水泵房遠程集中控制系統設計應用

武永斌

（山西高平科興龍頂山煤業有限公司，山西 高平 048400）

1 高平科興龍頂山煤業副斜井水泵房概況

山西高平科興龍頂山煤業有限公司副斜井井底布置西翼水泵房主要分為主、副水倉，其中主水倉有效容量為1 400 m3、副水倉有效容量為800 m3；在水倉內安裝三臺型號為MD155-30×8型多級離心泵，流量為155 m3/h，額定揚程為240 m，電機功率為185 kW，工作電壓為10 kV；潛水泵安裝兩趟直徑為180 mm的無縫鋼管并與地面礦井水處理站連接。

西翼水泵房水泵供電電源主要來自西翼變電所10 kV不同母線段，采用三臺QJGR-75/10型礦用隔爆兼本質安全型高壓真空軟起動器控制水泵停送電。由于煤礦井下生產過程中產生的污水量大、積水速度快，井下水泵房排水設備需具有功率大、耗電量大等特點，而傳統井下排水設施主要利用人工控制啟停，無法實現遠程自動控制的目的，不僅勞動作業強度大、排水效率低，而且排水設施出現故障后無法及時進行處理，提升了排水設施故障率。為了解決這一技術難題，龍頂山煤礦決定對西翼水泵房控制系統進行優化改進，具體是安裝了一套遠程集中控制系統。

2 水泵房遠程集中控制系統設計

2.1 系統結構組成

水泵房遠程集中控制系統主要由工業以太網、PLC控制箱、隔爆兼本質安全型顯示箱、傳感器、電動閥門、地面遠程控制系統（包括上位機、配套監控及控制軟件等）等部分組成。

1）該系統利用工業以太網環網，將主排水自動控制系統與礦井工業以太環網中肩連接，從而實現了主排水系統工況數據通過工業以太網上傳至調動控制平臺，便于遠程控制、監測的目的[1]。

2）西翼水泵房共計安裝兩臺型號為KXJ660型隔爆兼本質安全型PLC控制箱，主要用于水壓、水溫及流量等數據的采集，對閘閥的開關情況、水泵電機運行情況、系統故障情況進行監控，并對各個閘閥、水泵電機等設備進行啟停控制。

3）隔爆兼本質安全型顯示箱型號為KXJ127（M），主要安裝在操控室內，顯示箱通過信號線與PLC控制箱進行通信，同時將水泵房系統運行數據上傳至上位機內，從而完成數據的采集[2]、臨時存儲及數據交換。

4）水泵內水位、水壓、水量等數據主要利用傳感器進行采集，然后將采集數據上傳至PLC控制箱內，控制箱及時對收集數據進行處理，并將處理結果作為控制閘閥、設備啟停的重要依據。

2.2 系統功能

1）遠程控制功能：該系統在地面設置了地面監控主站，并在主站內安裝一臺上位機，上位機內安裝組態軟件，從而可直觀顯示井下排水系統運行各類參數[3]，并可遠程控制系統運行。

2）無人值守功能：傳統排水系統通過人工啟停水泵，排水效率低、勞動作業強度大；而遠程集中控制系統根據水倉內水位變化自動控制水泵開啟，實現了水泵房無人值守的目的，并通過系統控制合理調度水泵運行，既降低了水泵故障率，又提高了排水效率[4]。

3）系統維護功能：該系統能夠實時對每一臺水泵的水泵流量、出水壓力、電機溫度、電機負荷等運行參數進行監測，并可根據系統工況參數對排水系統運行效率進行計算，從而提出合理有效的檢修維護方案。

4）通信功能：該系統主要利用工業以太網進行數據傳輸，各個設備具有網絡通信接口，從而保證系統可與礦井監控系統聯網，實現系統安全性高的目標。

3 系統控制模式及優點

3.1 控制模式

西翼水泵房安裝的遠程集中控制系統主要有檢修、一鍵開啟、自動、遠程四種控制模式，從而保證了系統運行的靈活可靠，便于檢修維護。若系統通信出現故障，相關人員可在本地操作系統，保證水泵正常運行，極大地提高了系統的穩定性。控制系統圖如圖1所示。具體介紹如下：

圖1 水泵房遠程集中控制系統示意圖

1）檢修：系統中具有檢修控制模式。檢修控制主要分為遠程檢修控制和就地檢修控制兩種，遠程檢修控制主要利用地面組態軟件直接控制；就地檢修控制主要利用隔爆開關上設置的檢修手柄，直接使系統完全脫離控制器，從而進行檢修維護[5]。

2）一鍵開啟：操控人員首先根據水倉內水位情況確定需要開啟的水泵數量，然后通過PLC控制箱開啟某臺水泵時，只需按下PLC控制柜上的啟動按鈕，系統就會自動完成水泵抽空、打開閥門等動作，從而實現獨立水泵一鍵開啟功能。

3）自動：操作人員通過PLC控制箱設置各類參數，然后利用傳感器收集的水位、水壓等數據，自動開啟一臺或多臺水泵進行排水動作，當水位下降后系統再次自動關閉水泵電源[6]，實現系統自動控制的目的。

4）遠程：操控人員在地面操控室通過組態軟件直觀地觀察每個水倉水位情況，以及每臺設備運行情況，確定需要開啟水泵的數量，然后按下上位機組態軟件開關按鈕，從而對井下水泵房水泵啟停進行遠程控制。

3.2 系統優點

1）降低勞動作業強度：該系統主要利用傳感器收集水倉內水位情況，利用PLC對各種水泵進行控制，并實時監測各個水泵工況情況及合理進行轉換，無須人工參與。與傳統排水系統相比，其大大降低了勞動作業強度[7]，保證了系統安全穩定運行。

2）穩定性強：為了防止集中控制系統因網路中斷、控制器故障等出現癱瘓現象，在集中控制的前提下保留了傳統手動控制模式。即當集中控制系統出現故障后，相關人員可通過手動繼續控制系統，保證井下排水系統正常運行。

3）實用性好：系統可對水泵房內各個設備工況情況進行實時監測、控制，平時利用地面控制系統對井下排水設備運行情況進行存儲，可供相關人員查詢、打印歷史記錄。遠程人機界面顯示內容豐富，簡單、易懂，實用性強[8]。

4）自動化水平高：該系統中嵌入多種控制策略，根據不同情況采取不同控制方式，同時系統在運行過程中能實時監測系統故障源，并自動修復，保證系統安全運行，降低系統故障率，大大提高了系統的智能化程度。

4 結論

2020年4月23日龍頂山煤礦西翼水泵房集中控制系統改造完成，4月28日投入使用，截至2021年4月通過1年實際應用效果來看，取得了顯著應用成效，具體如下：

1）提高了經濟效益：該系統投入使用后井下水泵房無須安排專人值守；與傳統排水系統相比，每天可減少作業人員達4人；降低了勞動作業強度，全年可節約勞動成本費用達28.8萬元；同時該系統投入使用后，系統故障率由原來的17%降低至4%以下，全年節約設備維修費用達42萬元。

2）提高了排水效率：集中控制系統投入使用后通過現場觀察發現，水倉積水容量控制在900 m3以下，未發生一起因系統故障出現的水泵房淹水事故。其大大提高了排水效率，保證了煤礦生產安全。