井下盤區泵房自動化排水系統的研究

趙 彤

（晉煤集團煤機制造事業部，山西 晉城048000）

1 項目背景

趙莊煤業中央水泵房于2014年進行了自動化排水改造，而盤區水泵房排水系統仍然采用傳統的人工手動排水方法，井下泵房排水系統運行時地面機房無法及時了解井下泵房的運行狀況，有問題不能及時發現、及時解決，不利于礦井的安全運行。對排水作業人員的精神體力消耗較大，人員利用率較低，對緊急事件反應速度較慢等。因此急需對盤區泵房進行自動化排水改造工作，研究一套可靠的泵房自動化排水系統，實現泵房的無人值守、安全運行，滿足煤礦日益增長的自動化監測要求，對進一步實現全礦井數字化、自動化、科學化、網絡化管理具有十分重要的意義。

2 項目方案

2.1 技術現狀

由于目前趙莊煤業盤區水泵房閥門均為手動式，需要在現場的工作人員手動去啟停泵，流程比較繁瑣，順序不能出錯，水泵啟動耗時較長，增加了工作人員的勞動量，如果設備出現故障，也不容易被及時發現；由于在達到啟停水位時，不能自動啟停，必須有值班人員卡點前去操作，如果值班人員沒有按時操作，安全排水就會存在隱患。所以，這種傳統的工作模式和現代化礦井的生產模式不能高度匹配，需建設一套盤區水泵房自動排水控制系統，使水泵排水實現操作簡單、系統穩定的同時又安全可靠。

2.2 提出方案

當前礦井發展趨勢為自動化、智能化、智慧化，也就是減人增設備，盡量在工作中多采用新技術，多使用新設備，來代替傳統的人工手動操作排水模式，最終實現泵房自動化排水系統與礦井自動化系統相融合，實現自動化開停泵。為此提出如下方案：泵房自動化排水系統的控制核心是PLC中央處理器。工作原理是利用檢測監控裝置采集數據，然后傳輸至傳感器和執行器，前提必須運行穩定，通過組態軟件平臺，接入工業以太環網，一套完整的自動化排水監控系統就建立起來了。此套系統可以對水位、水壓、水泵狀態、流量等參數進行準確測量，在地面就可以遠程監控，并通過雙回路排水控制裝置合理對水泵的運行進行調度，檢測監控裝置采集到的數據可以自動上傳、存儲和共享，這樣井下排水就實現了自動化和無人化。

2.3 方案對比

傳統的人工手動操作排水有著投入資金少，操作簡單易上手的優點，但排水效率不高，溢倉、燒泵、不上水現象時有發生，同時對定崗定時工作有較高要求，勞動強度相對較大。由于單崗作業，尤其夜班在工人瞌睡情況下，無法了解水倉是否滿倉，無法實時掌握水泵運行的真實情況，無法了解定崗司機的動態情況。而泵房自動化排水系統功能較完善，不僅可以實現自動化排水，而且泵房安裝有云臺攝像頭，從地面值班室就可以隨時了解井下泵房的所有情況，不需要每班派專人定崗，只需要每班派巡檢工查看現場情況，這樣可以減少人力資源的投入。同時，地面和井下都設有操作臺，通過監控畫面可以實時了解水泵運行參數，提前判斷水泵等設備有無故障，做到有備無患，可降低機電事故率，提高設備運行的可靠性、穩定性。

3 方案確定

根據方案設計思路，結合泵房自動化排水系統的性能與原理，經多次反復討論和調研，確定了趙莊煤業盤區泵房自動化排水系統技術方案。具體方案如下：系統以PLC為中央處理器控制核心，以數據采集監測監控裝置為載體，采用穩定可靠的傳感器和執行器，在組態軟件平臺的支持下，利用礦方已有的工業以太環網，建立自動化排水監控系統。實現地面遠程監控，現場手動控制，并準確測量水位、水壓、水泵狀態、流量等參數，并根據相關策略通過高壓啟動裝置合理調度水泵運行，實現數據上傳、存儲、數據共享，達到礦井排水系統的自動化和無人化。系統組成如圖1所示。

