試析煤礦井下無人值守排水泵站自動化控制系統(tǒng)設計

摘 要：本文針對煤礦井下排水系統(tǒng)存在的較低運行效率、自動化及可靠性程度、浪費人力資源、較高電力消耗等常見問題，設計煤礦井下無人值守排水監(jiān)控系統(tǒng)，確保煤礦排水系統(tǒng)的安全。經(jīng)煤礦生產(chǎn)應用，系統(tǒng)設計合理、只有較低的故障率、運行可靠安全、具有明顯的節(jié)電效果。

關鍵詞：煤礦機電；排水泵站；自動化控制系統(tǒng)

1. 前言

礦井安全生產(chǎn)需要以提高煤礦井下排水系統(tǒng)的安全性為保障，我國很多煤礦還主要采用繼電器手動控制的傳統(tǒng)方式，對水泵調(diào)度缺乏高效合理性，存在較大能耗、較低效率等問題。為使這些問題得到妥善解決，開展無人值守井下排水控制系統(tǒng)的設計。與水倉水位相結合對水泵啟停和根據(jù)“峰谷平”時間對6臺泵進行輪回調(diào)度，在使井下泵站實際運行、水泵報警信息及有關各種參數(shù)實時顯示在地面。

2. 系統(tǒng)控制對象

采用并聯(lián)6臺離心泵射流排水的煤礦井下排水系統(tǒng)，諸如一個泵站系統(tǒng)，每臺泵都有1個出水閥和射流閥、7個溫度傳感器（電機、水泵前后軸振動傳感器、水泵前后軸及電機三相溫度傳感器）、2個壓力傳感器（分別對真空度和出口壓力檢測），對上述有關對象進行控制。

3. 控制系統(tǒng)結構

控制系統(tǒng)主要結構采用微機-PLC網(wǎng)絡，系統(tǒng)分三級，由閥門、儀表和泵構成的現(xiàn)場級，由西門子S7-300PLC可編程控制器構成處理信號的控制級，由上位機配備組態(tài)王對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行監(jiān)視的監(jiān)控級?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡結構：系統(tǒng)采用S7-300PLC可編程控制器，CPU314的3個就地站，每個就地站對2臺水泵進行控制，反饋閥門狀態(tài)、測定電機溫度和壓力。采用CP343-1和CPU315-2DP通信模塊的集控站，配備RJ45接口，主要用于與工業(yè)以太網(wǎng)連接，與現(xiàn)場觸摸屏和上位機之間實現(xiàn)通信。采用MPI多站輪循方式在集控站與各就地站之間進行通信，集控站可對當前水位變化情況進行采集。

4. 控制系統(tǒng)設計方案

4.1 設計操作模式

主要采用三種模式，一是手動模式，該模式不需要采用PLC控制，各步驟的操作主要利用面板上按鈕實現(xiàn)。二是半自動模式，該模式只需對上位機、觸摸屏/操作面板的啟停按鈕按一下，由PLC對泵的啟停進行控制。三是全自動模式，該模式主要由PLC控制，水泵運行利用水位和時間進行自動控制。

4.2 設計日輪換調(diào)度和“峰谷平”調(diào)度控制

一是控制調(diào)度“峰谷平”，對排水按照用電正常、高峰及低谷時間段分別采用不同控制策略，使運行成本明顯降低。按時間將每天分為峰時、谷時和次谷時三個時間段，水位處于峰時時，在達到峰時按照水位將1臺預設泵啟動，若預設泵發(fā)生故障時將備用泵自動啟動，若備用泵發(fā)生故障可改為手動模式。次谷時與峰時的處置方式基本一致。水位處于谷段時，在達到谷時按照水位將2臺預設泵啟動，每臺預設泵的備用泵都有2個，預設泵發(fā)生故障時將備用泵自動啟動，確保運行的泵有2臺。若發(fā)生故障可改為手動模式。

