煤礦井下排水智能化控制系統(tǒng)設(shè)計分析

煤炭工業(yè)合肥設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 王 瑄

一、前言

煤礦井下環(huán)境及地質(zhì)情況復(fù)雜，井下涌水是非常危險的一項(xiàng)因素。如果發(fā)生透水除影響生產(chǎn)外，還可能造成淹井事故發(fā)生，對人員生命安全造成危險。因此，井下的排水泵就非常重要，其可靠性、安全性影響著礦井生產(chǎn)的效率、安全。當(dāng)前，許多礦井水泵房排水自動化水平不高，應(yīng)急能力差，存在很大的安全隱患，為避免事故發(fā)生采用半自動化加傳統(tǒng)的人工操作方式管理。本系統(tǒng)針對目前礦井排水系統(tǒng)存在的問題，利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了排水系統(tǒng)自動化及通訊水平的極大提高。具有較高的智能化自動化控制水平、先進(jìn)完善的檢測手段和較高的安全性、可靠性。系統(tǒng)投入使用取得了減員增效的目的，已取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

二、項(xiàng)目概況

謝橋煤礦-610m井底車場設(shè)有中央水泵房，-720m水平井底車場設(shè)有輔助排水泵房，-720m井底車場排水進(jìn)入-610m井底車場水倉，再由-610m排水系統(tǒng)經(jīng)副井排至工業(yè)場地礦井水處理站。

-610m水平中央主排水泵房設(shè)有5臺礦用耐磨泵，配套電機(jī)1400kW、6kV；2臺真空泵,配套電機(jī)：11kW、660V；泵房內(nèi)設(shè)有1套液壓站及15臺液壓閘閥，在真空管路上配置電動球閥9個。布置三趟主排水管路，設(shè)有主、副水倉各1個。

-720m主排水泵房內(nèi)設(shè)有3臺礦用耐磨泵，配套電機(jī)：160kW，660V；2臺真空泵，配套電機(jī)：11kW、660V；泵房內(nèi)設(shè)有1套液壓站及6臺液壓閘閥，在真空管路上配置電動球閥7個。布置兩趟主排水管路，設(shè)有主、副水倉各1個。

-747m水平的泵房設(shè)有2臺潛水泵，配套電機(jī)：37kW、660V，設(shè)有兩趟排水管路，水倉1個。

-610m、-720m兩泵房原有控制系統(tǒng)只可通過操作臺手動操作實(shí)現(xiàn)各自水泵的開停及對水泵運(yùn)行狀況、數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)老舊不穩(wěn)定、功能缺陷等問題，另一方面該系統(tǒng)操作程序繁瑣，故障率高，且相關(guān)設(shè)備、備件都難以購買；一旦出現(xiàn)故障無法進(jìn)行更換修復(fù)，系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行存在隱患。

本次設(shè)計對-610m及-720m水平水泵房電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行及遠(yuǎn)控功能。建設(shè)以無人值守為目標(biāo)的集中控制與監(jiān)視系統(tǒng)，提高自動控制水平，并納入礦井自動化控制系統(tǒng)，減少崗位人員，提高生產(chǎn)效率。

三、系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，包括井下控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及通信系統(tǒng)。井下與地面設(shè)交換機(jī)，通過光纖以太網(wǎng)方式通訊，并留有與礦井綜合自動化系統(tǒng)通訊的接口。實(shí)現(xiàn)井下排水系統(tǒng)的全方位集中監(jiān)控、監(jiān)視和通信，具有較強(qiáng)的智能化自動化水平。

首先在-720m泵房設(shè)置一套自動控制系統(tǒng)，由1套PLC控制主站、1套防爆計算機(jī)，1臺集中操作臺及5臺就地控制箱組成，分別對-720m泵房水泵及配套設(shè)備和-747m井底泵房潛水泵進(jìn)行監(jiān)測、控制、顯示記錄、保護(hù)及報警。該系統(tǒng)可將所有監(jiān)測、控制信息通過通訊口上傳至-610m中央泵房，實(shí)現(xiàn)在-610m中央泵房進(jìn)行集中控制。

