顧秀江

貴州源興礦業(yè)有限公司，貴州晴隆 561400

煤礦井下中央泵房自動(dòng)化控制的應(yīng)用

顧秀江

貴州源興礦業(yè)有限公司，貴州晴隆 561400

井下中央泵房是煤礦企業(yè)的重要機(jī)電場所，對企業(yè)安全生產(chǎn)產(chǎn)生直接影響。本文將對當(dāng)前煤礦井下中央泵房的自動(dòng)化控制功能實(shí)現(xiàn)與具體工作環(huán)節(jié)進(jìn)行分析與闡述，發(fā)揮中央泵房自動(dòng)化控制在煤礦企業(yè)發(fā)展中的重要作用。

煤礦井下；中央泵房；自動(dòng)化控制

1 中央泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)概述

在本文提到的系統(tǒng)1650中央泵房中，共有5臺D280－65×5水泵，配用電機(jī)功率400kW、電壓6kV；聯(lián)絡(luò)閥門共15臺；水倉分為外倉、內(nèi)倉；排水管路Ф325鋼管3趟；采用真空泵和水射流進(jìn)行抽真空，且互為備用；日平均涌水量720m3左右。將主排水泵作為井下排水設(shè)備，包括水泵、電機(jī)、底座、配水閥、真空泵總成、止回閥、閘閥、真空表、壓力表、水位計(jì)等構(gòu)造。每臺水泵包括1臺電機(jī)、1個(gè)整體底座、3個(gè)閘閥、1個(gè)止回閥、1套真空泵、真空表和壓力表。

在該系統(tǒng)中，主要由PLC支持?jǐn)?shù)據(jù)自動(dòng)采集功能，將PLC模擬量的輸入模塊，通過傳感器功能，連續(xù)實(shí)行對水倉水位的檢測，轉(zhuǎn)換、處理水位變化信號，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)不同水段的水位上升情況，進(jìn)而判斷井下涌水量，控制排水泵的啟動(dòng)與停止。利用系統(tǒng)中的水泵軸溫、電機(jī)電流、電機(jī)溫度、排水管流量等，以監(jiān)測電機(jī)、水泵的運(yùn)行狀況，發(fā)揮監(jiān)控報(bào)警作用，避免水泵及電機(jī)損壞。在PLC數(shù)字量輸入模塊中，將各種信號采集到PLC中，并作為處理邏輯的依據(jù)與條件，實(shí)現(xiàn)對排水泵的控制。

2 煤礦井下中央泵房自動(dòng)化控制的功能實(shí)現(xiàn)

在該系統(tǒng)中，采取礦用一般型的控制柜，配以集中操作臺實(shí)現(xiàn)對水泵的自動(dòng)控制，在水泵房設(shè)一臺控制站。在每臺水泵旁設(shè)就地控制箱，除了就地實(shí)現(xiàn)每套水泵及設(shè)備的開停之外，還要實(shí)行就地/集控轉(zhuǎn)換。在該系統(tǒng)中，具備現(xiàn)場變成、簡單易操作、可擴(kuò)展輸入/輸出點(diǎn)數(shù)等特點(diǎn)，除了完成單機(jī)控制水泵功能之外，還可通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸接口模塊與設(shè)置在井下中央變電所的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，由井上調(diào)度中心監(jiān)控所有排水泵等被控設(shè)備。控制系統(tǒng)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，并具有漢字顯示功能，可自動(dòng)漢字提示故障信號和系統(tǒng)有關(guān)信息。

2.1 操作方法

在該系統(tǒng)中，主要分為遙控操作與手動(dòng)操作兩種方式，一般以遙控方式為主。一方面，遙控方式。通過地面控制器的遠(yuǎn)程設(shè)備控制，監(jiān)控各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行參數(shù)變化等。根據(jù)實(shí)際液位的高低、上水等狀況，再加上峰谷電價(jià)的因素影響等，自動(dòng)啟動(dòng)、停止水泵，實(shí)現(xiàn)水泵和閥門之間的聯(lián)鎖啟停，檢測各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如果發(fā)生故障則可自動(dòng)停機(jī)并提示報(bào)警，實(shí)現(xiàn)無人值守功能；另一方面，手動(dòng)方式。根據(jù)水倉中的水位情況，確定需要開啟的水泵臺數(shù)，可由操作人員在觸摸屏中手動(dòng)操作水泵，并作為故障檢修的主要方式。

