煤礦井下工作面自動循環供水系統設計

劉翹楚（中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京100120）

由于采煤生產作業的特點，煤礦井下用水具有時間集中，用水量變化較大的特點。煤礦原有供水系統存在成本高，管網負責、距離遠、供水不穩定等多種問題；大型工作面單純依靠地面供水的方式往往不能滿足生產需要，為了確保生產系統對供水壓力、供水流量的要求，通常配套選型的水泵、電機功率余量較大，設備運行效率低；采用手工操作，人工調節必然導致設備運行滯后；水泵長期高速運行，容易造成機械磨損，減少設備使用壽命。

針對以上問題，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成一套全自動供水控制系統，根據管網的壓力，通過變頻器控制水泵的轉速，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導致壓力不足及小流量時能耗大的問題。經過實際運行證明，采用全自動調節的供水系統，不僅在節約電能、水壓穩定性、自動化先進可靠等方面，大大優于傳統的供水方式，并且明顯提高了設備使用壽命，保證了井下采煤工作面的正常生產需求。

文章在充分研究了煤礦井下供水系統特點的基礎上，設計了基于西門子S7-1500PLC 控制的變頻恒壓供水控制系統；采用本安型壓力變送器實時監測出水管路壓力值；并對系統流量、液位等信息進行實時采集；并輔以合理的水泵控制策略，保證整個系統運行的可靠性。

1 自動供水控制理論模型

自動供水控制系統以供水出口管網水壓恒定為控制目標，在控制上實現動態實時采集、實時跟蹤調節；以出水壓力、管道流量作為綜合判斷依據，并且建立控制模型。通過動態實時調節變頻器的輸出頻率，保證滿足管路供水壓力需求。供水系統示意如圖1所示。

圖1 供水系統示意圖

文章采用PLC 控制變頻器，實現煤礦井下自動供水控制。PLC是工業生產中最常見的控制器，其可靠的性能已經被廣泛認可，本系統選用西門子S7-1500 系列PLC，并且擴展了模擬量、數字量輸入輸出模塊。通過實時采集管路壓力、流量、水位、電機運行參數等信息，控制目標可以在“壓力優先”、“流量優先”、“混合控制”之間自由設置，滿足生產現場對供水的需求。

2 系統控制程序設計

圖2 控制程序設計流程圖

2.1 自動控制功能

本著水位優先的原則實現各個水泵的自動控制，當水位達到高位或不在低水位值時，允許水泵開啟，之后通過檢測管路的壓力值，從而自動調節變頻器的頻率，從而使設備在預設的壓力范圍內進行工作，當管路壓力過低時，可以將備用泵也開啟起來，實現穩壓。

2.2 手動一鍵控制功能

根據實際需要也可以從自動控制方式切換到手動控制方式。此方式下操作人員在操作臺上人工手動控制。可對單個設備進行啟、停操作但是水泵的頻率值需要人為設定，并且當水位過低時水泵無法開啟。

2.3 就地檢修控制

當設置為檢修模式時，可直接在開關上或設備附近的檢修就地控制箱上人工手動控制。因檢修方式閉鎖不投入只報警，故檢修方式只允許在檢修時進行操作。

系統預留了遠程通訊接口，接入礦井網絡后既可以采用C/S結構在固定計算機上顯示、操作，也可以采用B/S模式實現信息的web（IE）瀏覽。系統采用標準的數據庫（SQL）存儲底層工業設備運行數據。

3 基于西門子PLC控制自動循環供水控制系統

以安裝在各個地方的傳感器(礦用管道流量傳感器，壓力傳感器)和控制器(電動閥門裝置和電動球閥)為底層核心，內置智能彩屏工控機和西門子PLC；通過環網上傳地面，采用專業的上位機監控軟件，可遠程實時監測管道流量．壓力、閘閥開度，可方便檢測到故障點、快速遠程控制有故障的閘閥，保證工作面的生產，同時減少了大量的人力投入和資源的浪費，有效解決了上述問題。控制系統網絡示意圖如圖3所示。

圖3 控制系統網絡示意圖

4 結語

根據生產系統的實際需求，按照“壓力優先”、“流量優先”、“混合控制”之間自由設置，通過安裝在現場的壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器等不同功能傳感器構成一套全自動控制系統，通過PLC 控制系統采集后進行動態實時智能調節，同時可實現數據的上傳和遠程控制。通過現場實際運行證明，不僅在節約電能、提高供水穩定性穩定性、自動化先進可靠等方面，明顯優于傳統的供水方式，并且最大化發揮了水泵運行效率，明顯提高了設備使用壽命；徹底解決了傳統手工操作，人工調節導致設備運行滯后的現狀，對煤礦安全高效生產、礦井智能化具有重要意義。