機電設備的自動化改造及維護探析

韓澤飛

（山西高河能源有限公司，山西長治 047100）

0 前言

對于煤礦企業來說，機電設備在煤礦開采中發揮著極大的作用。但是在煤礦開采中，很多煤礦由于開采時間較長，設備投入運行的時間也較長，機電設備控制系統不少依舊是采用繼電接觸式控制方式。此種控制方式要求安裝非常多的繼電控制裝置，而且在控制動作執行過程中不夠迅速，很難開展相對復雜的控制工作，在實際控制過程中線路的節點位置較多，極易發生故障問題，而且機電設備在運行過程中的能耗也較大，運行效率較低。在科學技術快速發展的過程中，很多煤礦企業逐漸對以往所使用的繼電控制系統通過PLC技術與網絡技術加以改造，確保對繼電設備的自動化控制[1]。通過設備的自動化改造，希望達到節能降耗的目標，同時希望能夠增加設備運行的安全性以及效率。

在煤礦生產之中井下排水系統是極為重要的系統，同時也是礦井五大系統之一，排水設備運行情況將對整個礦井生產造成直接影響。由于煤礦開采時，不同來源的地下水持續涌近礦井，要想保證煤礦開采工作的正常進行，同時確保井下作業人員的人身安全，要求應當將井下涌水及時排出地面[2]。要求礦井排水系統應當擁有更高的自動化水平，這樣才能確保礦井排水的安全性，為煤礦開采工作提供可靠的保障。

1 礦井概況

某煤礦采用的開采方式為豎井開采，開采過程中礦井的涌水量相對大，礦井全天排水量均值是142 m3/h，雨季單天最大排水量高達306 m3/h。礦井注水泵站的水倉設置為一主兩副形式，之所以設置兩個副水倉設置，主要是為了能夠輪流開展沉淀工作，以便工作人員有時間對涌水之中夾雜的雜物、淤泥以及砂石細顆粒等進行清理，從而確保主水倉之中水體質量。主水倉的容積值達500 m3，副水倉的容積值達200 m3。所使用的排水泵為DAI型離心式水泵，水泵揚程值為246 m，額定流量為160 m3/h。水泵排水系統一共包含有兩路排水管道，直接和地面相通，其中一個正常使用而另外一個作為備用，管道的直徑是150 mm。在進水過程中是利用真空水箱人工注水方法，應用的控制方式依舊為繼電器控制方式，為了有效地對排水系統加以控制，還安排了專門人員完成具體的系統操作工作，整個控制過程自動化水平相對落后[3]。在水泵的開啟、停運以及切換等過程中，均需要借助人工操作，很大程度上依賴于工作人員自身經驗，而且人工勞動強度較高，控制效率較低，水泵在開啟、停運以及實時運行數據等無法得以有效監測。

2 水泵系統排水中可實現自動化操作的過程

在水泵設備的控制系統之中，能夠實現自動化的環節有以下幾個：注水環節、閘閥操作環節、水位監測環節、電機開啟與停運環節、故障監測環節以及參數信息傳輸環節。

（1）注水環節。在水泵運行之前，要求水泵應當事先注滿水之后，確保水泵設備中葉輪部件能夠全部浸沒在水里，這樣在葉輪旋轉時，才可以確保水泵內部形成一定真空度，從而使得水泵能夠達到排水的目的。要是水泵內部的真空度較小，水泵之中存在空氣會導致無法上水，或者出現汽蝕問題。在自動注水操作中，通常采用的方式為加設射流泵加以實現[4]。

（2）閘閥操作環節。在水泵開始啟動時，應當確保出水閥門處于關閉狀態，而在水泵停止運行時，應當確保閘閥事先關閉，這樣才能有效防治水錘問題出現，確保水流量能夠逐步減少，此時才能夠停車。而要想達到上述要求，完成閘閥自動操作，要采用適宜于井下排水的閘閥裝置，這樣才能確保水泵系統自動化控制功能得以實現。

（3）電動機自動控制環節。在對排水設備進行自動化改造的過程中，其中最為重要的工作便是確保水泵電機設備開啟以及停運能夠實現自動化控制，其包含有PLC控制裝置、繼電器裝置和接觸器裝置等，在自動化控制改造過程中，根據水倉之中具體水位值，自動完成水泵開啟與停運工作[5]。為了確保備用水泵在長時間停運的狀況之下電機線圈不會由于受潮濕而發生故障，在具體的運行過程中采取輪換運行方式，這樣便能夠確保水泵設備在發生問題情況下能夠及早被發現。

（4）水位自動監測環節。若想實現排水設備的自動化運行，要求必須對水倉之中水位進行自動化的監控，這一工序之中最為關鍵的內容是要保證實時、準確地對水位情況加以監控。現階段，在對水位監測過程中可以使用超聲波液位傳感裝置以及投入式液位傳感裝置。

