智能化、自動化控制技術在煤礦井下主排水系統(tǒng)中的應用

曹帥 湯家府 劉正軍

摘要：煤礦井下主排水系統(tǒng)結構較復雜，利用計算機網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)場總線分布技術實現(xiàn)對井下基礎設施的自動化改造，使其在無人監(jiān)管的情況下實現(xiàn)系統(tǒng)自動化操作和獨立偵察功能，同時選用工業(yè)控制計算機、自動操縱水泵、電磁閘閥、傳感器等設備，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。本文針對現(xiàn)階段煤礦井下主排水系統(tǒng)常用排水泵的性能特征及其測控技術，分析以可編程邏輯控制器（PLC）為核心，能應用在煤礦井下的一種智能化自動化排水控制系統(tǒng)的工作原理和結構組成相關內(nèi)容，以此提升煤礦井下主排水系統(tǒng)在遠程監(jiān)控、網(wǎng)絡化控制、自動化、智能化方面的綜合管控水平，增強系統(tǒng)的可靠性和安全性。

關鍵詞：控制技術；煤礦；主排水系統(tǒng)

DOI：10.12433/zgkjtz.20231935

目前，我國多數(shù)大中型煤礦企業(yè)的井下主排水系統(tǒng)依然采取人工手動控制模式，系統(tǒng)的操作流程趨于模式化，容易出現(xiàn)管理漏洞，此環(huán)節(jié)信息傳遞速度明顯降低，導致礦山整體數(shù)字化、自動化管理目標未能落實。通過大量查閱相關案例文獻資料，結合現(xiàn)場調(diào)研所得基礎信息，與煤礦井下主排水系統(tǒng)智能化自動化發(fā)展的行業(yè)趨勢，基于煤礦企業(yè)井下主排水系統(tǒng)的自動化控制管理發(fā)展現(xiàn)狀，綜合考慮實際功能指標需求，研究設計出一套可行性較強的系統(tǒng)總方案，構建起以PLC為核心，同時結合視頻通訊、傳感器技術、網(wǎng)絡監(jiān)控技術、語音報警、自動啟停水泵和切換故障機組等多項功能為一體的智能化、自動化主排水控制系統(tǒng)，包含地面信息監(jiān)控中心、井下監(jiān)控分站兩個據(jù)點，實現(xiàn)對主排水系統(tǒng)運營的全方位、全過程監(jiān)控。

一、遠程集中控制系統(tǒng)的相關技術要求

（一）保護功能技術要求

遠程集中控制系統(tǒng)對煤礦井下主排水系統(tǒng)具備的保護功能包括水位突變報警功能保護、水位超限功能保護、傳感器故障功能保護、溫度異常報警功能保護、排水量異常報警功能保護，當系統(tǒng)在運營狀態(tài)中，功能保護參數(shù)一旦超過設定值最高范圍，就會自動觸發(fā)系統(tǒng)的水泵停止功能，系統(tǒng)自動發(fā)出語音報警，傳達至井下監(jiān)控分站點和地面信息監(jiān)控中心，由技術工作人員進一步了解報警裝置的詳細功能環(huán)節(jié)，以便采取針對性措施解決問題，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，讓井下作業(yè)生產(chǎn)操作具備充足的安全性。

（二）數(shù)據(jù)采集、檢測功能技術要求

利用PLC和多項智能化信息技術搭建而成的井下遠程集中控制系統(tǒng)具備遠程采集數(shù)據(jù)信息，完成設備功能檢測的功能，因為煤礦井下主排水系統(tǒng)結構組成較復雜，電機使用時的溫度、水泵吸水狀態(tài)下的真空度、泵體運行溫度、水位水倉指標、電動閘閥運行時的開合及其工作狀態(tài)，需要技術人員詳細記錄參數(shù)，確保遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)各項數(shù)值參數(shù)的真實性，促使設計出更加切實可行的遠程集中監(jiān)控軟件。此外，為滿足煤礦企業(yè)對井下主排水系統(tǒng)遠程集中控制技術的實際應用需求，需要技術人員在設計智能化、自動化主排水系統(tǒng)方案之初，綜合考慮數(shù)據(jù)采集、功能檢測方面內(nèi)容的合理性，對系統(tǒng)電機運行狀態(tài)的影響性，保證水泵電機的可靠性，一旦發(fā)現(xiàn)水泵電機出現(xiàn)高壓啟動柜故障或分閘現(xiàn)象，必須記錄在案，并分析問題產(chǎn)生的具體原因，及時采取解決措施，完善系統(tǒng)方案。

