煤礦排水泵控制系統(tǒng)設計

王偉鵬

（陽煤集團供應處， 山西 陽泉 045000）

1 自動化煤礦排水系統(tǒng)的功能需求

排水系統(tǒng)的設計是為了保證煤礦采礦和輔助運輸?shù)陌踩?。煤礦排水系統(tǒng)的可靠運行對煤礦生產(chǎn)安全起著至關重要的作用。在煤礦排水系統(tǒng)中，因為控制的變量具有非線性特征，時滯和不確定性，所以，多年來煤礦排水系統(tǒng)一直無法建立有效的指示變量運動規(guī)律和特征的數(shù)學模型，缺失傳統(tǒng)控制的分析基礎[1]。由于，信息技術、自動化控制技術、溫度傳感器技術在早年間并不發(fā)達，所以需要以人為操作經(jīng)驗為基礎，而不是控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。排水系統(tǒng)操作已經(jīng)使用了多年手動操作的方式，包括確定啟動和停止泵引擎的時間。由于自動化技術應用的局限性，在手動操作過程中，時常發(fā)生嚴重事故，導致礦井巷道淹沒、停產(chǎn)、破損。隨著傳感器技術的快速發(fā)展和自動化相關應用技術在煤礦井下排水系統(tǒng)的實現(xiàn)，為實現(xiàn)遠程規(guī)律排水系統(tǒng)控制提供技術參考和自動控制保障[2]。

1）具有多種控制模式。按照監(jiān)管要求，常用的排水系統(tǒng)控制模式有如下幾個，包括遠程/本地、自動/手動和集中控制/維護?？刂葡到y(tǒng)具有以下優(yōu)先權，例如手動控制可自動切斷遙控器和自動控制，遙控器可以自動切斷自動控制，并且地下自動控制系統(tǒng)可以自動轉移到當遙控器突然失控時手動控制。每個泵將始終處于集中狀態(tài)自動運行模式下的控制模式，除非處于維護模式的特殊情況下。

2）具有設備保養(yǎng)模式。當設備需要維護時，設置為維護模式，確保足夠的設備正常運行。

3）對泵的選擇靈活方便。

4）對泵運行時間自動控制。按照峰谷電價原則、水位要求，確定泵何時應該啟動和停止。每臺泵的正常運行時間將被自動記錄下來，當水位滿足系統(tǒng)要求啟動水泵時，泵運行最短的時間將自動啟動，并在運行中反復優(yōu)化泵的運行時間，以此達到泵的節(jié)能降耗目的[3]。

5）遠程遙控。泵的運行參數(shù)和現(xiàn)場的運行情況設備需要傳送到地面控制中心?？刂浦行目梢允占头治鲞@些參數(shù)，必要時需要并可以發(fā)送指令到地下水泵排水系統(tǒng)進行遠程控制。

2 煤礦排水泵站的自動化網(wǎng)絡系統(tǒng)設計

自動排水系統(tǒng)由地面監(jiān)測站和地下控制站組成，如圖1所示。

圖1 煤礦排水泵站的自動化網(wǎng)絡系統(tǒng)設計圖

系統(tǒng)主要組成包括以下六個主要的部件組成：

1）地面控制站。地面監(jiān)控站可以監(jiān)視系統(tǒng)運行狀態(tài)如溫度，排水裝置的壓力和流量，并控制泵啟動、停止，設置系統(tǒng)參數(shù)，下載運行階段化程序，監(jiān)控/控制數(shù)據(jù)，并保存或管理監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2）地下工作站。地下工作站是整個控制系統(tǒng)的核心，其包括西門子PLC、數(shù)字模塊、模擬模塊、通信模塊和觸摸屏幕，用于控制水泵、電動閥門、潛水器的啟停泵和其他電動裝置。該站包括控制柜、傳感器和執(zhí)行器。

3）控制柜。主要由PLC、觸摸屏、中間繼電器、信號組成發(fā)射器，光纖以太網(wǎng)交換機、開關電源、按鈕、指示燈等組件。這些設備用于信號采集、轉換、處理、輸出、顯示、保護、故障報警和通訊。

4）傳感器。主要包括液位計、流量計、負壓變送器、壓力傳感器變送器、溫度傳感器、電機電壓電流互感器，閥位開關和過扭矩開關。

5）執(zhí)行機構。主要包括排水電動閥門、電動球閥、配電設備、本地控制箱等。配電柜主要由斷路器、接觸器、熱繼電器等組成，是電動閥門的配電回路，真空泵和電動閥門[4]。

6）本地控制箱。主要由開關盒、按鈕、燈等部件，用于轉換設備的運行方式和實現(xiàn)本地設備的啟停。

3 煤礦排水系統(tǒng)中泵控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設計

3.1 泵的啟停過程

1）自動檢測水位。在泵引擎啟動或停止之前，水位必須是在非自動模式或手動模式下首先檢測。

2）調(diào)水。只有當泵的葉輪完全充滿水時，才可以將泵體形成必要的真空，實現(xiàn)正常的排水。

3）電動門操作。為了降低泵機的啟動功率，減少泵的功率發(fā)動機停機時水柱對泵的沖擊，出水閥必須在泵引擎啟動或停止之前處于關閉狀態(tài)。

4）失敗保護。在泵的運行過程中，電流或者電流溫度大于或小于正常值時，泵機必須快速停機。

3.2 本系統(tǒng)流程設計的主要創(chuàng)新點

1）避免高峰和填谷。該系統(tǒng)的設計運行在低功耗和盡可能避免在電力高峰期運行，但如果突然遇到發(fā)生洪水等緊急情況時，可以及時啟動排水程序。

2）利用水位設計優(yōu)化泵運行時間。最佳排水：以低功耗啟動泵進行排水，此時并儲存水位恢復正常的時間。當水位達到或低于H1時，泵停止。正常時間排水：當水位上升到H3時，水泵按照選擇運行時間原則將立即開始。水泵停止運行在高峰期達到H2，在其他時間達到H1即可。高峰排水：當水位上升到H4時，在高峰期強制開始排水期間，當水位達到H2時泵停止。

3）多泵排水。當水漲得太快或水位達到H5時，有幾個水泵將依次啟動。當水位達到時，運行時間較長的水泵將停止運行H3等水位高峰期或水位達到H2時，待水位達到H1停止。水位控制圖如圖2所示[5]。

圖2 系統(tǒng)水泵運行——水位控制圖

4 結語

本文介紹的煤礦排水系統(tǒng)，融入了自動化軟硬件技術、傳感器技術、自動控制技術、PLC技術，可自動控制和遠程遙控。目前，這種自動排水系統(tǒng)已在國內(nèi)外的某些礦山中投入使用，運行效果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、方便，可以有效降低維護成本和功耗，不僅滿足了地下排水控制的需要，同時也提高了煤礦排水系統(tǒng)的自動化管理水平。