煤礦井下工作面自動(dòng)循環(huán)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉翹楚（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京100120）

由于采煤生產(chǎn)作業(yè)的特點(diǎn)，煤礦井下用水具有時(shí)間集中，用水量變化較大的特點(diǎn)。煤礦原有供水系統(tǒng)存在成本高，管網(wǎng)負(fù)責(zé)、距離遠(yuǎn)、供水不穩(wěn)定等多種問題；大型工作面單純依靠地面供水的方式往往不能滿足生產(chǎn)需要，為了確保生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)供水壓力、供水流量的要求，通常配套選型的水泵、電機(jī)功率余量較大，設(shè)備運(yùn)行效率低；采用手工操作，人工調(diào)節(jié)必然導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行滯后；水泵長期高速運(yùn)行，容易造成機(jī)械磨損，減少設(shè)備使用壽命。

針對(duì)以上問題，本文提出以變頻器、PLC、壓力傳感器、液位傳感器、流量傳感器等不同功能傳感器構(gòu)成一套全自動(dòng)供水控制系統(tǒng)，根據(jù)管網(wǎng)的壓力，通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速，使水管中的壓力或流量始終保持在合適的范圍，從而解決因供水距離遠(yuǎn)導(dǎo)致壓力不足及小流量時(shí)能耗大的問題。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行證明，采用全自動(dòng)調(diào)節(jié)的供水系統(tǒng)，不僅在節(jié)約電能、水壓穩(wěn)定性、自動(dòng)化先進(jìn)可靠等方面，大大優(yōu)于傳統(tǒng)的供水方式，并且明顯提高了設(shè)備使用壽命，保證了井下采煤工作面的正常生產(chǎn)需求。

文章在充分研究了煤礦井下供水系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于西門子S7-1500PLC 控制的變頻恒壓供水控制系統(tǒng)；采用本安型壓力變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測出水管路壓力值；并對(duì)系統(tǒng)流量、液位等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；并輔以合理的水泵控制策略，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1 自動(dòng)供水控制理論模型

自動(dòng)供水控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓恒定為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)節(jié)；以出水壓力、管道流量作為綜合判斷依據(jù)，并且建立控制模型。通過動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，保證滿足管路供水壓力需求。供水系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 供水系統(tǒng)示意圖

文章采用PLC 控制變頻器，實(shí)現(xiàn)煤礦井下自動(dòng)供水控制。PLC是工業(yè)生產(chǎn)中最常見的控制器，其可靠的性能已經(jīng)被廣泛認(rèn)可，本系統(tǒng)選用西門子S7-1500 系列PLC，并且擴(kuò)展了模擬量、數(shù)字量輸入輸出模塊。通過實(shí)時(shí)采集管路壓力、流量、水位、電機(jī)運(yùn)行參數(shù)等信息，控制目標(biāo)可以在“壓力優(yōu)先”、“流量優(yōu)先”、“混合控制”之間自由設(shè)置，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場對(duì)供水的需求。

2 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

圖2 控制程序設(shè)計(jì)流程圖

2.1 自動(dòng)控制功能

本著水位優(yōu)先的原則實(shí)現(xiàn)各個(gè)水泵的自動(dòng)控制，當(dāng)水位達(dá)到高位或不在低水位值時(shí)，允許水泵開啟，之后通過檢測管路的壓力值，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的頻率，從而使設(shè)備在預(yù)設(shè)的壓力范圍內(nèi)進(jìn)行工作，當(dāng)管路壓力過低時(shí)，可以將備用泵也開啟起來，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。

2.2 手動(dòng)一鍵控制功能

根據(jù)實(shí)際需要也可以從自動(dòng)控制方式切換到手動(dòng)控制方式。此方式下操作人員在操作臺(tái)上人工手動(dòng)控制?？蓪?duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行啟、停操作但是水泵的頻率值需要人為設(shè)定，并且當(dāng)水位過低時(shí)水泵無法開啟。

2.3 就地檢修控制

當(dāng)設(shè)置為檢修模式時(shí)，可直接在開關(guān)上或設(shè)備附近的檢修就地控制箱上人工手動(dòng)控制。因檢修方式閉鎖不投入只報(bào)警，故檢修方式只允許在檢修時(shí)進(jìn)行操作。

系統(tǒng)預(yù)留了遠(yuǎn)程通訊接口，接入礦井網(wǎng)絡(luò)后既可以采用C/S結(jié)構(gòu)在固定計(jì)算機(jī)上顯示、操作，也可以采用B/S模式實(shí)現(xiàn)信息的web（IE）瀏覽。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫（SQL）存儲(chǔ)底層工業(yè)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。

3 基于西門子PLC控制自動(dòng)循環(huán)供水控制系統(tǒng)

以安裝在各個(gè)地方的傳感器(礦用管道流量傳感器，壓力傳感器)和控制器(電動(dòng)閥門裝置和電動(dòng)球閥)為底層核心，內(nèi)置智能彩屏工控機(jī)和西門子PLC；通過環(huán)網(wǎng)上傳地面，采用專業(yè)的上位機(jī)監(jiān)控軟件，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測管道流量．壓力、閘閥開度，可方便檢測到故障點(diǎn)、快速遠(yuǎn)程控制有故障的閘閥，保證工作面的生產(chǎn)，同時(shí)減少了大量的人力投入和資源的浪費(fèi)，有效解決了上述問題?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

4 結(jié)語

根據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)際需求，按照“壓力優(yōu)先”、“流量優(yōu)先”、“混合控制”之間自由設(shè)置，通過安裝在現(xiàn)場的壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器等不同功能傳感器構(gòu)成一套全自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過PLC 控制系統(tǒng)采集后進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳和遠(yuǎn)程控制。通過現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行證明，不僅在節(jié)約電能、提高供水穩(wěn)定性穩(wěn)定性、自動(dòng)化先進(jìn)可靠等方面，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的供水方式，并且最大化發(fā)揮了水泵運(yùn)行效率，明顯提高了設(shè)備使用壽命；徹底解決了傳統(tǒng)手工操作，人工調(diào)節(jié)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行滯后的現(xiàn)狀，對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)、礦井智能化具有重要意義。