2.2 液位控制

利用液位傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控煤礦井下水池液位。在高液位狀態(tài)下，無論是否峰谷電價(jià)時(shí)段，都可以根據(jù)自動(dòng)輪換原則，啟動(dòng)水泵。如果液位持續(xù)升高，則啟動(dòng)多臺水泵；在低液位狀態(tài)下，可無條件將所有泵停止。在水倉水位的保護(hù)裝置中，分別設(shè)置獨(dú)立液位計(jì)，作為備用，并在水倉壁中設(shè)置水位刻度尺，實(shí)時(shí)監(jiān)測。

在該系統(tǒng)中，選用超聲波液位傳感器，它具有高精度、非接觸式、非機(jī)械型、維護(hù)方便、安裝容易、標(biāo)定簡單等許多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)水位達(dá)到水位2時(shí)，若處于低計(jì)費(fèi)時(shí)段，可以立即啟動(dòng)，若處于高計(jì)費(fèi)段，則暫緩啟動(dòng)。當(dāng)水位繼續(xù)上升至水位3時(shí)，則不論電網(wǎng)如何，必須啟動(dòng)水泵。若水位繼續(xù)上升至水位4時(shí)，則表明一臺水泵的排水量已不足于排除礦井出水，必須啟動(dòng)第二臺水泵，兩臺水泵一齊排水，以礦井的最大排水能力來排除礦井出水。不論投入幾臺泵，水位必須下降到水位1方可停泵。上述水位1至水位4均由超聲液位計(jì)將模擬信號送入PLC，由PLC通過軟件標(biāo)定。分時(shí)計(jì)費(fèi)亦由PLC通過軟件標(biāo)定。

2.3 通訊功能

在該系統(tǒng)中，配備以太網(wǎng)通訊模塊及光纖以太網(wǎng)交換機(jī)等設(shè)備，可利用光纜記錄中央泵房中的水泵機(jī)組運(yùn)行狀況、參數(shù)、現(xiàn)場視頻、故障信息等，并上傳至地面控制室，再由地面控制室將信息公布到煤礦局域網(wǎng)中。管理人員經(jīng)過授權(quán)后，可在IE瀏覽器中登錄，又可通過任何一臺計(jì)算機(jī)連接局域網(wǎng)，進(jìn)入到用戶界面，查看相關(guān)信息，包括井下排水系統(tǒng)的工作狀態(tài)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、現(xiàn)場視頻、故障信息等，進(jìn)而全面掌握現(xiàn)場運(yùn)行狀況。另外，根據(jù)不同的授權(quán)等級，高級用戶還可遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)無人值守，確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 水泵設(shè)置

每臺水泵設(shè)置遠(yuǎn)控、自動(dòng)、手動(dòng)和檢修四種工作方式，工作方式可直接在本機(jī)上設(shè)定或由地面主機(jī)設(shè)定。當(dāng)水位達(dá)到高位或不在高位而處在用電低谷時(shí)間內(nèi)，將自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行泵，當(dāng)達(dá)到低位或不在高位而處在用電高峰時(shí)間內(nèi)時(shí)自動(dòng)停泵。當(dāng)水位達(dá)到上限水位時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)“運(yùn)行泵”及“備用泵”，直到水位低于高位時(shí)停止“備用泵”只運(yùn)行“運(yùn)行泵”， 當(dāng)達(dá)到低位或不在高位而處在用電高峰時(shí)間內(nèi)時(shí)自動(dòng)停泵。

2.5 峰谷電價(jià)控制

在該系統(tǒng)運(yùn)行過程中，根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷以及供電部門的平段、峰段、谷段等時(shí)間段控制，在水位不高的狀況下，盡量做到“削峰填谷”，合理設(shè)定開水泵與停水泵時(shí)間，合理應(yīng)用電網(wǎng)信息，提高煤礦電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。如果射流抽真空控制水泵的葉輪完全淹沒在水中，那么泵體內(nèi)就會產(chǎn)生一定的真空度，滿足正常排水需要。否則，真空度不足，泵內(nèi)仍存有空氣，那么可能出現(xiàn)各種故障。在該系統(tǒng)中，采取真空泵抽真空的方式，滿足系統(tǒng)運(yùn)行需要。

3 煤礦井下中央泵房自動(dòng)化控制的工作環(huán)節(jié)

在煤礦井下的中央泵房自動(dòng)化控制中，主要分為幾大工作環(huán)節(jié)，具體分析如下：

1）自動(dòng)注水

只有當(dāng)葉輪完全淹沒在水中，水泵中才能保持一定的真空度，確保正常排水。如果真空度不足，那么泵內(nèi)就會產(chǎn)生空氣，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)部件被燒壞或者不上水問題。因此，在設(shè)備啟動(dòng)之前，進(jìn)行自動(dòng)注水，是水泵工作的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。在本方案中，采取噴射泵或者底閥抽真空，利用高精度的真空傳感器，對真空度進(jìn)行監(jiān)測，其中流量與電流為真空度監(jiān)測的后備。

