程控制，在主水倉安裝微機控制臺，將現場的管路流量、壓力，水倉水位等信號通過光纖網絡傳輸給地面機房實現遠程控制。

3 設備選型及遠程控制系統功能

在+860水平主排水泵房內，根據礦井的涌水量計算，選型安裝3臺BQS型主排水泵，配套電動機450 kW(揚程250 m，流量350 m3/h)，2趟排水管路，每趟管路長約為1 900 m。在主排水泵房內安裝控制臺，利用西門子PLC控制，通過數據模塊采集運行參數，自動檢測，動態顯示，并將數據傳送到地面微機房，進行實時監測及報警顯示。為了實現自動化，在2趟主排水管路上安裝了7個電動閥門;3個壓力傳感器，采用川儀西門子PDS系列隔爆型壓力變送器;2個流量傳感器，采用唐山匯中LCZ系列隔爆型超聲波流量計;2個液位傳感器，采用西門子PDS系列隔爆型導壓式壓力變送器。

在現場安裝4個操作箱，3個操作箱分別置于1#～3#泵附近，在手動和檢修狀態時，可啟動/停止/打開/關閉所對應的泵和電動閥。自動狀態下，除“停止”按鈕外其它按鈕無效，按動“停止”按鈕后，對應水泵停止運行，系統將根據工藝要求自動換泵。第4個現場操作箱用于選擇水泵的檢修狀態，當該水泵被置于檢修時，井下控制臺與地面微機房均無法操作該水泵及對應的電動閥門，只有1#～3#現場操作箱可以控制。

水泵的工作方式：常規一開兩備，特例時可實現2臺或3臺全部工作;系統根據工藝和設備狀態可自動選擇，并開閉相應電動閥，實現無人值守;有就地控制、本安集控、網絡集控、自動控制4種控制方式。每一種控制方式都分為手動控制和自動控制，在手動控制時，可單獨啟動/停止任何一臺水泵及打開/關閉任何一臺電液閥門，不受水池水位、壓力信號等控制(仍然受到檢修開關及電機保護的控制)。具體又可以分為現場單機手動控制、地面上位機、網絡單機手動控制2種方式;自動控制時，可根據采集回的工藝數據，在避峰用電時間段內，自動控制運行水泵的選擇、啟動/停止，電液閥門的打開/關閉，故障時的自動保護/切換，根據水池水位值及高/低水位設定值自動啟動/停止水泵等自動化控制功能，水泵的運行采用輪流制。在警戒水位狀態下，不論是否在避峰用電時間段內，系統立即緊急啟動。自動控制時，又分為井下控制臺自動控制/地面微機房網絡自動控制。地面遠程控制操作采用密碼授權方式。

水泵具有避峰用電功能(但警戒水位優先)，即在礦井用電高峰時，水泵不能啟泵。具備警戒水位緊急啟動(2臺或3臺同時運行)，高水位自動啟泵、低水位自動停泵功能(警戒/高/低水位值可自行設定，地面與井下均可設置);手動設置檢修泵位號時，自動狀態對檢修泵控制無效，該泵只可手動運行;具備流量、壓力、水位、故障、運行狀態、軟啟動器及綜合保護器數據的實時監控，同時將數據傳送至地面微機房，實現數據監控和記錄;主排水泵房控制臺，用于系統控制和運行數據顯示，與地面微機房組網，將數據傳送至地面微機房。并具備工藝數據上傳瀏覽功能，數據接口采用標準TCP/TP協議。控制臺與水泵選擇箱安裝在主排水泵房內。在主排水泵房控制臺和地面微機房工控機上顯示每臺泵的工作狀態，包括投入狀態、運行狀態、運行電流、水倉水位、高/低水位設置狀態、閥門狀態、出口壓力、瞬間流量、累計流量等。在地面微機房上位機可對多種數據進行記錄，方便以后進行查詢。

4 系統原理圖

系統原理示意圖見圖1。

圖1 系統原理示意圖

系統原理圖說明：現場各種壓力傳感器，流量傳感器，水位傳感器等采集的信號自動上傳給主排水泵房控制臺，控制臺根據采集的信號經過計算，實現信息滾動顯示，進行各種功能報警、保護。也能夠制臺上實現對管路的選擇，對水泵的進行開啟;水泵的控制也可以通過現場控制箱進行操作。控制臺也能將水泵運行的各種參數通過光纖上傳到地面微機房。

5 經濟效益及推廣前景

主排水泵房采用了遠程自動控制系統后，由以前一個泵房需要5個職工，減少到現在的3個職工，勞動強度大大降低，實現了減人提效，經濟效益顯著。

又因為采集的信號直觀，便于巡視和管理，通過對各種參數的分析，可以對井下的水文情況實時了解，實現了礦井信息化管理。同時具有水位的自動監察及緊急啟動功能，對礦井安全和不明來源的涌水有了保障性的措施，可避免重大的水患事故。另外，避峰功能減少了大功率設備對電網的沖擊，大大提高了礦井的安全供電。

實踐證明，該項技術的引用，技術含量高，自動化程度高，數據全，信息反饋及時，有力地促進了礦井的安全管理，節能減排，推廣前景可觀。

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［3］ 程居山，王昌田，李新平，等.礦山機械［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2002：123－125.