成瑞強

（西山煤電西曲礦，山西 古交 020300）

煤礦多采用人工操作繼電器對煤礦井下排水系統(tǒng)進行疏排水控制，人工操作繼電器存在實時性差、效率低、人工成本高等一系列不足之處。水泵無法根據(jù)實際情況有效運轉(zhuǎn)，嚴重影響排水系統(tǒng)的排水效率，制約煤礦整體經(jīng)濟效益的提高。隨著科學技術(shù)的不斷進步，涌現(xiàn)出一批高效自動化排水系統(tǒng)，PLC自動控制系統(tǒng)是其中的代表之作。該系統(tǒng)以PLC控制技術(shù)為核心，利用工業(yè)以太網(wǎng)與上位機系統(tǒng)連接，實時將數(shù)據(jù)傳送到地面生產(chǎn)調(diào)度中心，為有效管理井下疏排水工作做出巨大貢獻。

1 設(shè)計原則

南翼下組煤疏排水系統(tǒng)利用PLC控制技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)，對水窩排水進行自動化控制，同時達到對水窩的溫度、壓力、液位及流量等相關(guān)參數(shù)的運行狀態(tài)實時顯示及遠程控制，達到相關(guān)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測及報警功能。根據(jù)液位通過智能開關(guān)實現(xiàn)水泵的自動起?？刂?，并可以通過流量開關(guān)控制水泵停止，避免空轉(zhuǎn)造成的設(shè)備損壞。系統(tǒng)通過上位機監(jiān)控系統(tǒng)以影像、數(shù)據(jù)、文字等方式，簡單有效地反映系統(tǒng)工作狀態(tài)、水窩的溫度、壓力、液位及流量等參數(shù)并通過PLC系統(tǒng)中的通訊模塊接入以太網(wǎng)，與監(jiān)控主機實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，并對井下水情周期性或?qū)崟r性作出比對分析記錄，以便對水情數(shù)據(jù)進行綜合分析。設(shè)備布置如下圖1所示。

2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)通過浮球液位器感應液位高度，并通過液位傳感器將當前液位信號轉(zhuǎn)換為標準的電信號，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入信號至PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)器將實際測量液面信號與預設(shè)液面信號進行比較和邏輯運算，繼而上位機向PLC發(fā)出控制信號，實現(xiàn)對水泵的啟停和切換控制。同時上位機組態(tài)軟件可以根據(jù)水位上升速率和排水量等檢測礦井涌水量，實現(xiàn)水情預警功能。如下圖2所示。

圖1 煤礦水泵房自動化排水控制系統(tǒng)設(shè)備布置

圖2 系統(tǒng)組成簡圖

2.1 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)用CJI (西門子)作為其中央處理器，通過模塊上的PLC主處理模塊、以太網(wǎng)單元、拓展I/O模塊、模擬信號輸出單元、模擬信號輸入單元等構(gòu)成。PLC控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集主要分為兩類：模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)，通過PLC進行讀取，保證了數(shù)據(jù)的準確性及響應時間。另外系統(tǒng)設(shè)有RS485通信模塊，可以和智能供電設(shè)備建立連接，達到數(shù)據(jù)讀取及遠程控制功能。

2.2 上位機系統(tǒng)

上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與PLC控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通訊。具有操作控制功能，用來完成溫度、壓力、液位及流量等相關(guān)參數(shù)監(jiān)測和控制，采集并輸出各種模擬量和數(shù)字量信息，形成各種運行數(shù)據(jù)報表、疏排水運行趨勢曲線、追憶趨勢曲線、人員操作記錄、歷史數(shù)據(jù)信息及報警保護信息等。為進一步的數(shù)據(jù)分析優(yōu)化，提供現(xiàn)場資料支持。

2.3 工業(yè)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)在設(shè)計時，由于其采用載波偵聽多路復用沖突檢測（CSMA/CD機制），在復雜的工業(yè)環(huán)境中應用，其可靠性大大降低，從而導致以太網(wǎng)不能使用。工業(yè)以太網(wǎng)交換機采用存儲轉(zhuǎn)換交換方式，在提高以太網(wǎng)通信速度的同時，減少了通訊過程中不同產(chǎn)品的接口數(shù)量及各種通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換，提高通用性，降低系統(tǒng)組態(tài)的復雜程度，且通道數(shù)據(jù)響應小于20ms，實時性得到很大提高。通過內(nèi)置智能報警設(shè)計監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運行狀況，使得在惡劣危險的工業(yè)環(huán)境中以太網(wǎng)能夠可靠穩(wěn)定的運行。

