煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)的改造研究

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)永定莊煤業(yè)有限責(zé)任公司水暖區(qū) 山西 037003）

由于人們對(duì)煤炭需求量的不斷上漲，便使得煤炭開(kāi)采量越來(lái)越大，這不僅使開(kāi)采技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，而且還使礦井的開(kāi)采深度越來(lái)越深，為此各個(gè)煤礦企業(yè)在井下安裝了大量的排水設(shè)備，以保證井下作業(yè)的安全、穩(wěn)定和可靠。不過(guò)，現(xiàn)階段煤礦井下排水設(shè)備的控制效果都不是很好，這主要是因?yàn)檫€沒(méi)有健全的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行體系，所以維修以及控制方面均需要人工進(jìn)行，在運(yùn)行過(guò)程中，如果同時(shí)開(kāi)關(guān)機(jī)，不僅會(huì)消耗掉大量的能源，而且還對(duì)應(yīng)急事故的反應(yīng)速度有影響，根本滿(mǎn)足不了自動(dòng)化、智能化的發(fā)展需求，所以必須建立一個(gè)自動(dòng)化水平極強(qiáng)的煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)，以達(dá)到對(duì)各個(gè)排水系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，并對(duì)控制方案實(shí)施良好的完善，這樣既能夠有效減少排水設(shè)備的耗電量，又能顯著增強(qiáng)排水設(shè)備的使用時(shí)間，以保證煤礦井下排水設(shè)備更加安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。

1.煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)的構(gòu)造

通常煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)的組成部分有兩個(gè)，分別為：井下泵房自動(dòng)控制單元以及地面監(jiān)測(cè)控制中心。對(duì)于井下泵房自動(dòng)控制單元來(lái)說(shuō)，是由控制箱、離心泵和傳感器構(gòu)成的，其作用是監(jiān)督和控制煤礦井下的排水設(shè)備。對(duì)于地面監(jiān)測(cè)控制中心來(lái)說(shuō)，是由計(jì)算機(jī)、顯示器及操作設(shè)備所構(gòu)成的，可隨時(shí)體現(xiàn)排水設(shè)備的運(yùn)行狀況以及積水情況，其作用是收集設(shè)備監(jiān)測(cè)、控制與終端數(shù)據(jù)的。一般煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)的中央控制處理器都應(yīng)用的是PLC，通信協(xié)議應(yīng)用的是IP/TCP網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效的傳送井下控制單元與地面監(jiān)測(cè)控制中心的信息，煤礦井下自動(dòng)排水設(shè)備控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖1所示。

圖1 煤礦井下自動(dòng)排水設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在煤礦井下自動(dòng)排水設(shè)備控制系統(tǒng)當(dāng)中，主要是借助PLC中央控制處理器來(lái)檢測(cè)和收集各個(gè)排水系統(tǒng)的信息與數(shù)據(jù)。通常煤礦井下自動(dòng)排水設(shè)備控制系統(tǒng)的運(yùn)行流程為：首先借助液位傳感器對(duì)井下積水區(qū)域的水位狀況實(shí)施有效的監(jiān)測(cè)，之后把監(jiān)測(cè)的信息借助變送器將其轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后通過(guò)模擬量數(shù)字信號(hào)以及開(kāi)關(guān)量數(shù)字信號(hào)的形式傳輸給PLC，其他信息也是以類(lèi)似的方式進(jìn)行傳輸?shù)模渲须娏鱾鞲衅鳌㈦妷簜鞲衅饕约皽囟葌鞲衅鞯鹊龋际菍⑴潘O(shè)備的溫度變化、電流變化以及電壓變化通過(guò)模擬量的形式傳輸給PLC；而流量傳感器是將水泵監(jiān)測(cè)到的排出水量通過(guò)數(shù)據(jù)通訊形式將信息傳輸給PLC。由此可見(jiàn)，各個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確程度是保障控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要部分，所以必須采用效率高、精度大、壽命長(zhǎng)的傳感器，以保證信息的準(zhǔn)確程度與可靠程度。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，要想保障信息的精確性，就必須把系統(tǒng)刷新期設(shè)在1s以?xún)?nèi)。一般系統(tǒng)對(duì)水泵的控制形式有四種，即遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、就地自動(dòng)控制與就地手動(dòng)控制。

