興隆莊煤礦中央泵房自動控制系統的設計與實現

駱秀生

（兗礦集團 興隆莊煤礦，山東 兗州272102）

井下中央泵房承擔著礦井的主要排水任務，對煤礦的安全生產起著舉足輕重的作用。 對該中央泵房各排水泵實行全方位自動監控，及時掌握其礦井涌水情況，具有非常現實的意義，自動排水系統的研究，在礦業企業中已成為一個重要的研究課題。

1 現狀和存在問題

1.1 現狀

興隆莊煤礦中央泵房設在副井井底車房，與中央變電所同一硐室相互隔離。礦井中央泵房包括外環、內環主副兩個水倉、主排水大泵房和排水管路組成。 中央泵房擔負井下排水任務。 標高－349.4m， 容積4227.43m3。 管道傾角27°，全長25m，寬3.5m，高3.1m，內分布三路排水管路，管子道中間開有一電纜通道，下井四個回路的電纜經副井和電纜通道進入中央變電所。 泵房內原設計安裝了5 臺沈陽產250D×60×8 型多級分段式離心泵，進水口直徑250mm，每級揚程60m，共8級進水段，總揚程480m，流量420m3/h，每臺水泵自重3t。

1.2 存在問題

興隆莊煤礦中央泵房仍然使用傳統的人工操作排水系統，這種排水系統由于自動化程度低，應急能力差，還做不到根據水位或其它參數自動開停水泵，這將嚴重影響井下主排水泵房的管理水平和經濟效益的提高，存在很大的安全隱患。

2 系統的設計與實現

從兗礦集團興隆莊煤礦自動化生產實際出發，針對現有排水系統存在的弊病，結合現代工業技術和控制理論，開發適于煤礦井下使用的自動排水系統利用工業專用測控保護器和液位檢測裝置，組成自動監控系統，根據水倉水位變化情況，實現自動排水。

2.1 系統設計原則

1）系統滿足“煤礦安全法規”、“煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范”，和其它有關規定，設計的安全性、穩定性和可靠性為基本原則；

2）通過總線和以太網控制，地面監控和網絡連接到Internet；

3）所選設備的系統工作安全可靠、實用、充分考慮技術進步；

4）系統穩定可靠、操作靈活、維修方便的設計標準。

2.2 系統組成與工作原理

2.2.1 系統組成

本控制系統以PLC 作為控制核心，觸摸屏和上位機為顯示和主要操作設備，通過PLC 檢測水泵設備和傳感器的信號，控制水泵、真空泵等設備和電動閥門、電磁閥等執行器。 系統主要包括：遠程主站（上位機）、集中控制臺、傳感器和執行器等四部分。 系統示意圖如下圖1。

2.2.2 系統工作原理

數據自動采集主要由PLC 實現，PLC 模擬量輸入模塊通過傳感器連續檢測水倉水位，將水位變化信號進行轉換處理，計算出單位時間內不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，控制排水泵的啟停。電機電流、水泵軸溫、電機軸溫和定子溫度、排水管流量，等傳感器與變送器，主要用與監測水泵、電機的運行情況，超限報警，以避免水泵和電機損壞。PLC 的數字量輸入模塊將各種開關量信號采集到PLC 中作為邏輯處理的條件和依據，控制排水泵的啟停。

圖1 系統結構圖

2.2.3 系統的實現

系統具有手動、集控、遠控三種操作方式，其中集控和遠控方式還分別分為集控手動、集控自動和遠控手動、遠控自動兩種方式，因此也可以將操作方式分為手動（即純手動，就地操作）、集控手動、遠控手動、自動四種。

1）手動：既保持現有的操作方式，整個系統完全脫離控制器，手動單臺就地操作各個設備，作為檢修或控制系統出故障時應急的操作方式。

2）集控手動：該操作方式需要由操作人員根據水倉的水位確定需要開啟水泵的臺數，然后人工在PLC 控制柜上啟停水泵，當需要開啟（關閉）某臺水泵時，只需按下PLC 控制柜上的啟動（關閉）按鈕，系統將自動完成抽真空、開關閥門、運行參數判斷、報警、停機等步驟，實現單臺水泵的一鍵開啟（關閉）。

3）遠控手動：既地面控制室遠程啟停設備并監視設備的運行狀態及各個運行參數變化趨勢。 在遠程啟停某臺設備時，其操作步驟和集控手動類似，操作人員只需按下監控軟件上的開啟（關閉）按鈕即可。

4）自動方式：即根據液位高低、上水與否和峰谷電價時段等因素自動啟停水泵，閥門與水泵之間聯鎖起停，并實時檢測各個設備的狀態，發生故障自動停機并報警。 此方式下可實現無人值守。

3 結論

煤礦礦井排水是煤礦安全生產的重要組成部分，地下排水系統好壞嚴重威脅礦井安全生產。本系統進行了分析，提出了本課題，本文完成了井下水泵房集中控制系統設計研究。 主要包括以下幾個方面：

1）改變落后的井下排水系統，集中控制系統的概念的映入，提高了工作效率和可靠性。

2）系統配備以太網，將上傳操作狀態中央水泵房和水泵機組參數信息到地上控制室通過工業以太網， 通過礦井地面控制室的局域網（LAN），然后向有關部門發布信息，授權管理人員能掌握地下排水系統的測試數據和遠程啟停裝置。

3）傳統排水泵組和輔助設備磨損快，提出了“新的自動旋轉設計”。排水系統的能量消耗太大，我們提出了“避峰填谷”的新設計思想。

4）通過人機交互界面，工作狀態數據、文本、圖像直觀的反應系統，實時反映系統和相應的參數。