同時在-610m泵房也設(shè)置一套自動控制系統(tǒng)，由2套PLC控制主站、2套防爆計算機(jī)，2臺集中操作臺及7臺就地控制箱組成，可分別對-610m泵房水泵及配套設(shè)備、-720m和-747m泵房水泵及配套設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、控制、顯示記錄、保護(hù)及報警，并通過工業(yè)以太網(wǎng)接口與設(shè)在礦井生產(chǎn)調(diào)度指揮中心的操作站進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)在調(diào)度指揮中心對泵房的遠(yuǎn)控，即無人值守，達(dá)到管控一體化。

現(xiàn)場配置防爆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，并裝設(shè)防爆網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)圖像監(jiān)控上傳功能。

四、主要設(shè)備和檢測傳感器

1、系統(tǒng)主站采用隔爆兼本安型可編程控制箱，內(nèi)置S7系列PLC，電源、輸入、輸出、模擬量采集、通訊等模塊，接受水泵就地控制箱內(nèi)部的PLC信號。

2、本安型操作臺做為集中控制系統(tǒng)的集控操作臺，其面板上面鑲嵌真彩觸摸屏，可以手動或以自動方式操控水泵及配套排水設(shè)備，可以直觀的了解水泵運(yùn)行情況及各個設(shè)備工作狀態(tài)、各類儀表實(shí)時數(shù)據(jù)，同時記錄水泵運(yùn)行參數(shù)。

3、就地控制箱安裝在每臺水泵旁，作為單臺水泵就地檢修控制箱，箱體面板上布置有水泵啟動、停止，電動閘閥打開、關(guān)閉、停止，電動球閥打開、關(guān)閉等操作按鈕和指示燈，方便檢修人員就地操作水泵及附屬設(shè)備。箱體面板上集成液晶顯示屏，內(nèi)部配置S7系列PLC，可采集與本臺泵相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀況、水泵壓力、溫度、水倉水位等參數(shù)，發(fā)出控制指令，并與系統(tǒng)主站進(jìn)行通訊，將單臺泵的運(yùn)行信息上傳。

4、每臺水泵吸水管位置和出水管位置安裝礦用本安型壓力傳感器用于檢測水泵真空度和出水壓力。每臺水泵射流排真空部分安裝兩臺礦用隔爆型電動球閥，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程射流排真空控制。每個水倉安裝一臺超聲波水位傳感器，用于檢測水倉水位。每條主管路安裝一臺礦用本安型超聲波流量傳感器，用于檢測主管路水流量。

五、系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采集-610m、-720m及-747m泵房數(shù)據(jù)。在集控臺上既可實(shí)現(xiàn)單臺水泵控制，又可實(shí)現(xiàn)多臺水泵智能優(yōu)化控制；可實(shí)時監(jiān)測水倉水位、流量、壓力、真空度、電機(jī)繞組、電機(jī)及水泵軸承溫度等一系列參數(shù)及水泵、閘閥等設(shè)備工況；可手動、自動啟動或停止水泵的運(yùn)行，開、關(guān)閘閥；具有短路過載等各種保護(hù)。系統(tǒng)配帶光接口交換機(jī)及工業(yè)以態(tài)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議模塊，可與礦井綜合監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，在礦井調(diào)度中心相應(yīng)工作站上對系統(tǒng)工藝及電氣參數(shù)、設(shè)備工況、各類故障實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視。

系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，實(shí)時動態(tài)顯示系統(tǒng)工藝流程畫面、設(shè)備工況、工藝及電氣參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)各參數(shù)及設(shè)備開停工況的實(shí)時及歷史趨勢顯示。并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、記錄、查詢等。

控制系統(tǒng)設(shè)置遠(yuǎn)程、集中、就地控制方式，每臺水泵設(shè)置工作、備用和檢修三種工作方式。

六、系統(tǒng)特點(diǎn)

1、組網(wǎng)功能

本系統(tǒng)PLC控制器提供TCP/IP 的RJ45接口可掛接在礦井的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上，通過交換機(jī)與全礦綜合自動化系統(tǒng)連接，并通過點(diǎn)表直接同上位機(jī)進(jìn)行通訊完成遠(yuǎn)程控制功能以實(shí)現(xiàn)“無人值守”。

2、口令保護(hù)

