煤礦井下排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)

林斌

（華晉焦煤有限責(zé)任公司沙曲一號(hào)煤礦，山西 呂梁 033300）

1 泵房概述

1.1 泵房運(yùn)行模式

目前，國(guó)內(nèi)煤礦井下泵站的運(yùn)行大多采用的是傳統(tǒng)的人工操作方式，每個(gè)泵站要求有值守人員8人，當(dāng)觀察到水倉(cāng)水位達(dá)到一定高位時(shí)，人工手動(dòng)開(kāi)啟水泵往地面排水，當(dāng)水位達(dá)到一定低位時(shí)關(guān)閉相應(yīng)水泵。

1.2 存在問(wèn)題

人工操作開(kāi)停水泵存在的問(wèn)題：

1）無(wú)水倉(cāng)水位、水泵排水壓力、水泵軸承振動(dòng)、水泵溫度、運(yùn)行電流等參數(shù)的監(jiān)測(cè)，無(wú)法客觀地判斷水泵的運(yùn)行狀況，不能及時(shí)對(duì)水泵進(jìn)行檢修，導(dǎo)致水泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)于低效率區(qū)間。

2）無(wú)法實(shí)時(shí)判斷水倉(cāng)水位的變化率，涌水事件發(fā)生時(shí)，不能及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，并將水泵自動(dòng)起動(dòng)。

3）泵組維護(hù)、泵組故障分析沒(méi)有準(zhǔn)確、可靠的歷史數(shù)據(jù)可以查詢(xún)。

4）水泵啟停操作，均需水泵工于現(xiàn)場(chǎng)操作，水泵開(kāi)啟水位點(diǎn)及啟泵流程存在不規(guī)范的可能，且需三班值守，占用勞動(dòng)力多。

5）對(duì)各水泵的運(yùn)行時(shí)間沒(méi)有有效統(tǒng)計(jì)，無(wú)法做到水泵的均衡使用。

2 設(shè)計(jì)原則

以PLC控制為核心，將各種外圍配套設(shè)備監(jiān)控及環(huán)境影響因素都引入整體系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)采用各種數(shù)學(xué)模型，依據(jù)各種運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使各子系統(tǒng)執(zhí)行最優(yōu)運(yùn)行方案[1]。

根據(jù)礦井的不同使用要求，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定最佳方案。根據(jù)水倉(cāng)水位的變化，自動(dòng)完成排水泵引水、啟停、閥門(mén)開(kāi)關(guān)等一系列動(dòng)作。

1）根據(jù)電價(jià)區(qū)間，自動(dòng)根據(jù)“避峰填谷” “均勻磨損”原則運(yùn)行。

2）擁有“井下自動(dòng)” “遠(yuǎn)程操控” “井下手動(dòng)” “井下一鍵啟動(dòng)”等多種運(yùn)行模式。

3）手動(dòng)控制采用以就地控制柜為基礎(chǔ)的不依賴(lài)于PLC的純繼電控制。

4）根據(jù)涌水量大小、水泵性能曲線及管路特性曲線，計(jì)算水泵聯(lián)合運(yùn)行的最佳工況點(diǎn)，確定最佳開(kāi)啟水泵、管路參數(shù)和數(shù)量，確保水泵長(zhǎng)期在高效區(qū)運(yùn)行。

5）符合國(guó)家數(shù)字化礦山標(biāo)準(zhǔn)要求，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可嵌入數(shù)字化礦山平臺(tái)。

6）根據(jù)系統(tǒng)配置，真正意義上實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的“雙機(jī)熱備”功能。

7）可對(duì)井下各子系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視、報(bào)警、存儲(chǔ)、查詢(xún)及打印報(bào)表等操作。

8）具備Web發(fā)布瀏覽、手機(jī)App等多種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)手段。

9）系統(tǒng)與礦井綜合調(diào)度系統(tǒng)無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

3 系統(tǒng)模式

系統(tǒng)采用“分布式多CPU”的控制方式，系統(tǒng)配置2臺(tái)“PLC集中控制柜”和5臺(tái)“PLC就地控制柜”。每臺(tái)水泵對(duì)應(yīng)1套控制裝置。系統(tǒng)安全度高，其中，任意1臺(tái)“PLC控制柜”或者水泵出現(xiàn)問(wèn)題后，系統(tǒng)均可正常運(yùn)行，且存在問(wèn)題的水泵可單獨(dú)檢修，確保泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行[2]。

