王偉鵬

（陽(yáng)煤集團(tuán)供應(yīng)處， 山西 陽(yáng)泉 045000）

1 自動(dòng)化煤礦排水系統(tǒng)的功能需求

排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是為了保證煤礦采礦和輔助運(yùn)輸?shù)陌踩?。煤礦排水系統(tǒng)的可靠運(yùn)行對(duì)煤礦生產(chǎn)安全起著至關(guān)重要的作用。在煤礦排水系統(tǒng)中，因?yàn)榭刂频淖兞烤哂蟹蔷€性特征，時(shí)滯和不確定性，所以，多年來(lái)煤礦排水系統(tǒng)一直無(wú)法建立有效的指示變量運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特征的數(shù)學(xué)模型，缺失傳統(tǒng)控制的分析基礎(chǔ)[1]。由于，信息技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、溫度傳感器技術(shù)在早年間并不發(fā)達(dá)，所以需要以人為操作經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，而不是控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。排水系統(tǒng)操作已經(jīng)使用了多年手動(dòng)操作的方式，包括確定啟動(dòng)和停止泵引擎的時(shí)間。由于自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用的局限性，在手動(dòng)操作過(guò)程中，時(shí)常發(fā)生嚴(yán)重事故，導(dǎo)致礦井巷道淹沒(méi)、停產(chǎn)、破損。隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展和自動(dòng)化相關(guān)應(yīng)用技術(shù)在煤礦井下排水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程規(guī)律排水系統(tǒng)控制提供技術(shù)參考和自動(dòng)控制保障[2]。

1）具有多種控制模式。按照監(jiān)管要求，常用的排水系統(tǒng)控制模式有如下幾個(gè)，包括遠(yuǎn)程/本地、自動(dòng)/手動(dòng)和集中控制/維護(hù)?？刂葡到y(tǒng)具有以下優(yōu)先權(quán)，例如手動(dòng)控制可自動(dòng)切斷遙控器和自動(dòng)控制，遙控器可以自動(dòng)切斷自動(dòng)控制，并且地下自動(dòng)控制系統(tǒng)可以自動(dòng)轉(zhuǎn)移到當(dāng)遙控器突然失控時(shí)手動(dòng)控制。每個(gè)泵將始終處于集中狀態(tài)自動(dòng)運(yùn)行模式下的控制模式，除非處于維護(hù)模式的特殊情況下。

2）具有設(shè)備保養(yǎng)模式。當(dāng)設(shè)備需要維護(hù)時(shí)，設(shè)置為維護(hù)模式，確保足夠的設(shè)備正常運(yùn)行。

3）對(duì)泵的選擇靈活方便。

4）對(duì)泵運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)控制。按照峰谷電價(jià)原則、水位要求，確定泵何時(shí)應(yīng)該啟動(dòng)和停止。每臺(tái)泵的正常運(yùn)行時(shí)間將被自動(dòng)記錄下來(lái)，當(dāng)水位滿足系統(tǒng)要求啟動(dòng)水泵時(shí)，泵運(yùn)行最短的時(shí)間將自動(dòng)啟動(dòng)，并在運(yùn)行中反復(fù)優(yōu)化泵的運(yùn)行時(shí)間，以此達(dá)到泵的節(jié)能降耗目的[3]。

5）遠(yuǎn)程遙控。泵的運(yùn)行參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況設(shè)備需要傳送到地面控制中心。控制中心可以收集和分析這些參數(shù)，必要時(shí)需要并可以發(fā)送指令到地下水泵排水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2 煤礦排水泵站的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)排水系統(tǒng)由地面監(jiān)測(cè)站和地下控制站組成，如圖1所示。

圖1 煤礦排水泵站的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)主要組成包括以下六個(gè)主要的部件組成：

1）地面控制站。地面監(jiān)控站可以監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)如溫度，排水裝置的壓力和流量，并控制泵啟動(dòng)、停止，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，下載運(yùn)行階段化程序，監(jiān)控/控制數(shù)據(jù)，并保存或管理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2）地下工作站。地下工作站是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，其包括西門子PLC、數(shù)字模塊、模擬模塊、通信模塊和觸摸屏幕，用于控制水泵、電動(dòng)閥門、潛水器的啟停泵和其他電動(dòng)裝置。該站包括控制柜、傳感器和執(zhí)行器。