（三）控制功能技術要求

煤礦井下主排水系統(tǒng)遠程集中控制系統(tǒng)的主要控制功能包括自動控制、自動檢修控制、半自動控制、手動控制四項。該系統(tǒng)在日常運行過程中，經(jīng)常處于智能化自動管控模式，所以上述四項均為系統(tǒng)的正常操作狀態(tài)，多方兼顧才能確保系統(tǒng)在特殊情況、實際情況狀態(tài)下，都能實現(xiàn)對井下主排水系統(tǒng)的高效控制和故障處理。其中的自動檢修控制模塊具備自主診斷系統(tǒng)各項故障的功能，可以第一時間判斷故障發(fā)生時電機進出口的壓力值及電流量參數(shù)，分析故障的具體產(chǎn)生原因，進行語音報警提示，確保地面信息監(jiān)控中心可以獲得主排水系統(tǒng)運營相關參數(shù)及故障成因，提高技術人員處理系統(tǒng)故障的實效性。利用以太網(wǎng)搭建的內(nèi)部自動化綜合網(wǎng)絡技術平臺，可進一步修復和完善遠程集中控制系統(tǒng)和遠程通訊設備，借助視頻監(jiān)控模式，將井下主排水系統(tǒng)的現(xiàn)場運行情況實時傳遞給技術人員，全程監(jiān)控水位上漲速度，在滿足井下排水作業(yè)要求的基礎上，監(jiān)測水泵的平均備用時間，進而實現(xiàn)井下安全生產(chǎn)。

二、煤礦井下智能化、自動化主排水系統(tǒng)的工作原理及結構組成

（一）工作原理

第一，利用水位傳感器可以實時監(jiān)測水倉內(nèi)部的水位情況，如果水倉水位值達到系統(tǒng)設計的峰值，水位傳感器就會搜集此狀態(tài)下的數(shù)據(jù)值，將參數(shù)信息第一時間上傳到PLC控制柜裝置上。

第二，由PLC控制柜及時分析和處理接收到的水倉水位信息數(shù)據(jù)，將結果傳送至監(jiān)控主水泵（1號機位）PLC控制器內(nèi)，直接利用PLC控制器的遠程監(jiān)控作用，操作打開主水泵完成排水處理。

第三，直到水倉水位排放至系統(tǒng)設計峰值范圍內(nèi)，水位傳感器就會再次啟動水位數(shù)據(jù)信息傳送功能，將此狀態(tài)下的水位信息參數(shù)傳送至PLC控制柜，經(jīng)信息數(shù)據(jù)分析處理上傳至監(jiān)控主水泵的PLC控制器內(nèi)，再利用PLC控制器的遠程監(jiān)控作用，完成切斷主水泵電源的操作，實現(xiàn)遠程控制水泵停止排水的功能。

第四，煤礦企業(yè)井下智能化、自動化主排水系統(tǒng)在實際運行過程中，如果出現(xiàn)主水泵故障，需要及時監(jiān)控主水泵的PLC控制器以及故障信號，第一時間傳送給監(jiān)控副水泵（2號機位）的PLC控制器內(nèi)，以此確保PLC控制器接收信號的有效性和及時性，讓系統(tǒng)啟動應急預案，打開副水泵完成排水及后續(xù)相關工作。

第五，遠程集中控制系統(tǒng)調(diào)動水泵PLC控制器完成水倉水位數(shù)據(jù)信息分析處理工作后，要及時將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息結果傳輸給井下交換機，利用工業(yè)以太網(wǎng)技術將其上傳至井口光端子機，最后借助工業(yè)局域網(wǎng)將結果傳送至地面控制中心操控室的主機系統(tǒng)中，經(jīng)由主機系統(tǒng)內(nèi)設置的STEP7邏輯編程軟件，直觀顯示井下的水倉水位真實情況、水泵運行工作狀態(tài)、設備故障點及處理方案等，以便技術人員參考這些數(shù)據(jù)信息，及時控制系統(tǒng)各項參數(shù)，確保井下主排水系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

