煤礦水泵集控自動化系統(tǒng)的設計與應用

摘要：為解決傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場手動操作排水系統(tǒng)在礦井排水中排水能力小、自動化程度低、操作過程繁瑣、應急能力差等問題，設計并應用煤礦水泵集控自動化系統(tǒng)，通過連續(xù)監(jiān)測水倉水位及排水泵房各種設備相關(guān)參數(shù)、實時數(shù)據(jù)，對水泵實行數(shù)字化監(jiān)控，并結(jié)合利用構(gòu)建成的PLC自動管控平臺，通過工業(yè)以太網(wǎng)平臺傳輸接口模塊與設置在井下變電所的網(wǎng)絡交換機連接，通過井上調(diào)度中心監(jiān)控所有排水泵等被控設備，實現(xiàn)對排水泵房電氣設備的遠程監(jiān)測監(jiān)控、聯(lián)動控制，提升了井下排水泵房整體的運行水準，縮減平日運行故障[4]，提高了水泵自動化程度、簡便了排水泵房操作過程、減少排水泵房崗位人員值守，同時也提高了礦井排水系統(tǒng)應急能力、工作效率和安全性，達到了自動化集控、無人值守、減人提效、降本節(jié)能的預期目標，是煤礦水泵集控自動化系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。

關(guān)鍵詞：煤礦；水泵集控；自動化系統(tǒng)；遠程監(jiān)控；無人值守；減人提效；節(jié)能。

一、引言

在煤礦生產(chǎn)過程中，排水系統(tǒng)是整個礦井生產(chǎn)流程的重要組成部分，特別是在中國著名的突水礦區(qū)焦作礦區(qū)中顯得尤為重要，排水系統(tǒng)不但要及時排出煤炭生產(chǎn)過程中的積水，而且還要在涌水期間有良好的礦井水排出能力；然而目前中國大多數(shù)煤礦泵房排水都還是停留在泵房現(xiàn)場人員值守操作的排水系統(tǒng)層面，泵房排水系統(tǒng)仍然存在著系統(tǒng)操作繁瑣、管理難度大、自動化程度比較低、應急能力較差等問題，所以對煤礦水泵集控自動化系統(tǒng)的設計與應用就顯得尤為重要，對提高煤礦安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益。

焦作煤業(yè)集團趙固（新鄉(xiāng)）能源有限責任公司積極響應“機械化換人、自動化減人”號召，率先探索設計與應用煤礦水泵集控自動化系統(tǒng)，代替人工現(xiàn)場值守，實現(xiàn)井下排水泵房等場所的無人值守，成功實現(xiàn)減少原有值守系統(tǒng)工作人員數(shù)量60%以上。其中以焦作煤業(yè)集團趙固（新鄉(xiāng)）能源有限責任公司井下中央泵房為例，中央排水泵房共安裝有13臺水泵，配套電機功率均為1400kW，供電電壓選用10kV電壓等級，水倉由2個6米深（內(nèi)、外）水倉構(gòu)成，水倉總?cè)莘e5600m?，向井上排水由4趟φ425mm管路組成，排水流量4000m3/h。采用“PLC主站+集控操作臺+操作按鈕箱”模式架構(gòu)，實現(xiàn)遠程及就地自動、半自動、手動三種控制模式，三種控制模式可以自由切換。實現(xiàn)了“視頻、語音、控制”三網(wǎng)合一的水泵集控自動化系統(tǒng)[1]，為煤礦生產(chǎn)的安全、高效、節(jié)能生產(chǎn)奠定了堅實有力的基礎[19]，達到了優(yōu)化排水系統(tǒng)、遠程控制、無人值守[9]、降本節(jié)能的預期目標。

二、水泵集控自動化系統(tǒng)的組成

（一）水泵集控自動化系統(tǒng)主要組成部分

系統(tǒng)主要由PLC主站、礦用操作臺、礦用控制箱、礦用視頻巡檢、礦用語音設備、礦用閥門、礦用傳感器等組成。

（二）水泵集控自動化系統(tǒng)的監(jiān)測、監(jiān)控

1.開關(guān)量輸入：水泵運行、故障；電動閘閥開到位、關(guān)到位、過力矩、遠控；電動球閥開到位、關(guān)到位；礦用操作臺的遠程、就地、自動、手動、啟動、停止、急停、復位等。

2.開關(guān)量輸出：水泵啟動、停止；電動閘閥開、關(guān)；電動球閥開、關(guān)等。

3.模擬量輸入：壓力、真空度、液位、流量；水泵軸承溫度；電機軸承溫度、繞組溫度、電壓、電流；電動閘閥的開度。

4.視頻巡檢：限位信號、具體位置信號、視頻信號，前進、后退、自動定位等，為設備啟停提供依據(jù)[6]。

5.語音聯(lián)動：語音通話；語音預警；故障報警等。

（三）水泵集控自動化系統(tǒng)實現(xiàn)功能

1.完善原有系統(tǒng)在線監(jiān)測并實時顯示水倉水位、水泵流量、真空度、電機電電壓、電動球閥和電動閘閥的狀態(tài)、電機和水泵的各部件溫度等 ，實時在線檢測水倉水位，當水位達到上限時能夠報警，自動開啟水泵；當水位達到下限時，發(fā)出信號，自動停泵（在原有系統(tǒng)基礎上實現(xiàn)）。