3）控制柜。主要由PLC、觸摸屏、中間繼電器、信號(hào)組成發(fā)射器，光纖以太網(wǎng)交換機(jī)、開(kāi)關(guān)電源、按鈕、指示燈等組件。這些設(shè)備用于信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、處理、輸出、顯示、保護(hù)、故障報(bào)警和通訊。

4）傳感器。主要包括液位計(jì)、流量計(jì)、負(fù)壓變送器、壓力傳感器變送器、溫度傳感器、電機(jī)電壓電流互感器，閥位開(kāi)關(guān)和過(guò)扭矩開(kāi)關(guān)。

5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主要包括排水電動(dòng)閥門、電動(dòng)球閥、配電設(shè)備、本地控制箱等。配電柜主要由斷路器、接觸器、熱繼電器等組成，是電動(dòng)閥門的配電回路，真空泵和電動(dòng)閥門[4]。

6）本地控制箱。主要由開(kāi)關(guān)盒、按鈕、燈等部件，用于轉(zhuǎn)換設(shè)備的運(yùn)行方式和實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備的啟停。

3 煤礦排水系統(tǒng)中泵控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 泵的啟停過(guò)程

1）自動(dòng)檢測(cè)水位。在泵引擎啟動(dòng)或停止之前，水位必須是在非自動(dòng)模式或手動(dòng)模式下首先檢測(cè)。

2）調(diào)水。只有當(dāng)泵的葉輪完全充滿水時(shí)，才可以將泵體形成必要的真空，實(shí)現(xiàn)正常的排水。

3）電動(dòng)門操作。為了降低泵機(jī)的啟動(dòng)功率，減少泵的功率發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)水柱對(duì)泵的沖擊，出水閥必須在泵引擎啟動(dòng)或停止之前處于關(guān)閉狀態(tài)。

4）失敗保護(hù)。在泵的運(yùn)行過(guò)程中，電流或者電流溫度大于或小于正常值時(shí)，泵機(jī)必須快速停機(jī)。

3.2 本系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

1）避免高峰和填谷。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行在低功耗和盡可能避免在電力高峰期運(yùn)行，但如果突然遇到發(fā)生洪水等緊急情況時(shí)，可以及時(shí)啟動(dòng)排水程序。

2）利用水位設(shè)計(jì)優(yōu)化泵運(yùn)行時(shí)間。最佳排水：以低功耗啟動(dòng)泵進(jìn)行排水，此時(shí)并儲(chǔ)存水位恢復(fù)正常的時(shí)間。當(dāng)水位達(dá)到或低于H1時(shí)，泵停止。正常時(shí)間排水：當(dāng)水位上升到H3時(shí)，水泵按照選擇運(yùn)行時(shí)間原則將立即開(kāi)始。水泵停止運(yùn)行在高峰期達(dá)到H2，在其他時(shí)間達(dá)到H1即可。高峰排水：當(dāng)水位上升到H4時(shí)，在高峰期強(qiáng)制開(kāi)始排水期間，當(dāng)水位達(dá)到H2時(shí)泵停止。

3）多泵排水。當(dāng)水漲得太快或水位達(dá)到H5時(shí)，有幾個(gè)水泵將依次啟動(dòng)。當(dāng)水位達(dá)到時(shí)，運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的水泵將停止運(yùn)行H3等水位高峰期或水位達(dá)到H2時(shí)，待水位達(dá)到H1停止。水位控制圖如圖2所示[5]。

圖2 系統(tǒng)水泵運(yùn)行——水位控制圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的煤礦排水系統(tǒng)，融入了自動(dòng)化軟硬件技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、PLC技術(shù)，可自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程遙控。目前，這種自動(dòng)排水系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)外的某些礦山中投入使用，運(yùn)行效果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、方便，可以有效降低維護(hù)成本和功耗，不僅滿足了地下排水控制的需要，同時(shí)也提高了煤礦排水系統(tǒng)的自動(dòng)化管理水平。