井下水泵房自動化排水系統(tǒng)優(yōu)化

樊晉杰

（山西焦煤汾西礦業(yè)中興煤業(yè)，山西 交城 030500）

1 礦井排水系統(tǒng)概況

中興礦為設(shè)計年產(chǎn)量300萬t的大型礦井，礦井水文地質(zhì)條件中等，含水層主要為奧灰?guī)r。礦井歷年統(tǒng)計的涌水量如表1所示。隨著礦井開采規(guī)模的不斷增加，礦井排水系統(tǒng)面臨的壓力逐漸增大。礦井井下現(xiàn)有5處中央泵房，15處臨時水倉，每個水倉中配備有2臺高功率離心水泵，在地面布置有處理能力在1萬m3/d的水處理廠。井下現(xiàn)僅有南六盤區(qū)中央水泵房實現(xiàn)自動化控制，其余的水泵房仍需要人工操作。隨著礦井現(xiàn)代化建設(shè)需要，按照減人增效要求，以及提升礦井排水保證能力建設(shè)需要，急需對井下其余的4處中央水泵房進行自動化優(yōu)化改造，并納入到自動化控制平臺上來，便于礦井統(tǒng)一管理。

2 水泵房自動化排水控制系統(tǒng)構(gòu)建

構(gòu)建的水泵房自動化排水控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，通過傳感器、執(zhí)行器等，在組態(tài)軟件支持下以中興礦已經(jīng)構(gòu)建的工業(yè)以太網(wǎng)為傳輸通道，建立自動化排水控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對井下水泵房的遠程、手動以及檢修控制，精準對水泵房內(nèi)水位、水泵運行狀態(tài)、流量及水壓等參數(shù)進行監(jiān)測，根據(jù)有關(guān)控制邏輯，合理控制水泵房內(nèi)水泵啟動、停機。自動化排水控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、共享，提升礦井自動化控制程度，實現(xiàn)井下水泵房的無人值守。構(gòu)建水泵房自動化排水控制系統(tǒng)由管理層、傳輸層以及控制層三個層級組成，分別負責(zé)數(shù)據(jù)處理及控制指令發(fā)出、監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸、實時監(jiān)控及指令執(zhí)行等工作。具體的自動化排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 2014～2018年礦井涌水量

圖1 自動化排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 自動化排水系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)組成及功能實現(xiàn)流程

優(yōu)化的礦井水泵房具有遠程自動控制、手動控制及檢修控制等控制模式，且可以實現(xiàn)對水泵、水倉水位、水壓、流量等實時監(jiān)控，并掌握水泵房內(nèi)的具體狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)功能，硬件采用PLC作為井下監(jiān)控分站主要控制單元，并將壓力、液位、流量等傳感器，行程開關(guān)等電子元件作為數(shù)據(jù)采集單元，實現(xiàn)對水泵房內(nèi)設(shè)備、水倉等參數(shù)監(jiān)控。具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

具體功能實現(xiàn)流程為：根據(jù)水泵房內(nèi)設(shè)備及水倉布置情況，確定需要的傳感器（行程開關(guān)）類型、數(shù)量及安裝位置；傳感器、行程開關(guān)等監(jiān)測數(shù)據(jù)通過通信電纜傳輸至井下監(jiān)控分站，監(jiān)控分站內(nèi)的PLC對數(shù)據(jù)進行處理，并在顯示屏上顯示監(jiān)控結(jié)果，同時通過工業(yè)以太網(wǎng)將監(jiān)控信息傳輸至地面監(jiān)控中心；井下各監(jiān)控分站根據(jù)自身控制邏輯，依據(jù)傳感器、行程開關(guān)等監(jiān)測結(jié)果做出水泵啟動、停機、報警等指令響應(yīng)。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 水泵房傳感器安裝

