魯葉云

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 成莊礦， 山西 晉城 048014)

礦井涌水是威脅煤礦井下安全的重要因素之一，一旦發(fā)生礦井透水事故，不僅影響煤礦安全生產(chǎn)，甚至危及礦工生命安全。目前，部分礦井排水系統(tǒng)還在使用傳統(tǒng)的人工操作模式，依靠人工定期、定時對儲水倉水位進(jìn)行觀察，由經(jīng)驗判斷是否開啟水泵進(jìn)行排水作業(yè)。這種排水系統(tǒng)控制模式應(yīng)急性差、操作時間長，無法滿足礦井排水的要求，存在極大的安全隱患。針對礦井排水系統(tǒng)存在的問題，俄羅斯學(xué)者在分析排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立排水系統(tǒng)控制模型，并提出水泵流量測量方法以及自動控制系統(tǒng)；國內(nèi)學(xué)者對儲水倉水位監(jiān)測、排水控制策略、排水效率以及節(jié)能降耗等進(jìn)行研究[1-4]. 本文以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)，對排水系統(tǒng)的水位監(jiān)測、工作模式、水泵自動調(diào)度等進(jìn)行研究，構(gòu)建排水自動控制系統(tǒng)。

1 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 水位自動監(jiān)測與控制

水位自動監(jiān)測是利用水位傳感器對儲水倉水位的高低進(jìn)行判斷，當(dāng)水位達(dá)到約定高度時觸發(fā)水泵啟動、水泵停止命令。儲水倉水位模型見圖1，將水位一共分為H1—H55個高度，其中H2為排水水位，即儲水倉水位達(dá)到該高度時，需要啟動水泵進(jìn)行排水作業(yè)；H4為警戒水位，需要啟動至少兩臺水泵進(jìn)行排水作業(yè)；H5為極限水位，需要啟動所有水泵進(jìn)行排水，同時發(fā)出“儲水倉水位達(dá)到極限”的報警信號。5個水位信號由水位傳感器實時檢測并將信號傳送給PLC控制器，參與排水自動控制系統(tǒng)的邏輯控制過程。水位傳感器采用西門子超聲波液位計+本安數(shù)字式水位開關(guān)實現(xiàn)。超聲波液位傳感器利用超聲波技術(shù)實現(xiàn)對水位的監(jiān)測，安裝于儲水倉倉內(nèi)，兩線制，輸出信號為4～20 mA的模擬電流信號，傳送給PLC控制器參與邏輯控制。本安數(shù)字式水位開關(guān)安裝于吸水井中，作為防止水位過高的保護(hù)設(shè)備。

圖1 儲水倉水位模型圖

1.2 工作模式設(shè)計

為適應(yīng)排水系統(tǒng)自動控制需求，將工作模式分為遠(yuǎn)程、就地兩種，通過旋轉(zhuǎn)按鈕進(jìn)行模式選擇。排水系統(tǒng)的工作方式分為自動、半自動以及手動3種，根據(jù)排水需求以及現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行選擇。手動控制方式與原人工控制流程一致，但只需要通過按鈕即可實現(xiàn)，降低了工人的勞動強(qiáng)度。半自動控制方式主要用于系統(tǒng)后期調(diào)試以及有特殊要求的場合。自動控制方式為排水系統(tǒng)投入使用后的常用模式，排水系統(tǒng)根據(jù)儲水倉水位實現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動化和智能化。

1.3 水泵自動控制策略

全自動控制方式下排水系統(tǒng)水泵啟動/停止控制策略見圖2. 所設(shè)計的排水系統(tǒng)有工作、備用、檢修3個水泵，以儲水倉實時水位為基本控制條件，以系統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)為參考，實現(xiàn)排水系統(tǒng)水泵的全自動運行、停止控制，實現(xiàn)排水系統(tǒng)的少人、無人值守。啟動水泵時，綜合考慮儲水倉水位、涌水量、水泵運行臺數(shù)、儲水倉水位上漲趨勢以及“避峰就谷”等因素，保證將儲水倉水位控制在安全水位線以下的同時，減少水泵運行臺數(shù)、降低水泵用電量。

圖2 水泵啟動/停止調(diào)度策略圖

在對水泵進(jìn)行自動控制時，根據(jù)實際使用情況，可以采用“高低水位”控制、“水泵輪換工作”控制、“避峰就谷”控制以及改進(jìn)型的“避峰就谷”控制方式[5-6].