2）閘閥的操作

為了降低設(shè)備的啟動(dòng)功率，在操作水泵規(guī)程中，要求必須在出水閘閥關(guān)閉的狀況下使用離心式水泵。在停止運(yùn)行水泵時(shí)，為了減少水錘事故，應(yīng)將閘閥關(guān)閉，逐漸減少流動(dòng)速度，最終停車。。如果泵中已經(jīng)充滿水，以1號泵為例，具體實(shí)施過程為：先啟動(dòng)1號電機(jī)，將對應(yīng)電動(dòng)閥打開；停止后，現(xiàn)將電動(dòng)閥關(guān)閉，然后停止1號電機(jī)的運(yùn)行。

3）參數(shù)的傳輸

在操作臺的模擬屏上可模擬顯示水倉水位、水泵流量、水泵壓力及電動(dòng)機(jī)、電磁閥和電動(dòng)閥的各種工作狀態(tài)。所有的檢測參數(shù)及工作狀態(tài)均可由井下PLC通過傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送給地面計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)分析處理，在顯示器上模擬顯示，并做出曲線、報(bào)表，以利于地面管理人員作出正確判斷，向井下可編程控制器發(fā)出控制命令。

4）故障的保護(hù)

水泵電機(jī)容量大，耗電量高，屬一級負(fù)荷。因此，對排水設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性、可靠性要求較高。本系統(tǒng)設(shè)有以下幾種保護(hù)形式：（1）流量保護(hù)。當(dāng)水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行中，如流量達(dá)不到正常值，通過流量保護(hù)裝置使本臺水泵停車，轉(zhuǎn)為啟動(dòng)另一臺水泵；（2）電動(dòng)機(jī)故障。PLC監(jiān)視水泵電機(jī)欠壓、過流、短路等故障，由高壓開關(guān)柜的綜合保護(hù)器提供，并參與控制；（3）電動(dòng)閘閥故障。由電動(dòng)機(jī)綜保監(jiān)視閘閥電機(jī)的主要保護(hù)并參與控制。

5）電動(dòng)機(jī)控制

在這一環(huán)節(jié)中，是綜合自動(dòng)化控制排水系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，主要包括接觸器、中間繼電器和PLC。通過與前面幾個(gè)環(huán)節(jié)的配合，結(jié)合水位實(shí)際情況，決定水泵的開停。為了避免由于長期不使用備用閥而造成電機(jī)受潮或者其他故障，在緊急狀況下不能發(fā)揮效應(yīng)，甚至不利于礦井安全。因此，電動(dòng)機(jī)控制工作采取“輪換工作”，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、及時(shí)修理，提高礦井安全。該系統(tǒng)根據(jù)開啟水泵的次數(shù)，根據(jù)一定順序開啟水泵。如果檢查到某臺設(shè)備存在故障，則該水泵退出輪換程序，其余各泵繼續(xù)按照輪換工作制運(yùn)行。

總之，該套中央泵房自動(dòng)化控制系統(tǒng)，已經(jīng)逐漸投入使用，運(yùn)行狀態(tài)較為穩(wěn)定，便于操作，既可滿足井下排水要求，也提高了煤礦井下的自動(dòng)化管理水平，實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益，確保煤礦作業(yè)安全，具有一定的推廣價(jià)值。

[1]張廣龍，史麗萍.礦井中央水泵房綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式[J].煤礦機(jī)電，2005(4).

[2]趙孟，朱文軍，韓小慶.淺談礦井排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2010(5).

[3]吳同性.基于PLC及以太環(huán)網(wǎng)平臺的井下中央泵房自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù)，2010(5).

[4]宋其成，張建鵬.中央泵房遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制的研究與應(yīng)用[J].煤礦現(xiàn)代化，2009(A01).

[5]李劍峰.煤礦水處理設(shè)備微機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械，2007(12).

[6]米迎春.中央泵房水位顯示與自動(dòng)報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].中州煤炭，2009(7).

[7]武希濤，張浩，王亞麗.PLC在中央泵房遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[J].科技信息，2010(17).

[8]薛志剛.現(xiàn)代化礦井主排水泵自動(dòng)控制技術(shù)分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010(24).

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1674-6708（2011）57-0147-02