2.系統(tǒng)具有自動，半自動和手動三種工作模式，并能在三種模式之間進行切換，這種切換不會影響已經(jīng)運行的水泵，以達到真正的無縫銜接。

3.排水自動化系統(tǒng)具有完善的故障報警和保護功能，當系統(tǒng)監(jiān)測到故障狀態(tài)時給出聲光報警，并在屏幕上顯示故障報警界面，等待操作人員處置；若在一定時間內(nèi)操作人員未給出應答，則系統(tǒng)自動進入開停水泵程序 。

4.系統(tǒng)具有歷史記錄功能，記錄每臺水泵的運行時間，啟動次數(shù)。在各泵性能均衡的條件下，各泵采用輪換工作制。在各泵效率有差異時，系統(tǒng)優(yōu)先啟動效率高的水泵；另外，系統(tǒng)還定期啟動效率低的備用泵，以防其長期閑置而損壞。

5.系統(tǒng)保留原手動控制，即當PLC控制系統(tǒng)故障時，可恢復原來的人工控制系統(tǒng)。

6.系統(tǒng)具有備用電源，當電網(wǎng)停電后，系統(tǒng)可繼續(xù)工作2小時以上。

三、水泵集控自動化系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

（一）種控制及節(jié)能高效工作模式

采用“PLC主站+集控操作臺+操作按鈕箱”模式架構(gòu)，實現(xiàn)遠程及就地自動、半自動、手動三種控制模式，三種控制模式可以自由切換。PLC接入方式為采用PLC、單片機等控制的子系統(tǒng)（水泵集控自動化系統(tǒng)），管控服務器通過以太環(huán)網(wǎng)與PLC的以太網(wǎng)接口相連，且PLC的OPC Server安裝在管控服務器中與自動化平臺中的管控服務器進行信息交互。

根據(jù)水倉水位及“避峰就谷”的用電管控措施[2]，自動確定啟動水泵臺數(shù)及排水時間，根據(jù)實時水倉水位實現(xiàn)自動[2]開、停止水泵，對泵組實時狀態(tài)參數(shù)進行采集，并將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控主機，進行實時監(jiān)測、控制及報警顯示，以達到優(yōu)化控制，降低生產(chǎn)成本。另外為了使每臺水泵均勻磨損，降低故障風險，系統(tǒng)采用“輪循制”來工作。以每臺機組的累積時間為依據(jù)，自動選擇投入運行的水泵，使每臺水泵使用的時間保持均衡，保證設備磨損的平衡，降低故障率。

（二）視頻移動巡檢

系統(tǒng)可以配套“水泵房視頻巡檢裝置”，實現(xiàn)對每臺水泵的視頻自動巡檢，可以人工定位巡檢裝置進行定點觀察，也可以進行自動往返巡檢。系統(tǒng)啟動水泵時，巡檢裝置可以自動移動到相應的水泵，進行視頻監(jiān)控。水泵出現(xiàn)故障時，可以自動定位到故障水泵，便于進行故障診斷。

（三）高效數(shù)據(jù)分析

煤礦井下排水系統(tǒng)耗電量大，運行成本高，系統(tǒng)通過對單臺水泵數(shù)據(jù)的查詢與分析，對設備運行狀態(tài)進行輔助評價，做出適時維護決策，實現(xiàn)設備的超前檢修，以焦作煤業(yè)集團趙固（新鄉(xiāng)）能源有限責任公司為例，井下主排水泵房三個，水泵集控自動化系統(tǒng)建設前后崗位人員需要情況對比表如下：

四、水泵集控自動化系統(tǒng)的優(yōu)點

（一）開啟水泵的程序優(yōu)化，在水泵啟動完成后再打開出水口閘閥，可使水泵電機啟動電流小、啟動時間短[7]、設備啟動運行穩(wěn)定。

（二）泵房所有水泵機組地位平等，可以隨時就地檢修，系統(tǒng)運行時間能夠自檢，如果出現(xiàn)故障可以立刻投入其他機組運行，不影響井下排水[8]。

（三）可實現(xiàn)水泵均勻運行磨損：每臺水泵正常啟動以后記錄其運行時間，然后進行累計，在住循環(huán)中計算出開泵時間累計最短并且處于正常狀態(tài)和自動方式的泵等待下一次啟動[8]。

（四）根據(jù)水泵電機的運行參數(shù)，了解水泵的運行效率，為水泵的維護保養(yǎng)提供科學依據(jù)，延長水泵設備的使用壽命，減少發(fā)生事故的停機時間，提高水泵的運行效率[10]。

五、結(jié)束語

水泵集控自動化系統(tǒng)成功實現(xiàn)遠程操控“水泵房視頻巡檢裝置”監(jiān)控水泵狀態(tài)，并實現(xiàn)“井下無人值守”，從根本上解決了生產(chǎn)效率低下、人員不足等問題，完善了原有系統(tǒng)設備的檢測缺陷，實現(xiàn)遠程控制及時判斷設備運行狀態(tài)，實現(xiàn)在線狀態(tài)檢測，有效的做到了設備預維修。

實現(xiàn)“無人值守”、“避峰就谷”，有效降低了系統(tǒng)的運行成本，提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性，同時也起到了節(jié)能降耗的作用；實現(xiàn)了設備集中監(jiān)控[3]，減少了現(xiàn)場的操作人員，提高了系統(tǒng)的運行效率，切實的為礦山企業(yè)等帶來了經(jīng)濟效益，為“數(shù)字化”、“智能化”礦山的建設奠定了堅定的基礎。

參考文獻：

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[10]高君.淺談煤礦泵房自動化控制系統(tǒng)[J].黑龍江科技信息，2017，13：94-95

作者簡介：陳鵬飛（1989-），男，河南扶溝人，助理工程師，2014年7月畢業(yè)于河南理工大學電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事煤礦機電管理工作。