4 系統(tǒng)功能

4.1 系統(tǒng)工作模式

系統(tǒng)具有自動(dòng)/遠(yuǎn)程操控/手動(dòng)控制/一鍵啟動(dòng)4種工作模式。

自動(dòng)模式：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)設(shè)置，自動(dòng)啟停水泵，并動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備工作狀況和系統(tǒng)各種故障顯示。根據(jù)水倉(cāng)水位及其他因素，合理調(diào)度自動(dòng)開(kāi)停水泵及其閥門(mén)，在正常水位時(shí)，各臺(tái)水泵能自動(dòng)輪換工作，水位上升過(guò)快時(shí)，自動(dòng)投入必要數(shù)量的水泵運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行水泵出現(xiàn)故障時(shí)，能及時(shí)報(bào)警，并自動(dòng)開(kāi)啟備用水泵。

遠(yuǎn)程操控：操作人員可在控制室遠(yuǎn)程控制水泵機(jī)組的起停，其余動(dòng)作仍由PLC自動(dòng)執(zhí)行。

手動(dòng)控制：就地PLC控制柜配置手動(dòng)控制按鈕，選擇此模式的泵組，完全脫離PLC控制，系統(tǒng)不受監(jiān)測(cè)信號(hào)控制，需要手動(dòng)操作水泵的各個(gè)設(shè)備的開(kāi)停，相互動(dòng)作，互不閉鎖。

一鍵啟動(dòng)：在現(xiàn)場(chǎng)集中控制柜的觸摸屏上，人工確定開(kāi)泵臺(tái)數(shù)并選擇泵組的啟動(dòng)，電機(jī)及其閥門(mén)的起停由PLC自動(dòng)執(zhí)行。

4.2 檢測(cè)功能

檢測(cè)內(nèi)容包括：（1）水倉(cāng)水位檢測(cè)；（2）電機(jī)工作電流檢測(cè)；（3）電機(jī)溫度、振動(dòng)檢測(cè)；（4）水泵吸水管真空度；（5）水泵出水口壓力；（6）排水管路流量檢測(cè)。

4.3 保護(hù)功能

保護(hù)模式：自動(dòng)排水控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水的同時(shí)，原排水系統(tǒng)的手動(dòng)控制仍然有效，大大提高排水系統(tǒng)的可靠性，保證排水安全。

早期預(yù)警系統(tǒng)：根據(jù)科學(xué)的數(shù)據(jù)模型以及液位傳感器對(duì)液位的監(jiān)測(cè)，結(jié)合水倉(cāng)的結(jié)構(gòu)及容量準(zhǔn)確計(jì)算出涌水量，實(shí)現(xiàn)透水事故的早期預(yù)警。

可靠的真空引水：每臺(tái)泵組，使用射流引水方式引水，增加電動(dòng)功能，將原有的射流總管球閥改為DN50雙控半球閥，所有球閥均使用不銹鋼304材質(zhì)，保證抽真空系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

電氣保護(hù)：具有欠電壓、失壓、過(guò)電流、漏電、過(guò)負(fù)荷等全方位的電氣保護(hù)功能。同時(shí)通過(guò)通信將電流、功率、電壓信號(hào)及相應(yīng)的故障信號(hào)送入水泵自動(dòng)化系統(tǒng)，由系統(tǒng)判斷電路的工作狀態(tài)，如果流量、壓力達(dá)不到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)給出相應(yīng)判斷并轉(zhuǎn)換下1臺(tái)機(jī)組工作[3]。

4.4 節(jié)能功能

均勻磨損：系統(tǒng)自動(dòng)記錄各臺(tái)泵組的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，并進(jìn)行排序，下次啟動(dòng)時(shí)優(yōu)先啟動(dòng)無(wú)故障、運(yùn)行時(shí)間短的水泵投入使用，這樣就實(shí)現(xiàn)了水泵的均勻磨損，能最大限度地延長(zhǎng)泵組的使用壽命。