（二）結構組成

礦區(qū)采用的智能化、自動化主排水系統(tǒng)由PLC控制柜、局域網(wǎng)、連鎖開關、井下交換機、溫度傳感器、地面監(jiān)控中心、遠程操控臺、水泵系統(tǒng)登錄、超聲波流量計、超聲波液位計、視頻監(jiān)控裝置以及光纖電纜等結構共同組成，其中的井下交換機和井上光端子機通過工業(yè)局域網(wǎng)完成各項數(shù)據(jù)消息的傳輸，相較于傳統(tǒng)井下主排水系統(tǒng)的布線方式，無線數(shù)據(jù)在信息傳播速度、布線工序、線路損壞等方面更具優(yōu)勢，可直接攻克煤礦企業(yè)以往在井下主排水系統(tǒng)控制方面存在的線路損壞、布線復雜、信息數(shù)據(jù)傳輸過慢等技術難題，提升井下主排水系統(tǒng)相關裝置運行參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測水平。地面監(jiān)控中心包括打印機、顯示器、上位機等裝備，上位機內(nèi)部安裝了可以與S7－300相匹配的STEP7邏輯編程控制軟件，呈現(xiàn)井下的實際水位情況、排水系統(tǒng)的真實運行狀態(tài)、系統(tǒng)的故障情況等，便于指揮中心操控人員借助顯示界面遠程監(jiān)督井下主排水系統(tǒng)。

PLC控制柜一共連接三臺設備，其中一臺主需要連接溫度傳感器，用來搜集水位水倉數(shù)據(jù)信息，完成調(diào)度工作，兩位兩臺連接主泵和副泵，用來控制井下水泵的啟動、停止操作動作，需要注意的是，所有與PLC控制柜相連接的設備必須同步連接好井下交換機，以此實現(xiàn)對井下主排水系統(tǒng)智能化、自動化運營數(shù)據(jù)的實時傳輸。

三、煤礦井下智能化、自動化主排水系統(tǒng)軟件的功能應用

（一）設計總方案

智能化、自動化煤礦井下主排水系統(tǒng)在規(guī)劃設計總方案時，要綜合考慮自動化控制體系、排水體系、中央泵房設計三項重點內(nèi)容，由PLC控制柜和遠程集中控制系統(tǒng)，控制井下自動排水體系，中央泵房設計控制為整個系統(tǒng)的CPU重點模塊，系統(tǒng)整體屬于全自動控制管理狀態(tài)，無需工作人員值守，因此，還要加強半自動系統(tǒng)控制模式下的井下排水實時監(jiān)控操作功能，確保此運行狀態(tài)下不會耽誤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度與準確性，真正實現(xiàn)對井下智能化、自動化排水的動態(tài)實時監(jiān)控，提升井下排水作業(yè)的效率。

此外，設計總方案還包括硬件設計和軟件設計兩個部分：

第一，硬件設計。主要包括PLC選型和應用，由于PLC控制器存在較大的邏輯編程空間，需要技術人員根據(jù)智能化、自動化煤礦井下主排水系統(tǒng)的真實排水量，選擇較佳硬件裝置完成系統(tǒng)的科學配置，確保系統(tǒng)全部設備的遠程集中控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運營，保障系統(tǒng)的安全性和可靠性，實現(xiàn)井下水泵使用情況、水倉水位情況相關信息的實時傳遞。

第二，軟件設計。包括水泵啟動、停止設計、操作方式設計、水泵數(shù)量設計等，操作方式設計必須滿足井下智能化、自動化系統(tǒng)的運行狀態(tài)，還要具備多種操作模式自由切換的功能。井下排水量存在較大的變動性，因此在設計水泵數(shù)量時，要結合礦井實際需求排水量，科學設置水泵數(shù)量及啟動和停止參數(shù)。

（二）功能應用

煤礦井下智能化、自動化主排水系統(tǒng)軟件必須具備的關鍵功能包括：

第一，可視化控制功能。確保地面監(jiān)控中心操控室的操控工作人員可以直觀通過系統(tǒng)界面相關參數(shù)的調(diào)動、修改，對井下主排水系統(tǒng)實施高效的遠程集中監(jiān)控手段，實現(xiàn)井下排水作業(yè)無人值守、自主操控的目標。

