劉凱源

(河南許平煤業(yè)有限公司 機(jī)電處， 河南 平頂山 467000)

0 引言

河南省許平煤業(yè)有限公司是中國(guó)平煤神馬集團(tuán)近年來(lái)根據(jù)發(fā)展形勢(shì)變化而專門新成立的煤炭生產(chǎn)管理專業(yè)化區(qū)域公司，所轄礦井主要集中在汝州市地區(qū)和禹州市地區(qū)。公司現(xiàn)下轄12個(gè)主體單位，共有4對(duì)生產(chǎn)礦井、3對(duì)基建礦井和13對(duì)重組小煤礦。

夏店煤礦主排水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用經(jīng)統(tǒng)計(jì)已占基建礦井總成本費(fèi)用的50%～60%，為減少人員提高效率，降低基建礦井的運(yùn)行成本，經(jīng)分析決定對(duì)夏店煤礦建設(shè)一套泵房水泵排水自動(dòng)控制系統(tǒng)，即利用現(xiàn)代化的技術(shù)和手段，可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井涌水量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和水泵排水的自動(dòng)安全監(jiān)測(cè)控制，并有效地提高礦井安全生產(chǎn)和自動(dòng)化水平。

1 夏店煤礦排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

夏店煤礦位于河南省汝州市西北，距汝州市區(qū)約15 km，行政區(qū)劃隸屬汝州市夏店鄉(xiāng)、陵頭鄉(xiāng)管轄。礦區(qū)面積約29.684 km2。礦井探明地質(zhì)儲(chǔ)量197.56 Mt，可采儲(chǔ)量108.119 Mt。設(shè)計(jì)礦井生產(chǎn)能力為1.50 Mt/a，服務(wù)年限51.5 a。該煤礦新建中央泵房安裝3臺(tái)MD420-90×10型煤礦用耐磨多級(jí)自平衡離心式水泵，額定流量為420 m3/h，額定揚(yáng)程為900 m，配3套YB2-560-4型交流異步電動(dòng)機(jī),電壓10 kV，功率為1 600 KW，內(nèi)置有定子、軸承測(cè)溫傳感器，四趟φ325排水管。目前井下水泵排水系統(tǒng)使用人工手動(dòng)開(kāi)泵。

2 排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

夏店煤礦井下排水自動(dòng)化系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 排水自動(dòng)化系統(tǒng)整體架構(gòu)

1) 地面配置一臺(tái)操控臺(tái)，完成地面遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制操作；井下泵房系統(tǒng)配置監(jiān)控主站、操作臺(tái)、語(yǔ)音顯示報(bào)警器、各類傳感器及閥門，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)控制。

2) 井下主排水集控系統(tǒng)采用雙現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主站結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主站PLC采用西門子S7 300系列?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控主站對(duì)主排水泵、真空泵及配套電閘閥監(jiān)測(cè)、顯示、控制，并將其通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳送至礦井調(diào)度室。

3) 通信部分依托光纖工業(yè)以太網(wǎng)，除能完成水泵的單機(jī)控制外，還可通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸接口模塊與設(shè)置在中央變電所的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，可由井上調(diào)度中心監(jiān)控所有排水泵等被控設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)上位控制主機(jī)使用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將主排水系統(tǒng)及配套設(shè)備的狀態(tài)信息和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送給調(diào)度室監(jiān)控主機(jī)。調(diào)度監(jiān)控主機(jī)使用組態(tài)軟件實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示主排水系統(tǒng)及配套設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和詳細(xì)參數(shù)。