（1）遠(yuǎn)程自動(dòng)控制形式。其形式是按照已經(jīng)設(shè)置完的控制程序自動(dòng)的控制水泵開(kāi)啟與關(guān)閉，所以在此形式中必須良好的設(shè)置水泵運(yùn)行時(shí)間，依據(jù)液位傳感器所收集到的積水區(qū)的水位狀況，自動(dòng)決定需不需要開(kāi)啟排水以及需要開(kāi)啟的水泵個(gè)數(shù)與相應(yīng)的水泵編號(hào)。如果水位忽然上漲，并大于了限制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，排水設(shè)備控制系統(tǒng)就會(huì)開(kāi)啟強(qiáng)排水功能。應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)水泵運(yùn)行狀況，只要發(fā)生故障就能立即發(fā)出警報(bào)，并根據(jù)邏輯程序?qū)嵤┙鉀Q。

（2）遠(yuǎn)程手動(dòng)控制形式。其形式只是對(duì)排水設(shè)備電機(jī)的開(kāi)啟與關(guān)閉進(jìn)行管控，其電機(jī)的開(kāi)啟與關(guān)閉是由操作人員進(jìn)行控制的，主要依據(jù)井下積水區(qū)域的水位狀況來(lái)決定開(kāi)啟的個(gè)數(shù)及編號(hào)。

（3）就地自動(dòng)控制形式。其在控制過(guò)程中，操作人員會(huì)先對(duì)積水區(qū)的水位狀況實(shí)施觀察，然后借助控制箱上的水泵啟停按鈕對(duì)排水設(shè)備展開(kāi)控制。

（4）就地手動(dòng)控制形式。其在控制過(guò)程中，操作人員會(huì)先對(duì)積水區(qū)的水位具體狀況展開(kāi)監(jiān)測(cè)，然后運(yùn)用控制箱上的啟停按鈕對(duì)排水設(shè)備展開(kāi)控制，在此形式當(dāng)中，會(huì)具有一定的排水流程，因此控制也會(huì)按照一定的順序展開(kāi)，其中閘閥和水泵電機(jī)需要手動(dòng)控制，以良好排水。

2.煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)的改造研究

為保證煤礦井下排水設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行，并全面實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的，便在排水設(shè)備控制系統(tǒng)當(dāng)中引用了“避峰就谷”的設(shè)計(jì)內(nèi)容，以更加完善煤礦井下排水設(shè)備，使其全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，跟上時(shí)代的發(fā)展步伐，充分滿(mǎn)足現(xiàn)階段煤礦井下安全、節(jié)能的作業(yè)要求。在對(duì)此控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們?cè)诜e水區(qū)的水位上設(shè)置了六個(gè)警戒點(diǎn)，將其分成了七個(gè)區(qū)段，最低點(diǎn)是1號(hào)警戒點(diǎn)，最高限制點(diǎn)是6號(hào)警戒點(diǎn)。通常設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，其積水區(qū)的水位應(yīng)當(dāng)處于1-5號(hào)警戒點(diǎn)，并且水位處于不同的警戒點(diǎn)時(shí)，其排水設(shè)備的開(kāi)啟個(gè)數(shù)也是不同的。按照排水設(shè)備控制系統(tǒng)的規(guī)定，應(yīng)先算出每個(gè)水位段水位上漲的平均速度，之后再算出這七個(gè)區(qū)段水位的平均上升速度，并把該數(shù)據(jù)保存在寄存器里，以用作積水區(qū)水位上漲的判斷依據(jù)。