3 自動排水系統的改造與維護

3.1 自動排水系統改造原理分析

在經過改造之后，排水系統的進水端口使用的是無底閥門，并且利用真空注水桶完成自動注水以及排水作業，在出口位置設置型號為JD745的控制閥門。在對主水倉之中水位信號進行監測過程中，利用液位傳感裝置進行監測工作。在出口位置設置有壓力傳感裝置，以便對排水過程中的壓力進行實時監測。在對電動機以及水泵進行監測過程中，采用電流傳感裝置以及溫度傳感裝置進行監測[6]。并且，在水泵的排水管道之上還設置有電磁流量監測裝置，該裝置主要是用來監測排水管道之中的流量。PLC控制裝置則依照水倉之中不同水位情況以及電網之中峰谷不同時段，來確定水泵的具體開啟或者停運操作，并且計算水泵開啟的數量。PLC裝置還會對注水電磁閥門進行實時控制，在水泵啟動過程中采用直接啟動方式。

（1）水泵設備的啟動：首先完成電動閥門的啟動工作，并且往水泵腔體之中注入水，在經過1 min之后電動閥門將會自動關閉，此時水泵設備便開始啟動，在水泵出水之后控制閘閥便會依照兩邊不同的壓力差值而自動、緩慢開啟，最后完成整個水泵開啟工作。

（2）水泵設備的停運：水泵停止運行過程中，多功能閘閥會依照兩端的壓差值而自動、緩慢關閉。

（3）被控制對象：在自動化操作過程中，所控制主要對象包含有安裝于管道之中的電動閥門以及自動注水閥門。

在水泵自動控制系統之中，利用PLC裝置對水泵具體運行信息進行收集。傳感裝置會收集水倉之中水位的具體波動情況，而且會把所收集的水位信號加以轉換，從而得出單位時間之中各個水位段的水位具體上升情況，對井下涌水量進行判斷，并根據判斷結果對水泵的開啟以及停運進行實時控制[7]。井下水泵自動控制流程示意圖如圖1所示。

圖1 井下水泵自動控制流程示意圖

3.2 自動化改造控制方案

3.2.1 水泵啟動過程

（1）確定需要開啟的水泵設備以及對應管路；

（2）完成水泵的啟動自動化操作。

3.2.2 水泵停運過程

（1）確定需要停運的水泵設備以及對應管路；

（2）完成水泵的停運自動化操作。

3.2.3 應急水泵啟動過程

若是集控裝置發生失效問題，便會啟動水泵就地控制系統，也就是借助于組合開關柜裝置完成水泵設備的開啟以及停運操作。

3.2.4 水位實施監測和保證避峰就谷

要想確保排水系統能夠達到煤礦開采作業中的相關要求，同時實現避峰就谷的用電目標，進行自動化程序的設計過程中，結合煤礦井下的涌水量現狀，把水倉從下往上劃分成了4個不同的水位線，分別為1號、2號、3號以及4號水位線。若是水位在2號水位線之下，則表明此時水位為安全水位；若是水位位于2號水位線以及3號水位線之間，則表明此時水位為低警戒水位；若是水位位于3號水位線以及4號水位線之間，則表明此時水位為中等警戒水位；若是水位在4號水位線之上，則表明此時水位為高警戒水位。要是水位達到了4號警戒線位置，則系統便會自動發出報警信號。在對水倉之中水位進行監測的過程中，采用的2臺安裝于水倉相同高度的超聲波液位傳感裝置[8]。

若想達到節約電能的目標，便應當確保能夠實現避峰就谷的用電目標，不過由于礦井的作業環境相對較差，首先應當考慮的是系統運行安全性。所以，在進行水泵設備開啟的判斷操作時，首先要分析水倉之中水位波動情況，然后再盡可能達到避峰就谷的用電要求。

（1）若是水位位于2號水位線位置，要是此時用電時間為平段或者谷段，則要求應即刻開啟水泵，要是此時用電時間為峰段，則應當暫時延遲水泵啟動時間。

（2）若是水位位于3號水位線位置，那么不管是在哪一種用電時段，均要求即刻開啟水泵進行排水作業。

（3）要是只有1臺水泵投入運行，水位依舊出現上升問題，此時應當即刻開啟另外1臺水泵設備。

（4）若是出現了較為緊急的狀況，例如井下出現較大的涌水量，則不管是電網用電情況怎樣，均必須同時啟動2臺工作水泵進行排水作業，而且還要啟動備用水泵同時進行排水作業。

4 排水系統自動化改造的優勢分析

（1）在對排水系統進行自動化改造的過程中，應用CP1H作為整個系統的主要控制裝置，由于該裝置性能非常穩定，從而確保了整個控制系統的可靠性進一步提升。

（2）通過自動控制的方式，能夠實現井下水泵房無人值守目標。

（3）自動控制系統可以自動完成水泵設備開啟與停運操作，依照水倉之中水位具體情況，若是水位出現高、低限，或者是水位的增長速率較快情況下，可以實時發出警報信號。

（4）在集控顯示設備之中能夠實時的發布設備運行情況，并且可以顯示出水倉之中水位變化數據，出現故障問題對應的故障點還會不斷閃爍，以發出報警信號。