3 多元化疏排水控制方式

3.1 井下自動控制

控制室控制所有設(shè)備，并顯示各水泵工作狀況和各種故障。綜合控制箱與PLC可編程控制箱結(jié)合可實現(xiàn)液位自動監(jiān)控，根據(jù)水井的液位及其他因素，合理開停水泵。在正常液位時，各臺水泵能自動輪換工作，避免傳統(tǒng)模式中工作泵使用頻率高造成水泵磨損快，壽命短，而備用泵、檢修泵由于長期的閑置造成銹蝕無法使用。出現(xiàn)突出涌水時，系統(tǒng)能夠自動投入必要數(shù)量的水泵進行疏排水工作。當運行水泵出現(xiàn)故障時，做到及時報警，并自動開啟備用水泵。不論起動幾臺水泵，僅當液位逐漸下降至停機液位后，系統(tǒng)所有運行的水泵同時停止。

PLC控制系統(tǒng)以移峰填谷、均勻磨損、效率優(yōu)先為原則。根據(jù)水泵等設(shè)備運行和保養(yǎng)情況、水倉內(nèi)液位的高度、供電部門所規(guī)定的平段、谷段、峰段時的供電價格及井下用電負荷的高、低峰等因素，建立與之相對應的數(shù)學模型，然后再依據(jù)水泵的設(shè)計排水量和煤礦的具體涌水量綜合計算出所需的水泵的臺數(shù)，最后根據(jù)建立的實際化數(shù)學模型，對疏排水系統(tǒng)的運行進行準確合理的控制。

3.2 遠程操控

操作人員可在控制室以及中央泵房調(diào)度中心的終端監(jiān)控觸摸板上遠程選擇控制水泵機組的起停，其余動作仍由PLC自動執(zhí)行，即PLC完成單臺水泵起停、閥門啟閉等動作。設(shè)備操作人員可在井下PLC控制柜上實現(xiàn)對水泵工作狀態(tài)、啟停情況的監(jiān)控。操作人員只需在上述觸摸板上按下停止鍵或是啟動鍵，便可通過觸摸板直接將操作命令傳達到中央處理模塊，即CPU。PLC根據(jù)上述控制邏輯，可瞬時對水泵進行啟動、停止工作。

3.3 井下手動檢修模式

井下每臺泵組配置一臺就地按鈕盒，選擇此模式的泵組，完全脫離PLC的自動控制，系統(tǒng)不受監(jiān)測信號控制，需要手動操作水泵電機，相互動作互不閉鎖。

3.4 井下操作臺一鍵啟動

人工確定開泵臺數(shù)并選擇泵組的啟動，電機及其閥門的起停由PLC自動執(zhí)行，即PLC完成單臺水泵起停、閥門啟閉等動作。

4 提高煤礦排水系統(tǒng)綜合自動化

4.1 智能化

操作模式遵照“井下優(yōu)先”的原則可以進行自由切換。特殊條件時也可以進行自動切換，例如：當井上與井下通訊光纜中斷后，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為“井下自動”運行模式，將控制權(quán)自動交給井下PLC進行控制；當設(shè)備運行在遠端操作模式或井下PLC自動控制模式的情況下，若PLC發(fā)生故障，則系統(tǒng)自動切換為現(xiàn)場手動運行模式。

系統(tǒng)在判斷監(jiān)測終端或中間環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時，能迅速做出判斷并處理。并通過設(shè)計“井下優(yōu)先”、“均勻磨損”、“移峰填谷”、“效率優(yōu)先”等算法，可實現(xiàn)系統(tǒng)的自動判斷并選擇。

4.2 高可靠性

依照“安全第一、效率優(yōu)先”的原則，運行模式的自動切換、機組自動切換及起停、冗余設(shè)計、設(shè)計系統(tǒng)的故障報警等功能，最大限度地保障系統(tǒng)整體運行。在系統(tǒng)達到最大涌水量或發(fā)生透水等緊急情況時，系統(tǒng)做出判斷且聲光報警，投入所有可運行泵組進行排水，保證井下排水要求。

實時監(jiān)測每臺泵組的運行電流、電壓、壓力、流量等數(shù)據(jù)，與設(shè)定閾值進行比較，及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的安全隱患。

5 經(jīng)濟效益

該系統(tǒng)的投入使用，以“自動化減人”的方式，減少出勤人數(shù)由3人縮減為1人，后期只需1人進行定期檢修及隱患排查。以礦人均應發(fā)工資7650元/月計算，每年可節(jié)約人力開支183600元；該系統(tǒng)屬于一次性設(shè)備投入，因其合理的算法，大大延長水泵的使用壽命，較該系統(tǒng)投入前，每年可減少潛水泵BQS-100/100等設(shè)備投入52860元。

6 結(jié)語

下組煤疏排水系統(tǒng)通過直觀地監(jiān)視和記錄工作現(xiàn)場的疏排水情況，及時發(fā)現(xiàn)事故苗子，防患于未然，也能為事后分析事故提供第一手圖像資料。該疏排水自動控制系統(tǒng)投入使用后，在提升礦井生產(chǎn)效益層面發(fā)揮了巨大作用。