2.2 工作原理

PLC通過(guò)通信接口和通信協(xié)議，與觸摸屏進(jìn)行全雙工通信，將水泵機(jī)組的工作狀態(tài)與運(yùn)行參 數(shù)傳至觸摸屏，完成各數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示；同時(shí)，操作人員也可利用監(jiān)控主機(jī)或就地顯示控制箱將操作指令傳至PLC，控制水泵運(yùn)行。同時(shí)PLC將水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分站傳至地面生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控中心主機(jī)，與全礦井安全生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，使之管理人員在地面既可掌握井下主排水系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動(dòng)化控制信息，實(shí)現(xiàn)井下主排水系統(tǒng) 的遙測(cè)、遙控，并為礦領(lǐng)導(dǎo)提供生產(chǎn)決策信息。就地顯示控制箱與監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)均可動(dòng)態(tài)顯示主排水系統(tǒng)運(yùn)行的模擬圖、運(yùn)行參數(shù)圖表，記錄系統(tǒng)運(yùn)行和故障數(shù)據(jù)，并顯示故障點(diǎn)以提醒操作人員。

3 排水系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 地面操控站

地面控制中心設(shè)置一臺(tái)操控站，即選用高性能工控機(jī)，安裝定制開(kāi)發(fā)的水泵監(jiān)控組態(tài)軟件，通過(guò)操控站對(duì)井下所有水泵房相關(guān)設(shè)備進(jìn)行集控和監(jiān)視。

3.2 傳輸介質(zhì)及通道

在地面控制中心敷設(shè)光纜72芯到副井與下井的光纜進(jìn)行對(duì)接，在井下副井處將光纜延長(zhǎng)到至中央變電所，設(shè)置臺(tái)隔爆交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)延伸至中央變及泵房，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入，并將網(wǎng)絡(luò)攝像儀也通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳至地面監(jiān)控中心集控和監(jiān)視。

3.3 礦用隔爆兼本質(zhì)安全型可編程控制器(PLC)

根據(jù)泵房自動(dòng)控制技術(shù)并結(jié)合水泵房的實(shí)際情況，泵房控制系統(tǒng)采用一臺(tái)主PLC控制柜，完成整套泵房的控制邏輯運(yùn)算和各臺(tái)水泵、傳感器、閘閥、球閥的信號(hào)接入，同時(shí)在控制邏輯規(guī)劃時(shí)，全面考慮各類極端情況下水泵運(yùn)行的安全性，在控制主站出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)，仍能正常啟動(dòng)停止水泵排水。PLC內(nèi)配置以太網(wǎng)模塊和以太網(wǎng)交換機(jī)，提供光口模塊傳輸數(shù)據(jù)至地面，同時(shí)配置電力采集模塊，可實(shí)時(shí)采集設(shè)備電力參數(shù)。

3.4 本質(zhì)安全型操作臺(tái)

在水泵房配置一臺(tái)本質(zhì)安全型操作臺(tái)，操作臺(tái)上配置有就地顯示屏、操作按鈕、旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)以及指示燈，可切換水泵工作模式(運(yùn)行、備用、檢修)，實(shí)現(xiàn)水泵和閥門就地手動(dòng)、集中控制和一鍵啟?？刂?。就地顯示屏可多畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示泵房工況狀態(tài)，方便現(xiàn)場(chǎng)人員查看控制。

3.5 控制方式

具有遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程單泵控制、多臺(tái)聯(lián)鎖自動(dòng)控制、就地檢修控制以及檢修3種操作方式。

3.5.1 單臺(tái)水泵控制

1) 手動(dòng)控制。根據(jù)實(shí)際需要可以從自動(dòng)控制方式切換到手動(dòng)控制方式。操作人員在操作臺(tái)上人工手動(dòng)控制?？蓪?duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行啟、停操作，但此時(shí)操作閉鎖關(guān)系投入仍然對(duì)設(shè)備設(shè)有保護(hù)功能。

2)自動(dòng)控制。自動(dòng)控制由PLC根據(jù)設(shè)定的邏輯程序控制相關(guān)設(shè)備的開(kāi)、關(guān)實(shí)現(xiàn)，PLC連續(xù)監(jiān)測(cè)相關(guān)的模擬量。

3.5.2 多臺(tái)水泵聯(lián)鎖自動(dòng)控制

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。

3.5.3 就地檢修控制

各設(shè)備工作方式在就地檢修位置時(shí)，可直接在開(kāi)關(guān)上或設(shè)備附近的檢修就地控制箱上人工手動(dòng)控制。該系統(tǒng)在正常運(yùn)行過(guò)程中，不管工作在何種工作方式，均可實(shí)時(shí)將泵房現(xiàn)場(chǎng)的各種運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)傳到地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

