煤礦井下智能排水控制系統(tǒng)的應用

孫國龍

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

1 我國煤礦排水系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

煤礦井下在采掘施工過程中，地表水、構造水、老空水等水體通過各種通道進入采掘工作面內(nèi)，若不及時進行排出，很容易造成工作面積水現(xiàn)象，嚴重時會發(fā)生煤礦井下水災事故，通過有關數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，我國煤礦在生產(chǎn)過程中水害事故占總事故的28%，嚴重制約著煤礦安全高效生產(chǎn)，所以，煤礦井下采用安全穩(wěn)定排水系統(tǒng)，對煤礦水害防止具有重要意義。

目前，我國井下排水系統(tǒng)自動化水平相對落后，排水系統(tǒng)普遍存在計不合理、靈活性較差、可靠性不高、抗災能力差等問題，從而導致系統(tǒng)在排水過程中經(jīng)常出現(xiàn)故障。排水時勞動作業(yè)強度，不僅增加了排水系統(tǒng)維修費用，降低排水效率，而且無法滿足水文地質(zhì)條件復雜的礦井安全生產(chǎn)需求，因此，新景礦根據(jù)井下生產(chǎn)實際情況，對井下一采區(qū)排水系統(tǒng)進行優(yōu)化改造，安裝了一套智能排水控制系統(tǒng)。

2 智能排水控制系統(tǒng)結構及原理

2.1 智能排水控制系統(tǒng)結構組成

新景礦一采區(qū)安裝的智能排水控制系統(tǒng)，主要由地面監(jiān)控中心、局域網(wǎng)、井上光端子機、井下交換機、PLC 控制器、操控臺、傳感器、聯(lián)鎖開關、水泵系統(tǒng)登部分組成，如圖1 所示。

圖1 智能排水控制系統(tǒng)

1）地面監(jiān)控中心主要包括上位機、顯示器、打印機等部分組成，上位機內(nèi)安裝與S7-300 配套的STEP7 編程軟件，通過STEP7 編程軟件將井下排水系統(tǒng)運行狀態(tài)、水位情況、系統(tǒng)故障情況直觀地顯示出來，通過操控人員通過顯示界面可進行遠程控制[1-2]。

2）井上光端子機與井下交換機主要采用工業(yè)局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，與傳統(tǒng)布線系統(tǒng)相比，無線數(shù)據(jù)傳輸速度快，且解決了傳統(tǒng)布線時工序復雜、線路損壞現(xiàn)象嚴重等技術難題。

3）PLC 控制器共計三臺，一臺用于調(diào)度，且與水位傳感器進行連接，主要對水倉內(nèi)水位數(shù)據(jù)進行收集；另兩臺PLC 與主副水泵進行連接，主要控制水泵啟停動作，所有PLC 控制器與交換機進行連接，便于數(shù)據(jù)傳輸[3-4]。

2.2 工作原理

1）首先通過水位傳感器對水倉內(nèi)水位情況進行監(jiān)測，當水倉內(nèi)水位達到設計值時，水位傳感器及時收集水位數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度PLC 控控制器內(nèi)。

2）調(diào)度PLC 控制器接收水位數(shù)據(jù)后及時進行分析處理，并將處理結果傳輸至1 號水泵（主水泵）監(jiān)控PLC 控制器內(nèi)，通過PLC 控制器控制作用打開1號水泵進行排水。

3）當水倉內(nèi)水位下降至設計值時，水位傳感器再次將水位數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度PLC 控制器，控制器通過數(shù)據(jù)處理將信號傳送至1 號水泵監(jiān)控PLC 控制內(nèi)，通過控制器控制作用，斷開1 號水泵電源，水泵停止排水工作。

4）在排水過程中若1 號水泵出現(xiàn)故障時，1 號水泵監(jiān)控PLC 控制器及時將故障信號傳送至2 號水泵（副水泵）監(jiān)控PLC 控制器內(nèi)，控制器接收信號好通過控制作用及時打開2 號水泵進行排水。

5）水泵調(diào)度PLC 控制器數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)信號傳送至井下網(wǎng)路交換機內(nèi)，通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送至井口光端子機，然后在通過工業(yè)局域網(wǎng)傳統(tǒng)至地面操控室主機系統(tǒng)內(nèi)，主機系統(tǒng)通過STEP7 編程軟件將井下水泵工作狀態(tài)、水位情況以及設備故障情況直觀地顯示出來，便于工作人員參考。

3 智能排水控制系統(tǒng)主要功能

1）多種運行模式切換：智能排水控制系統(tǒng)主要有三種運行模式且相互獨立，另外，為了方便系統(tǒng)的檢修，設置現(xiàn)場控制優(yōu)先于遠程控制模式，手動控制模式優(yōu)先于自動控制模式[5]。

2）可視化控制：地面監(jiān)控系統(tǒng)可直觀地顯示井下系統(tǒng)運行情況，操控人員可通過界面進行相關參數(shù)修改，并對系統(tǒng)可進行遠程控制，實現(xiàn)了井下排水系統(tǒng)無人值守的目的，提高了排水系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。

3）水泵啟停自動化：該系統(tǒng)利用傳感器實時收集數(shù)倉內(nèi)水位情況，根據(jù)設定動作保護值，系統(tǒng)自動控制水泵啟停進行排水動作，無需人工開啟，大大降低了勞動作業(yè)強度，避免了傳統(tǒng)人工頻繁啟停排水系統(tǒng)，導致系統(tǒng)故障率高，排水效率差等技術難題。

4）系統(tǒng)保護功能：智能排水控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)故障自檢功能，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通過控制器及時將故障點及故障源上傳至地面操控室內(nèi)，工作面人員可及時對系統(tǒng)進行檢修維護。

5）水泵自動輪換功能：通過系統(tǒng)可實時掌握排水系統(tǒng)使用狀況及壽命情況，從而達到對每個水泵合理安排的目的，保證了水泵即不會處于長時間運行狀態(tài)，又不會導致水泵處于閑置狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

6）數(shù)據(jù)采集與顯示功能：在整個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集是重要環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)采集準確性直接影響著排水效果，通過對系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)進行精準采集分析，從而實時掌握設備運行情況。

4 應用效果

2020 年3 月11 日新景礦對井下一采區(qū)水倉安裝一套智能排水控制系統(tǒng)，截止10 月22 日，通過7個月實際應用效果來看，該系統(tǒng)投入使用后水倉管理人員由原來每天6 人減少為每天2 人，系統(tǒng)在運行過程中未出現(xiàn)故障現(xiàn)象，且該系統(tǒng)運行后實現(xiàn)自動排水的目的，降低了勞動作業(yè)強度，大大提高了井下排水自動化水平，取得了顯著應用成效。