另外，還應(yīng)在該控制系統(tǒng)中設(shè)置出涌水速率的信息庫(kù)，既應(yīng)設(shè)置出最大涌水速度，又應(yīng)設(shè)置出正常的排水速度區(qū)間，隨后記錄好每個(gè)區(qū)間水位的上升速率，并設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)限制，以自動(dòng)決定開(kāi)不開(kāi)啟排水以及需要開(kāi)啟的數(shù)量。要想使控制系統(tǒng)全面實(shí)現(xiàn)“避峰就谷”的目的，就必須借助PLC來(lái)完成，在PLC的寄存器上對(duì)應(yīng)著時(shí)鐘的時(shí)和分，然后在控制系統(tǒng)里分別制定出“峰段”“谷段”和“平段”，并把各個(gè)區(qū)段的時(shí)間均輸入到寄存器里，以使每個(gè)區(qū)段都有具體的時(shí)間，這樣在生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，排水設(shè)備控制系統(tǒng)就能自動(dòng)的控制排水設(shè)備，并在相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)內(nèi)實(shí)施排水工作。為保證煤礦井下工作順利、安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，只要積水區(qū)的水位高于6號(hào)警戒點(diǎn)的時(shí)候，無(wú)論其處于什么狀態(tài)，排水控制系統(tǒng)均會(huì)采取強(qiáng)制排水工作。

3.煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)改造的應(yīng)用效果

為清楚了解此排水設(shè)備控制系統(tǒng)的改造效果，便對(duì)某煤礦井下控制系統(tǒng)的不同機(jī)組在同種情況下的能源消耗情況展開(kāi)了比較以及分析，經(jīng)過(guò)比較能夠發(fā)現(xiàn)改造之后的水泵機(jī)組耗能明顯減少，原始水泵機(jī)組的能耗每條大概是37440W，而運(yùn)用改造之后的排水設(shè)備控制系統(tǒng)，其水泵機(jī)組的能耗每臺(tái)大概是17720W，改造后比改造前節(jié)省了52.7%左右的能源，其效果非常的明顯。

4.總結(jié)

通過(guò)上述內(nèi)容我們可知：隨著全球?qū)γ禾啃枰康牟粩嗌蠞q，使得煤炭開(kāi)采變得越來(lái)越多，就要求開(kāi)采技術(shù)變得越來(lái)越先進(jìn)，同時(shí)礦井的開(kāi)采深度也越來(lái)越深，由此各個(gè)煤礦企業(yè)就都在井下安裝了大量的排水設(shè)備，以保證井下安全、高效、可靠的作業(yè)。不過(guò)，現(xiàn)階段煤礦井下排水系統(tǒng)仍存在很大的問(wèn)題，尤其是監(jiān)測(cè)、控制和節(jié)能方面均具有嚴(yán)重的不足之處，所以必須對(duì)煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)進(jìn)行改造和優(yōu)化，以全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和節(jié)能化的發(fā)展目標(biāo)，并滿(mǎn)足現(xiàn)代化的發(fā)展要求。

因此，本文就對(duì)煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)展開(kāi)了良好的改造，先詳細(xì)的研究了煤礦排水設(shè)備控制系統(tǒng)的構(gòu)造，然后結(jié)合“避峰就谷”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，以全面實(shí)現(xiàn)了煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)的優(yōu)化目的。經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)能夠發(fā)現(xiàn)應(yīng)用煤礦井下自動(dòng)排水設(shè)備控制系統(tǒng)既能很大程度的實(shí)現(xiàn)排水設(shè)備自動(dòng)化與智能化的發(fā)展要求，又能很大程度的保證井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確程度與可靠程度。并且結(jié)合“避峰就谷”的控制形式以后，為保證煤礦井下工作順利、穩(wěn)定的運(yùn)行，只要積水區(qū)的水位高于6號(hào)警戒點(diǎn)，則無(wú)論其處于什么狀態(tài)，排水控制系統(tǒng)均會(huì)采取強(qiáng)制排水工作，這不僅使煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)變得更加節(jié)能，而且還給煤炭生產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)了極好的經(jīng)濟(jì)利益，可見(jiàn)煤礦井下自動(dòng)排水設(shè)備控制系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展非常可觀。