二是調(diào)度按日進行輪換，為實現(xiàn)對6臺水泵的了合理利用，避免某臺水泵使用過度而對其使用壽命產(chǎn)生不利影響，調(diào)度采用按日進行輪換的方式。每個輪換周期3天，第一天首啟泵采用1、4號泵，在峰時和次谷時預設泵為1號泵，備用泵為4號泵。谷時預設泵采用1、4號泵，1號泵備用泵為2、3號泵，4號泵備用泵為5、6號泵，第二三天也基本一致，首啟泵分別采用2、5號泵和4、6號泵，以此按照峰谷時段進行輪換調(diào)度。

4.3 水泵啟停自動控制方案

在水位控制方面，每時段的水位設置諸如谷時啟泵水位、谷時停止水位2個，在全自動模式時，對水泵由水位進行自動控制啟停。在故障報警停泵方面，為確保泵運行安全，發(fā)生故障時應按照順序進行停泵，發(fā)生達不到出水壓力、關射流閥超時、超時開出水閥、水泵前后軸過大振動及過高溫度、電機三相定子、電流及電機前后軸過高溫度過高等故障時應停泵。

4.4 控制閥門開關容錯的措施

因煤礦井下水中存在淤泥等雜物，通常會造成閥門開關無法處于準確檢測點，影響程序正常運行，只有人工處理后方可繼續(xù)運行，而且存在由于排水時間延誤而導致事故隱患的問題。為妥善解決上述問題，設置2個檢測閥門關到位和2個檢測閥門開到位接近開關。關閥時對閥門定時是否達到關到位接近開關，這時停止報警繼續(xù)運行，開閥控制與此相同。

5. 控制系統(tǒng)軟件設計

5.1 集控站程序設計

集控站主要實現(xiàn)與各就地站之間的通信功能，應用MPI多站無組態(tài)的輪循通信方式，功能SFC67和SFC68在集控站系統(tǒng)中調(diào)用后，使來自就地站的報警信息、部分模擬量值及運行參數(shù)被統(tǒng)一收集，利用以太網(wǎng)向上位機發(fā)送，并將啟停信號發(fā)送至就地站。集控站自動控制液位采集并對泵站進行日輪換“峰谷平”調(diào)度。

5.2 就地站程序設計

就地站程序主要是對泵等實現(xiàn)一鍵啟停和遠程一鍵啟停，采集模擬量及處理報警程序。先開始開射流閥，在“接近開關”時對真空度進行檢查，符合真空度要求后合閘啟泵再對合閘狀態(tài)進行判斷，對出水壓力在合閘到位后進行判斷，壓力符合開出水閥后將射流閥關閉，每一個步驟發(fā)生問題都應處理好故障。

6. 總結

綜上所述，通過對無人值守泵站系統(tǒng)在煤礦生產(chǎn)中應用的初步探討，系統(tǒng)運行具有較高的可靠性。可自動遵循“峰谷平”輪回對泵站進行調(diào)度，使泵站提高了有效利用。并因存在的容錯控制策略，使產(chǎn)生的故障明顯減少。總之，本系統(tǒng)在煤礦井下安全及生產(chǎn)效率提高，人力物力節(jié)約，開采成本降低等方面發(fā)揮了十分積極地作用。

參考文獻：

[1] 宋杰，肖興明，張憲鋒等.煤礦井下排水泵站的監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]，煤礦機械，2015.11

[2] 張喜萍，譚一川，程玉龍.煤礦排水自動控制系統(tǒng)的設計與研究[J]，自動化儀表，2017.5

[3] 鄭茂舉.礦井下無人值守泵站監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]，現(xiàn)代企業(yè)教育，2016.8

[4] 王偉.水利工程自動化控制應用趨勢[J]，科技創(chuàng)新導報，2016.4

[5] 于魁元，張永勝.淺談中小型排水泵站的技術改造[J]，科技創(chuàng)新導報，2017.7

作者簡介：王金澤（1964-），男，漢族，山東淄博人，大學本科學歷，研究方向：礦山機電。