淺談煤礦排水控制系統(tǒng)自動化技術(shù)的研究和運用

高潔

摘 要：煤礦排水系統(tǒng)的安全性和可靠性是煤礦井下安全的重要保障。本文重點闡述了此套基于 PLC的煤礦排水系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：PLC；煤礦排水；控制系統(tǒng)

煤礦事故在我國屬于高發(fā)性事故，據(jù)統(tǒng)計我國2016年全年共發(fā)生煤礦水害事故6起，死亡21人，觸目驚心的數(shù)字除了帶給我們警醒之外，也給礦井排水提出了新的要求。

1 功能設(shè)計

傳統(tǒng)井下排水技術(shù)要求高，且排水策略和控制方式也嚴重落后。設(shè)備無法集控，信息收集誤差大，設(shè)備數(shù)據(jù)掌握不精確，導(dǎo)致故障無法得到及時解決。控制策略落后，主要依照人工經(jīng)驗判定，缺乏足夠的科學(xué)依據(jù)，無法對水位、涌水量以及水泵運行狀態(tài)進行精確控制，使得系統(tǒng)可靠性大大下降。系統(tǒng)運行效率低，設(shè)備不適應(yīng)節(jié)能減排要求。因此煤礦排水系統(tǒng)的自動化程度、安全性和可靠性直接關(guān)系到井下工人人身安全，因此，考慮到相應(yīng)和全時作業(yè)的需求，開發(fā)出基于PLC技術(shù)的煤礦井下排水自動控制系統(tǒng)，以期提高排水效率，減輕人員工作量，提升煤礦井下作業(yè)安全性的目的，將系統(tǒng)主要功能設(shè)計如下。

出于對煤礦排水重要性的考慮，設(shè)計了三種控制模式即：遠程控制、井下集中操控和原地控制。進行遠程控制時，由監(jiān)測設(shè)備對水倉水位等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行檢測，并根據(jù)工作水泵數(shù)量，開啟順序及各泵工作持續(xù)工作時長等要素做出判定，有可編程控制器執(zhí)行預(yù)設(shè)程序。與此同時，監(jiān)控中心工作人員也可以通過監(jiān)控界面，完成對相關(guān)設(shè)備的啟閉控制。當水泵操作臺設(shè)置為集中控制模式時，操作員可以按預(yù)設(shè)程序?qū)Ω魉眠M行半自動控制，即通過操作臺按鈕開關(guān)將命令傳遞至可編程控制器，并有后者執(zhí)行控制命令，此為井下集中操控。而當水泵操作臺設(shè)置為就地控制模式時，通過為每臺水泵配置的就地操作按鈕箱，操作員即可操作按鈕開關(guān)完成對單臺水泵及配套設(shè)備的啟停處理。而對每臺水泵而言，則設(shè)置成三種不同的工作模式，即在本次操作中被優(yōu)先開啟的工作模式，在本次操作中出于備用，當當已有水泵無法滿足排水需要即可開啟的備用狀態(tài)和水泵出于檢查維修，暫時停用的檢修狀態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)水倉水位及升速信號判斷涌水量，作出自動啟停水泵動作及工作水泵數(shù)量。當僅需少數(shù)水泵工作時，系統(tǒng)根據(jù)單臺水泵累計運行時間，對所有水泵進行適度輪換。

井下環(huán)境條件復(fù)雜，對排水設(shè)備整機的保護必須十分周全。電機是排水系統(tǒng)的核心元件，當其出于過流、欠壓或超壓、超載等故障時，井下電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)會對以上參數(shù)進行監(jiān)測，并根據(jù)故障狀態(tài)借由上位機和PLC 之間的通信發(fā)出報警并進行控制。作為自動抽水系統(tǒng)，水泵并非在任何時候都處于工作狀態(tài)，必須先啟動真空泵監(jiān)測真空管路壓力值大小，只有當壓力達到預(yù)設(shè)值時，水泵電機方才開啟，與此同時，真空管路閥門關(guān)閉，此時排水管內(nèi)的水壓成為監(jiān)測元素。但如果此中有故障發(fā)生，管內(nèi)壓力無法達到固定值時，系統(tǒng)便會啟動自動當在一定時間內(nèi)壓力沒有達到設(shè)定值時，系統(tǒng)就會自動停止水泵運行，并發(fā)出報警信號。

水倉水位信號對井下排水自動自動化而言是一個十分重要的參數(shù)。本系統(tǒng)中一共在水倉內(nèi)設(shè)置有兩套水位傳感器，模擬量液位傳感器和開關(guān)量液位開關(guān)。前者用以連續(xù)監(jiān)測連續(xù)水倉水位，并傳輸至地面控制中心。后者則根據(jù)測得低水位、高水位和上限水位并與預(yù)設(shè)值進行對比后，發(fā)出啟閉泵控制信號并發(fā)出水位語音報警。除去這三種種主要保護以外，系統(tǒng)還設(shè)置有電動閘閥保護、保護水泵軸承免受高溫破壞的溫度的超溫保護。

系統(tǒng)的自動化運行離不開對各要素的自動監(jiān)測，因此本系統(tǒng)中設(shè)置了大量的自動監(jiān)測設(shè)備。水位信號是水泵自動化的重要的參數(shù)之一，本系統(tǒng)中采用的是超聲波液位計，對缺水、低水位、高水位、高水位報警等四種不同的信號進行監(jiān)測，同時結(jié)合峰谷電價的具體安排對水泵的工作進行靈活的配置，既保證水位安全也起到節(jié)能減排低耗電的效果。水泵出口的閘閥開度、水壓以及及電動機電流大小都是影響水泵流量的重要因素，而這些參數(shù)也能最大程度地反應(yīng)水泵的工作狀況，因此流量是排水系統(tǒng)中不可忽視的檢測要素，本系統(tǒng)中同樣采用的是超聲波流量計，當水泵工作過程中流程不足，便會發(fā)出信號，啟動配備的保護裝置，自動切換至其他水泵。除以上自動監(jiān)測設(shè)備外，本系統(tǒng)還配備使用壓力傳感器進行水壓自動監(jiān)測，紅外溫度傳感器對軸溫進行自動監(jiān)測，智能電量采集模塊對電動機電流、電壓、功率等要素進行電流自動監(jiān)測，真空度傳感器第泵內(nèi)壓力值和真空度等進行真空度監(jiān)測。

2 系統(tǒng)組成及設(shè)計簡述

考慮到以上設(shè)計功能，除了配置前文所述自動監(jiān)測設(shè)備和安全保護裝置外，還包括以下硬件組成，如：地面上位機、遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、信息傳輸平臺、隔爆兼本質(zhì)安全型PLC控制箱、顯示操作臺等。PLC是整部系統(tǒng)的大腦，在選擇時主要從其結(jié)構(gòu)、擴展性和通信能力等方面進行考慮，綜上本系統(tǒng)選擇了西門子S7-200 CPU226系列PLC，其擴展模塊如下表所示。而組態(tài)軟件采用的也是西門子旗下的WinCC。

3 結(jié)語

煤礦排水系統(tǒng)是煤礦井下安全的重要保障，對改善井下工作條件，降低工人勞動強度，保障排水系統(tǒng)安全運行具有重要的實踐意義，同時為井下無人值守和自動化反應(yīng)觸發(fā)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。值得在更大范圍進行推廣。

參考文獻：

[1]李亞哲.煤礦井下主排水系統(tǒng)工業(yè)流程及其自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].工礦自動化，2011（5）.