移峰填谷：當(dāng)電網(wǎng)執(zhí)行峰、平、谷階梯電價(jià)時(shí)，在保證礦井安全排水的前提下，系統(tǒng)在平、谷段低電價(jià)時(shí)排水，在峰段高電價(jià)時(shí)蓄水。設(shè)計(jì)原理如圖1所示。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，規(guī)定水倉(cāng)內(nèi)水位不能超過(guò)極限水位H5，當(dāng)設(shè)備在“谷段”起泵時(shí)，每次排水要求水位下降到停泵水位H1以下，可使水倉(cāng)在“峰段”時(shí)有較大空間容納涌水；而在“峰段”起泵排水時(shí)，在保證水位不超過(guò)極限水位H5的基礎(chǔ)上，只需要將水位排放至安全水位H4即可，這樣可以減少水泵在“峰段”時(shí)期的開(kāi)泵次數(shù)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。當(dāng)水位上升至H5超限水位時(shí)，不論電網(wǎng)負(fù)荷如何，必須立即啟動(dòng)水泵。若水位繼續(xù)上升，表明1臺(tái)水泵的排水量已不足以排除礦井出水，以礦井的最大排水能力來(lái)排除礦井涌水。不論投入幾臺(tái)水泵，水位必須下降到停機(jī)水位H1后方可停泵。

圖1 水倉(cāng)控制水位示意圖

效率優(yōu)先原則：當(dāng)執(zhí)行多臺(tái)泵組多趟排水管聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，通過(guò)圖2（效率優(yōu)先原則：當(dāng)執(zhí)行多臺(tái)泵組多趟排水管聯(lián)合運(yùn)行時(shí)，通過(guò)圖2（η為水泵效率，H為揚(yáng)程）的比較，選擇最佳匹配水泵與排水管數(shù)量，保證水泵在最佳效率點(diǎn)運(yùn)行。）的比較，選擇最佳匹配水泵與排水管數(shù)量，保證水泵在最佳效率點(diǎn)運(yùn)行。

圖2 水泵特性曲線與管路特性曲線圖

4.5 通信功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)子系統(tǒng)接口規(guī)范，采用TCP/IP、MODBUS、OPC通信技術(shù)，提供工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信接口，使該系統(tǒng)可以非常容易地并入礦井綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，與其他子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享[4]。并且可與其他子系統(tǒng)共用井下光纖環(huán)網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸通道，減少子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸線路，從而節(jié)約成本。

4.6 遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)

多數(shù)工業(yè)泵用戶幾乎沒(méi)有系統(tǒng)的科學(xué)的維修預(yù)報(bào)能力。大部分工業(yè)泵用戶處于應(yīng)急維修、定期大修。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和人工巡檢的混合模式。巡檢是周期性的，不同用戶的周期不同。但是，故障有可能發(fā)生在2次檢查之間。將泵的各種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、甄別和分析方法、診斷依據(jù)、保護(hù)邏輯內(nèi)置于云服務(wù)器中，可替代人工智能實(shí)現(xiàn)對(duì)泵設(shè)備狀況不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行傅立葉分析，診斷和維修預(yù)警。通過(guò)設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維模塊，只要在有網(wǎng)絡(luò)的地方就可以隨時(shí)訪問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀況，分析處理系統(tǒng)異常原因，提供遠(yuǎn)程技術(shù)指導(dǎo)，統(tǒng)計(jì)分析水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)，提供水泵壽命預(yù)測(cè)及專(zhuān)家分析等功能。根據(jù)水泵運(yùn)行工況，提供泵組“健康”報(bào)告。提前評(píng)估水泵健康狀態(tài)，提前安排維修工作，盡量減少停機(jī)時(shí)間和產(chǎn)量損失。

5 結(jié)語(yǔ)

煤礦井下排水自動(dòng)化控制系統(tǒng)的運(yùn)用提升了礦山運(yùn)行的自動(dòng)化水平，促進(jìn)了整個(gè)煤礦行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。我們需要有效地利用現(xiàn)有資源，不斷對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與完善，切實(shí)發(fā)揮出自動(dòng)化控制系統(tǒng)的作用，使煤礦產(chǎn)業(yè)得以安全、高效地運(yùn)行。