梅花井煤礦環形水倉遠程自動化控制系統的研究與應用

劉小明

摘要：針對梅花井煤礦環形水倉排水占用人力資源嚴重、作業環境復雜、日常管理難度大的問題，對環形水倉的排水設備進行了自動化改造。通過工業以太網實現遠程控制，從而徹底改變了環形水倉傳統的人工排水方式，達到了自動化換人、減員提效的目的。

Abstract： Aiming at the problems that the drainage of the annular water storage in Meihuajing Coal Mine takes up a lot of human resources， the operation environment is complex， and the daily management is difficult， the drainage equipment of the annular storage is automatically transformed. The remote control is realized through industrial Ethernet， thus completely changing the traditional artificial drainage method of the ring water storage and achieving the purpose of automatic substitution， personnel reduction and efficiency improvement.

關鍵詞：遠程;自動化;控制;節約

1? 環形水倉水源

梅花井煤礦環形水倉的水源來自巷道淋水、探放水、設備冷卻水、沖洗巷道的水及供水管路漏水。

2? 環形水倉傳統排水模式存在的問題

環形水倉排水作業采用傳統人工排水模式：水泵工乘坐膠輪車、架空乘人器加步行到達環形水倉，觀察水位，水位達到上限時，操作現場的排水設備開始排水，期間觀察水位，當水位達到下限時，停止排水，排水停止期間，打掃現場的衛生或則等待，三班倒工作制。

采用傳統人工排水模式存在問題：

①每個環形水倉每天必須占用4名水泵工，3名水泵工三班倒，1名輪休，人力資源占用嚴重。

②井下排水作業環境復雜多變，悶熱潮濕，周圍充滿了危險源，作業環境惡劣。

③為避免水倉中水量突然增加造成巷道或設備被淹，水泵工嚴格執行現場交接班制度，因部分巷道至井口距離長，甚至接近10公里，單程需要1個小時，造成交接班時間長，人員在井下的單班作業時間接近10個小時，人員長時間作業，容易出現疲勞作業，發生安全事故。

④當水倉水位排至下限后，排水設備停止運行，水泵工也處于空閑狀態，單班有效作業時間少。

⑤人工誤操作或責任心不強，未嚴格按照標準作業流程排水作業，導致設備損壞或巷道被淹。

⑥對于設備工況的監測，全靠人工估量，沒有說服力，無法精掌握設備的狀況。

⑦排水過程中，設備出現故障后，不能立即停止設備。

3? 環形水倉遠程自動化控制系統

3.1 系統構建[1]

環形水倉自動控制系統由1臺礦用隔爆兼本安型信息傳輸接口、1臺礦用本安型投入式液位傳感器、2臺礦用本安型壓力傳感器、4臺礦用隔爆型電動球閥、1臺超聲波流量計、2個液位浮球開關構成。設備結構示意圖所示：如圖1。

礦用本安型壓力傳感器，用作監測水泵出水口側的壓力，并通過與水泵正常運行時的壓力值對比，判斷水泵運行是否正常。

礦用隔爆型電動球閥，啟動水泵電機前，打開連通供水管上的球閥，通過水泵注水孔向水泵內注水;打開連接水泵上排氣孔的球閥，排出水泵內的空氣;啟動水泵電機后關閉以上兩個球閥。

超聲波流量計，監測排水管路中水的流量，并通過與水泵正常運行時的流量值對比，判斷水泵運行是否正常。

液位浮球開關，通過測量鐵桶內的水深來判斷水泵注水是否滿。

礦用隔爆兼本安型信息傳輸接口為控制核心，內置處理器為西門子S7-1200可編程控制器，現場由西門子S7-1200可編程控制器采集傳感器信號，并按照設定的邏輯順序控制電動球閥及水泵電機的啟停。

3.2 環形水倉自動化排水的工作原理

①水泵啟動。液位傳感器上傳的數據大于設定的水位上限，注水電動球閥開，排空氣電動球閥開，當水泵和吸水管內注滿水，多余的水流進沿底部周圍有4個ф10mm小孔的鐵桶內，鐵桶內有液位浮球開關，當鐵桶內水位滿時，液位浮球開關顯示關閉，證明水泵注水滿，排空氣電動球閥關，注水電動球閥關，西門子S7-1200可編程控制器遠控水泵電機的礦用隔爆型電磁啟動器合閘，啟動水泵電機排水，出水壓力和流量大于參考值，水泵正常排水;否則，報故障，西門子S7-1200可編程控制器遠控水泵電機的礦用隔爆型電磁啟動器分閘，水泵電機停止工作[2]。

②水泵停止。

液位傳感器上傳的數據低于設定的水位下限，西門子S7-1200可編程控制器遠控水泵電機的礦用隔爆型電磁啟動器分閘，水泵電機停止工作。

3.3 遠程控制

環形水倉遠程自動化控制排水的核心——礦用隔爆兼本安型信息傳輸接口通過擴展工業以太網模塊CP343接入信息化系統，再經環網交換機上傳給遠程控制中心的工控機[3][4]，工控機上環形水倉的控制界面如圖2所示。

環形水倉遠程自動化排水共有三種控制模式：

開泵流程：開注水閥，點擊注水閥，選擇注水閥開即可→開排空閥，點擊排空閥，選擇排空閥開即可→滿水信號顯示后30s關排空閥→開電機，點擊水泵文字，選擇電機啟動，水流和電機動畫顯示出來→關注水閥，點擊注水閥，選擇注水閥關即可。

停泵流程：停止電機，點擊水泵文字，選擇電機停止→水流和電機動畫消失。

一般情況下，環形水倉排水采用全自動控制模式;當水倉排水需要人工干預時，采用自動控制方式;早班測試水泵或排查故障時，采用手動模式，對設備進行一一測試。

4? 應用效果

梅花井煤礦環形水倉遠程自動化控制系統自應用以來，每個環形水倉可節約4名水泵工，極大節約人力資源;再加上PLC程序的約束和自動化，投入使用以來從未發生一起因人為操作而造成設備損壞或因人為原因造成水淹巷道的事故。壓力傳感器、流量傳感器等傳感器提供數據，PLC程序監控排水設備的工況，當排水設備出現故障時，自動識別排水設備的故障，立即停止設備運行，保護了設備，并能為檢修工作提供工況數據，提高人工判斷故障的準確性和效率。

5? 經濟效益分析

5.1 人工成本節約

每個環形水倉每天需要4名水泵工，每名水泵工年平均收入11萬元，若環形水倉采用遠程自動化控制排水，環形水倉可實現無人值守，每個環形水倉每年可節省人工成本44萬元。

5.2 投資回收期計算

從表1中可以得出：每個環形水倉需要硬件投資6.71萬元。每個環形水倉每年人工成本可節約44萬元，投資回收期是6.71÷44×365=55.66天，即56天。

6? 結語

梅花井煤礦環形水倉遠程自動化控制系統的應用節約了人力資源，改善了排水人員作業環境，避免了人工誤操作造成淹巷道和損壞設備，達到了自動化換人、煤礦井下少人則安的目的，顯著地降低了人工成本，投資回收期短，經濟效益良好。

參考文獻：

[1]鄭華華.基于PLC的煤礦自動化排水控制系統設計[J].地下空間與工程學報，2018（12）.

[2]孔少華.井下排水遠程集控自動化系統的應用[J].地下空間與工程學報，2017（07）.

[3]曾言.煤礦井下排水自動化系統的創建研究 [J].電子世界，2016（05）.

[4]陳曉清.煤礦水泵自動化系統的開發和應用 [J].地下空間與工程學報，2018（02）.