第二，多運行模式自由切換功能。系統(tǒng)設計時，必須滿足現(xiàn)場控制＞遠程控制、手動控制＞自動控制的雙效系統(tǒng)運行管理控制模式。在日常系統(tǒng)正常運行情況下，四項控制模式之間相互獨立、互不影響，以自動化控制、遠程智能化控制為主；但在運行過程中，一旦發(fā)生不可抗力因素的影響，系統(tǒng)突發(fā)故障，要以手動控制、現(xiàn)場控制為主。不管采取何種控制方式，以確保主排水系統(tǒng)穩(wěn)定運行為準則，最大程度上保證井下生產(chǎn)作業(yè)的安全性為基本原則。

第三，系統(tǒng)保護功能。該系統(tǒng)具備絕對的自動性和智能性，具有技術成熟的設備故障自檢功能，以便設備在運行過程中出現(xiàn)故障時，及時利用PLC控制器上傳故障源、故障點等內(nèi)容，便于控制中心操作人員及時檢查和修復系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

第四，水泵啟動、停止自動控制功能。利用傳感器完成對井下水倉水位的實時數(shù)據(jù)搜集工作，根據(jù)系統(tǒng)設計峰值，自動控制井下水泵的啟動排水、停止切斷電源等，既能降低工作人員的勞動強度，又能避免以往人工無數(shù)據(jù)參考頻繁啟動、停止水泵而造成的系統(tǒng)多發(fā)故障，攻克井下排水效率較差的技術難題。

第五，數(shù)據(jù)的自動采集和顯示功能。借助系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測功能，可以提升井下主排水系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)采集的真實性與準確性，系統(tǒng)分析各項數(shù)據(jù)的潛在信號，確保地面控制中心操控室接收的信息參數(shù)準確顯示在上機位中。

第六，水泵自動輪換使用功能。監(jiān)控系統(tǒng)全程監(jiān)管各項設備的運行狀態(tài)及使用壽命，以便系統(tǒng)合理安排主、副水泵，確保每個水泵不會長期處于閑置無用狀態(tài)和持續(xù)運行狀態(tài)，以此增加每個水泵的使用壽命，提升排水系統(tǒng)的運行可靠性。

（三）應用實效

經(jīng)調(diào)研，某礦于2020年3月中旬安裝并應用智能排水控制系統(tǒng)，對井下主排水進行自動化遠程集中控制，截至同年10月中旬的應用實效看，采用此系統(tǒng)后，取消了該煤礦井下排水泵房司機，運行過程中未出現(xiàn)任何系統(tǒng)故障，既節(jié)省了人力投入資源，又實現(xiàn)了高效的井下自動排水控制目的，應用效果顯著。

四、結語

綜上所述，煤礦井下主排水系統(tǒng)作為煤礦企業(yè)基礎設施裝置的一種，運行穩(wěn)定性直接決定著生產(chǎn)作業(yè)的可靠性和安全性，但現(xiàn)階段多數(shù)煤礦企業(yè)仍采取人工控制方式實現(xiàn)對水泵的啟、?？刂疲磻米詣踊悄芑刂剖侄芜h程監(jiān)控水泵，沒有搜集水泵的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和運營狀態(tài)的遠程管理。基于此，煤礦企業(yè)要保證開采作業(yè)效率的基礎上，確保排水穩(wěn)定性，必須加大對主排水系統(tǒng)的集中統(tǒng)一控制力度，積極改造自動化智能化控制裝備，盡早實現(xiàn)對主排水系統(tǒng)的無人值守和全過程監(jiān)控。煤礦企業(yè)通過優(yōu)化設計主排水系統(tǒng)智能化、自動化應用水平的方式，可以實現(xiàn)企業(yè)對供排水系統(tǒng)的實時監(jiān)測，既能解放操作人員的雙手，減少工作量，提升排放效率，又能增強泵房運營的穩(wěn)定性和安全性，縮減泵房和主排水系統(tǒng)的設備維護成本，延長設備的使用壽命。

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作者簡介：曹帥（1995），男，山東省鄒城市人，本科，助理工程師，技術員，從事煤礦機電技術工作，主要研究方向為礦井主提升、主通風、主排水系統(tǒng)。