4 經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益分析

4.1 社會(huì)效益

通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，采取了施工、維修人員不再入井或減少入井次數(shù)等措施，杜絕了礦井事故的發(fā)生，為基建礦井停建期間的安全管理、節(jié)約成本打下了良好基礎(chǔ)。探索出了一種新的降低運(yùn)行費(fèi)用運(yùn)行模式。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

4.2.1 人員工資費(fèi)用的減少

改造前工資性支出：

籌建處開(kāi)泵和檢修人員：3 300×3×1.54=15 246元，建井一處工作人員：4 271×21×1.54=138 124元，合計(jì)153 370元。

改造后需要的工資性支出：

籌建處開(kāi)泵和檢修人員：3 300×2×1.54=10 164元，共減少人工成本143 206元。

4.2.2 提升費(fèi)用的減少

改造前副井提升機(jī)每天需提升8鉤用于司機(jī)、配電工、瓦檢員、維護(hù)工上下井，即：每天八點(diǎn)班需提升4勾(提升水泵司機(jī)2勾、提升維護(hù)2勾)，四點(diǎn)班需提升2勾，零點(diǎn)班需提升2勾。

副井絞車電機(jī)功率1 300 kW，其他負(fù)荷6 kW，提升一勾6 min，需電量130.6 kW·h。八點(diǎn)班8:00至9:00提一勾需電費(fèi)：130.6×1.299 94=169.77元；四點(diǎn)班16:00至17:00提一勾需電費(fèi)130.6×0.893 5=116.69元；零點(diǎn)班0:00至1:00提一勾需電費(fèi)：130.6×0.536 97=70.13元。

改造前，每月需電費(fèi)：30×(4×169.77+2×116.69+2×70.13)=31 581.5元。

改造后只需每10 d提升6鉤，安排在四點(diǎn)班進(jìn)行。改造后，每月需電費(fèi)：6×130.6×0.893 5×3=2 100.42元。

因此，每月減少提升電費(fèi)29 481.08元。

4.2.3 排水電費(fèi)減少

改造前，水泵每班運(yùn)行1臺(tái)，每月需電費(fèi)：1 600×1.299 94×5×30+1 600×0.893 5×5×30+1 600×0.536 97×5×30=655 298.4元。

改造后，水泵零點(diǎn)班運(yùn)行2臺(tái)，每月需電費(fèi)：1 600×2×0.536 97×8×30=412 392.96元。

每月減少排水電費(fèi)242 905.44元。

5 結(jié)論

1) 自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)是新一代多功能自動(dòng)排水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采用穩(wěn)定可靠的PLC控制主站+接入分站的控制結(jié)構(gòu)，其每臺(tái)水泵結(jié)構(gòu)上相互獨(dú)立，且單臺(tái)分站故障又不影響其他水泵正常運(yùn)行；同時(shí)系統(tǒng)配置本質(zhì)安全型操作臺(tái)、帶語(yǔ)音本安LED顯示屏，可實(shí)現(xiàn)對(duì)泵房水泵排水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程、就地自動(dòng)啟停、自動(dòng)輪換、故障智能切換、避峰填谷、自動(dòng)診斷、現(xiàn)場(chǎng)故障語(yǔ)音文字警報(bào)功能，保障系統(tǒng)可在無(wú)人值守下的運(yùn)行安全。

2) 通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施，夏店煤礦停建期間，可充分利用用電電價(jià)優(yōu)惠政策，削峰填谷，并利用低谷時(shí)段排水，降低用電費(fèi)用。同時(shí)，采取了施工、維修人員不再入井或減少入井次數(shù)等措施，可杜絕礦井事故的發(fā)生，為基建礦井停建期間的安全管理、節(jié)約成本打下了良好基礎(chǔ)，探索出了一種降低運(yùn)行費(fèi)用運(yùn)行新模式。