在東二盤區(qū)及東五盤區(qū)中央水泵房中的主、副水倉1號、2號小井位置各分別安裝一個投入式液位傳感器、一個超聲波液位傳感器，即在一個排水點布置兩個探測原理各不相同的傳感器，監(jiān)測結(jié)果相互印證，提高監(jiān)測結(jié)果可信度。在排水水泵入口、出口處分別安裝負壓、正壓傳感器，并安裝一個電動閘閥用以對水泵運行控制，安裝兩個電動球閥以便排真空。在水泵房安裝一個具有聲音及視頻監(jiān)控功能的防爆攝像頭，對水泵房內(nèi)的狀況進行監(jiān)控。具體的西區(qū)及東五盤區(qū)水泵房內(nèi)傳感器布置如圖3所示。

圖3 東二盤區(qū)及東五盤區(qū)水泵房內(nèi)傳感器布置示意圖

在西一、西二盤區(qū)等低壓排水點小井位置各安裝一個液位式水位傳感器，對小井水位進行監(jiān)測，在水泵進口、出口位置各安裝一個壓力傳感器，并在每個排水點都安裝一個具有聲音及視頻監(jiān)控功能的防爆攝像頭。具體布置如圖4所示。

圖4 西一及西二盤區(qū)水泵房內(nèi)傳感器布置示意圖

4 自動排水系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計采用模塊化，主要由一個主控制程序及若干個子控制程序構(gòu)成。主控制程序根據(jù)運行環(huán)境選擇調(diào)用子控制程序。具體的控制運行模式有：

4.1 檢修模式

該模式主要用于對控制系統(tǒng)及相關(guān)排水設(shè)備等進行檢修，主要功能包括控制設(shè)備啟停，檢修人員可以就地實現(xiàn)對水泵房水泵控制。當需要對某一臺水泵進行檢修時，主控制程序根據(jù)輸入指令調(diào)用相關(guān)子程序，維修人員就可以通過控制箱進行相關(guān)操作，控制有關(guān)指令輸出。

4.2 全自動控制模式

主控制程序在每一個循環(huán)執(zhí)行周期都會調(diào)用全自動控制子程序，根據(jù)監(jiān)測到的水位信息控制水泵運行。在控制模塊中內(nèi)置智能邏輯運算，根據(jù)水倉水位以及水泵運行狀態(tài)，智能決定水泵運行，降低能耗以及設(shè)備磨損。在全自動控制模式下可以對水位變化率進行識別，當發(fā)現(xiàn)水倉水位發(fā)生較大變化時，能夠提前控制水泵運行，做到主動預(yù)防。控制系統(tǒng)對水泵累計運行時間以及運行狀態(tài)進行記錄，合理選擇主水泵以及備用水泵，提升水泵的使用時限，降低設(shè)備磨耗。

4.3 半自動控制

該種控制方式是水泵自動排水系統(tǒng)的基本控制方式，在該種模式下，井下作業(yè)人員可以單獨對某臺水泵的運行進行控制，同時該水泵也可以根據(jù)傳感器監(jiān)測到的水倉水位信息自動運行，從而確保井下水倉水位標高。

5 組態(tài)軟件設(shè)計

該軟件主要是在地面監(jiān)控中心服務(wù)器上運行，主要作用是監(jiān)控井下水泵房各類設(shè)備運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)存儲、報表生成、輸出運行曲線等并對數(shù)據(jù)進行匯總存儲。在井下中央水泵房或者設(shè)備出現(xiàn)異常情況時，能夠發(fā)出聲光報警信號，并記錄報警信息。具體軟件運行框架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

6 結(jié)束語

在煤礦生產(chǎn)中，排水系統(tǒng)自動化控制對提升礦井現(xiàn)代化、信息化以及數(shù)字化控制具有重要促進意義，在保障礦井生產(chǎn)安全的同時也提升了礦井工作效率。井下水泵房自動化排水系統(tǒng)于2018年6月開始在中興礦應(yīng)用，不僅實現(xiàn)了井下水泵房的無人值守自動化排水，而且減少了井下巡查人員及操控人員數(shù)量，確保了整個排水系統(tǒng)平穩(wěn)正常運行，提高了礦井生產(chǎn)安全系數(shù)以及礦井經(jīng)濟效益。

圖5 組態(tài)軟件框架結(jié)構(gòu)