多級口令保護(hù)可以使用戶高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改，操作口令加密分級保護(hù)，不同的用戶有不同的權(quán)限。

3、無人值守減員增效

將本機(jī)工作方式轉(zhuǎn)為“地面控制”或“自動控制”時，各水泵由地面主機(jī)或PLC根據(jù)自身程序以安全為第一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，最終達(dá)到無人值守。

4、削峰填谷降低成本

地面計算機(jī)根據(jù)每天礦井的用電負(fù)荷情況，確定用電高峰、低谷時間，并將參數(shù)傳給本機(jī)，使水泵運(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)的時間；根據(jù)避峰填谷時間、水位、水位變化率完成自動化排水，并能輪換工作水泵。

5、曲線式水位自動控制

水位監(jiān)測一直是礦井排水參數(shù)中最重要的參數(shù)之一，過去常用做法是將水倉水位分為五檔：低水位、正常水位、高水位、上限水位、危險水位，通過水位傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷水位所處檔位后執(zhí)行相應(yīng)的控制。本系統(tǒng)將固定檔位式水位控制更改為曲線式控制，使PLC控制智能化。

6、涌水量增大早預(yù)警

根據(jù)水倉內(nèi)的水位傳感器實(shí)時監(jiān)測水倉水位，以時間、容積、水位相結(jié)合的方式測算出單位時間的涌水量，達(dá)到突發(fā)事故早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早排水的目的。

7、用水量監(jiān)測

通過模擬量水位傳感器監(jiān)測單位時間內(nèi)的上漲速度，測算出礦井的涌水量并結(jié)合水位高度確定控制動作，提前了解事故情況，為緊急事故提前預(yù)知提前進(jìn)入緊急排水狀態(tài)。

8、一鍵起停操作簡單

井下操作臺、地面調(diào)度均能實(shí)現(xiàn)一鍵開停，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備順序自動啟動監(jiān)測各設(shè)備數(shù)值最后達(dá)到自動排水的效果，操作難度下降并減少誤操作發(fā)生的概率。

9、故障直觀易于維護(hù)

在現(xiàn)場屏上可漢字顯示各故障信息并報警，在地面控制站上可顯示現(xiàn)場單元當(dāng)前的報警信息以及保存的報警記錄。當(dāng)運(yùn)行的水泵出現(xiàn)軸承超溫、高壓開關(guān)故障、流量不夠、正壓過低、電流不正常時自動停止運(yùn)行，并能確切的顯示故障位置和類型且有聲光報警。

10、故障直觀易于維護(hù)

在現(xiàn)場觸摸屏上可顯示故障信息，同時報警。在地面控制站可顯示現(xiàn)場單元報警信息，同時將這些記錄保存。當(dāng)水泵出現(xiàn)了如下故障，如電機(jī)超溫、高壓開關(guān)出現(xiàn)故障、正壓太低、電流不正常等等，均會停止運(yùn)行，同時顯示出故障的位置并且報警。

七、結(jié)束語

系統(tǒng)遵循高起點(diǎn)、高技術(shù)、高質(zhì)量、高效率和高效益原則。

做到技術(shù)先進(jìn)，可靠性高，擴(kuò)展與升級容易，具有故障自診斷功能；并充分利用現(xiàn)有資源，在技術(shù)先進(jìn)的基礎(chǔ)上，做到經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

系統(tǒng)具有較高的自動控制、自動監(jiān)測水平。通過智能化監(jiān)測控制手段，達(dá)到了自動控制，減員增效的目的；達(dá)到了對事故早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早排水，降低了事故發(fā)生率；根據(jù)礦井的用電負(fù)荷情況，確定用電高峰、低谷時間，通過削峰填谷使水泵運(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)的時間，降低生產(chǎn)成本，提高了排水系統(tǒng)的效率和可靠性，并可延長設(shè)備使用壽命。

與其他未投入本系統(tǒng)工程相比，本系統(tǒng)的投入及運(yùn)行，減少了運(yùn)行維護(hù)人員，可以做到井下無人值守；自動化方式運(yùn)行，提高了生產(chǎn)效率和可靠性，降低生產(chǎn)成本，長期運(yùn)行更能顯示出其顯著的經(jīng)濟(jì)效益。