圖1 井下盤區泵房自動化排水控制系統框圖

由圖1可知，趙莊煤業井下排水監控系統規劃為：地面控制中心、網絡傳輸平臺、泵房數據采集/控制。

地面控制中心和操控站網絡發布服務器進行配置來傳遞參數和傳達命令，控制中心設置在運行工區監控中心，有利于實現人機交互，可以更好地儲存、展示圖形、報表、曲線等數據。系統運行的監測和維護、報警等任務也由地面控制中心來完成。

網絡傳輸平臺利用礦上建設的工業環網，礦用隔爆兼本質安全型雙回路排水控制器設備側都預留設計有通用的網絡接口，方便網絡數據輸入輸出。利用趙莊井下工業環網將雙回路排水開關中PLC收集的數據傳輸到地面控制中心，整個環網通信距離大約4 km以上。

井下泵房數據采集/控制配置礦用隔爆兼本質安全型雙回路排水控制器、各類傳感器、攝像機、顯示屏等，完成現場數據采集和監測。

系統通過實時采集閥門狀態、水倉水位、水泵電流電壓、水泵壓力、真空度、流量、水泵電機溫度等各項參數，對泵房整個排水系統進行邏輯控制，實現對排水系統的遠程就地、手動自動、工作檢修、語音發聲報警等一系列功能，真正實現對排水系統的全方位監控，保障系統無人值守下的運行安全。

4 經濟效益和社會效益分析

4.1 經濟效益

1）自動排水系統投入運行后可以在無人值守的情況可靠工作，減少工人水倉巡視的工作量，進而減少專職排水作業人員，可減少2名工人，減少10萬元/年的人力成本。

2）減人水泵專職值班1名，轉崗為水泵檢修人員，節省人力成本5萬元/年，減人泵房巡檢人員1名，轉崗為變電所巡檢人員，節省人力成本5萬元/年，共計減人2名，減少10萬元/年的人力成本。原工作內容及用時：入井1 h、開排水0.5 h、狀態查看0.3 h、關排水0.2 h、出井1 h，總計3 h，有效工作時間總計1 h。現工作內容及用時：開機登錄0.05 h、系統狀態查看0.03 h、開啟系統0.15 h、關閉系統0.1 h、其他工作0.2 h，總計0.53 h，有效工作時間總計0.28 h。由此可算出：（3-0.53）/3=82.3%，單人單班可降低82.3%的工作強度；（1-0.28）/1=72%，提高72%的工作效率。

3）可全面監測設備運行工況參數，及時發現事故隱患，預防和防止設備事故擴大，有效保護重要運行設備，提高設備的可靠性，以及提高突、透水事故排水的應急處理能力。

4.2 社會效益

自動化排水系統投入運行后可以在無人值守的情況可靠工作，減少專職排水作業人員，只需每班由變電所人員查看現場情況，避免出現溢倉現象，消除水災事故隱患。同時可以避免電機空轉導致的機電事故，進而降低設備故障率，減少設備投資，延長設備使用壽命，保障礦井的安全高效運行。

5 結論

該系統的應用，實現了趙莊煤業泵房的就地控制、自動控制及遠程控制功能。該系統采用防爆雙回路排水控制器為主要排水控制開關，地面下機電隊集控室可以查看各臺水泵的參數及運行狀態、網絡通訊情況，可以實現單臺就地控制和集中自動控制。通過井下顯示屏不僅可以查看主副水倉液位情況，而且還可以實現故障報警，及時提醒工作人員。下機電隊集控室通過排水系統組態軟件可以實現就地控制、遠程控制、自動控制等控制方式的切換，還可以查看水泵運行狀態、數據分析、參數配置、歷史曲線等信息。通過井下攝像頭可以自動跟蹤查看即將運行的水泵及周圍情況，還可以人工控制攝像頭查看泵房其他設備情況，隨時了解井下現場情況，確保水泵正常運轉。應用該系統后，可以實現排水系統的集成化、數字化、智能化、信息化，實現中央泵房的無人值守，將操作人員從繁重而又機械的操作任務中解放出來，有效保障排水設備的運行效率，同時降低設備故障率，為將來礦井其他系統的自動化應用提供理論基礎、相關經驗及數據。