當(dāng)儲水倉水位達(dá)到低限，或者水泵輪換時間定時停止時間到時，可以將水泵停止運行。另外，在采用“避峰就谷”或者改進(jìn)型“避峰就谷”控制方式時，如果儲水倉水位沒有達(dá)到警戒水位H4，則停止水泵運行，待等到用電谷段時，開啟水泵并控制水位至H1.

1.4 PLC軟件控制流程

所設(shè)計的排水系統(tǒng)自動控制過程的PLC軟件控制流程見圖3，根據(jù)水倉水位、涌水量對工作、備用、檢修3臺水泵的啟動/停止進(jìn)行自動控制。PLC程序開始運行后，首先完成系統(tǒng)的初始化，重點包括儲水倉水位參數(shù)設(shè)置、控制模式/控制方式設(shè)置、水泵參數(shù)設(shè)置以及PLC程序中用到的變量、內(nèi)存的初始化。利用超聲波液位傳感器實時監(jiān)測儲水倉的水位，當(dāng)水位高于下限值H1時，開啟工作水泵，否則，如果有水泵開啟，則停止運行所有水泵。開啟工作水泵后，如果流入儲水倉的水量大于排出儲水倉的水量，即超聲波液位計實時檢測出的水位還在不斷上升，則開啟備用水泵進(jìn)行排水。如果儲水倉的水位超過警戒水位H4時，則開啟檢修水泵進(jìn)行排水，同時發(fā)出水位過高報警信息。

2 應(yīng)用情況

將所設(shè)計的排水自動控制系統(tǒng)在某礦進(jìn)行實際應(yīng)用，該礦井正常涌水期涌水量為657.9 m3/h，日排水時間為12.90 h，只開啟工作水泵即可完成排水任務(wù)。最大涌水期的涌水量為1 040.2 m3/h，日排水時間為10.01 h，同時開啟工作、備用、檢修3臺水泵可完成排水任務(wù)。每日16:30到次日7:30為用電谷段，設(shè)置為自動模式進(jìn)行排水，可滿足該礦井的排水需求。該礦井排水系統(tǒng)在正常涌水期和最大涌水期水泵工作情況見表1.

圖3 排水系統(tǒng)PLC自動控制流程圖

表1 正常涌水期與最大涌水期水泵工作情況表

該礦井排水系統(tǒng)采用自動控制系統(tǒng)后，與傳統(tǒng)手動控制模式相比，經(jīng)濟(jì)效益效果明顯。手動模式與自動模式排水費用比較見表2. 由表2可以看出，采用自動控制系統(tǒng)排水后，每天工作時長由24 h減少至8 h，排水系統(tǒng)一年的費用支出由3 355.7萬元下降至2 078.4萬元，平均每年節(jié)省1 277.3萬元。

表2 手動模式與自動模式排水費用比較表

3 結(jié) 語

設(shè)計并實現(xiàn)的煤礦井下排水系統(tǒng)自動控制過程以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合傳感器技術(shù)，對礦井排水系統(tǒng)進(jìn)行自動控制過程設(shè)計，增強(qiáng)了排水系統(tǒng)的自動化水平，提高了排水系統(tǒng)的工作效率。該排水系統(tǒng)已經(jīng)在礦井中得到應(yīng)用，運行穩(wěn)定，可對儲水倉水位精確控制，滿足礦井排水系統(tǒng)需求。