楊振興 翟德華

摘 要 由于煤炭開(kāi)采的快速發(fā)展和煤炭開(kāi)采水平的不斷提高，在復(fù)雜的地下環(huán)境中進(jìn)行良好的防水和排水非常重要。在新時(shí)代，自動(dòng)化技術(shù)在煤礦井下排水中的應(yīng)用價(jià)值已得到重要體現(xiàn)，主要依靠自動(dòng)排水實(shí)現(xiàn)井下作業(yè)的自動(dòng)管理。基于此，本文將討論煤礦自動(dòng)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 地下排水引流;設(shè)備設(shè)計(jì);自動(dòng)排空

引言

隨著我國(guó)煤炭開(kāi)采工作的不斷深入，地下水流入和蓄積問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重。目前，地下排水仍具有廣泛的積水點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離井下排水自動(dòng)控制是煤礦智能化建設(shè)的重要內(nèi)容，而傳統(tǒng)PLC控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單、智能化不足，不便于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)距離操作控制，難以應(yīng)對(duì)煤礦積水廣泛的特點(diǎn)，并難以滿足煤礦自動(dòng)化和現(xiàn)代化的快速發(fā)展需求[1]。

1現(xiàn)有排水控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

礦井排水系統(tǒng)是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。隨著煤炭工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，行業(yè)內(nèi)相關(guān)學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)也不斷對(duì)礦井排水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化和升級(jí)，提高了井下排水控制系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，例如：對(duì)排水泵的更換，硬件的優(yōu)化升級(jí)。還有應(yīng)用于排水系統(tǒng)的先進(jìn)控制技術(shù)，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，模糊算法，以及改進(jìn)的排水系統(tǒng)控制，排水管道的合理布局，其他排水設(shè)備的改造等。

但是，在礦井排水控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，仍然存在理論和實(shí)踐應(yīng)用無(wú)法有效匹配的問(wèn)題。以某礦井的排水系統(tǒng)為例，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，排水系統(tǒng)設(shè)備無(wú)法以最大的效率和最大的功率運(yùn)行，某些設(shè)備處于靜態(tài)或閑置狀態(tài)，并且設(shè)備未得到充分利用。其次，排水系統(tǒng)中的排水設(shè)備，例如排水泵，閥門(mén)等，仍然大部分是手動(dòng)操作的。盡管部分設(shè)備采用了自動(dòng)控制，但是還存在諸如系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定、信號(hào)響應(yīng)速度慢和使用信息錯(cuò)誤等問(wèn)題[2]。

2煤礦井下自動(dòng)排水裝置設(shè)計(jì)分析

2.1 合理設(shè)計(jì)井下排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦井下排水系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，智能控制技術(shù)，通信技術(shù)等技術(shù)設(shè)計(jì)的，井下排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三層結(jié)構(gòu)，包括地下監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和地面遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。 井下監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器、電動(dòng)閘閥和控制站組成。各傳感器主要負(fù)責(zé)水位監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、排水泵壓力、流量監(jiān)測(cè)，將監(jiān)控信息傳輸?shù)娇刂普?電動(dòng)閘閥主要控制水泵流量的自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉。控制站主要由智能控制裝置、供電電源、水泵啟動(dòng)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)通信設(shè)備組成。主要實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)化控制，并通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)將其所采集的水泵、閥門(mén)等設(shè)備狀態(tài)上傳給地面監(jiān)控系統(tǒng)。地面監(jiān)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、視頻服務(wù)器、計(jì)算機(jī)工作站、報(bào)警設(shè)備等，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和地下排水系統(tǒng)的控制，采用組態(tài)軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合運(yùn)算、分析、界面展示，實(shí)現(xiàn)水泵運(yùn)行自動(dòng)優(yōu)化、故障診斷、安全管理。

2.2 PLC控制器的匹配設(shè)計(jì)

PLC控制器是整個(gè)排水系統(tǒng)的控制核心，采用歐姆龍生產(chǎn)的CJ1系列PLC控制器結(jié)合了排水系統(tǒng)的操作特性，包括模擬輸入/輸出模塊、數(shù)字輸入/輸出模塊、通訊模塊、CPU模塊。其中，模擬量輸入模塊采用24V電源設(shè)計(jì)，可以由CPU的電壓直接供電，多個(gè)輸入點(diǎn)主要用于將排水系統(tǒng)中的水位信號(hào)、電機(jī)溫度信號(hào)、流量信號(hào)，負(fù)壓信號(hào)等，以及以電流形式輸入的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)采集和數(shù)字轉(zhuǎn)換;開(kāi)關(guān)量輸入模塊采用IA201模塊，輸入電壓為AC100～120V，電流為12mA，32點(diǎn)開(kāi)關(guān)量輸入主要接收真空泵開(kāi)關(guān)量信號(hào)、液位開(kāi)關(guān)信號(hào)、閘閥開(kāi)關(guān)信號(hào)、球閥位置信號(hào)等。模塊內(nèi)部濾波電路可以有效地分離外部干擾信號(hào)。整個(gè)PLC控制器具有較高的控制性能，可以更好地滿足對(duì)井下排水系統(tǒng)的有效控制，確保井下作業(yè)環(huán)境的安全。

2.3 主控功能設(shè)計(jì)

整個(gè)井下控制器通過(guò)微機(jī)控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和收集井下排水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)街醒肟刂茊卧?。由主控制單元、?shù)字輸入模塊、模擬輸入模塊、通訊單元、輸出單元進(jìn)行硬件組態(tài)。主控制器分析排水過(guò)程的數(shù)據(jù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)排水泵工藝過(guò)程控制，實(shí)現(xiàn)排水泵自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)切換、故障保護(hù)和事故預(yù)警。

（1）排水系統(tǒng)工藝過(guò)程控制功能設(shè)計(jì)。水泵的工藝過(guò)程控制包括自動(dòng)注水、閘閥控制、水位自動(dòng)檢測(cè)與控制、故障保護(hù)與報(bào)警。即根據(jù)水泵有無(wú)底閥采用不同的控制過(guò)程。對(duì)于有底閥水泵，在啟動(dòng)前，以排水管路中的壓力水為水源向泵體內(nèi)灌水。對(duì)于無(wú)底閥水泵，控制噴射泵或真空泵采用抽真空注水啟動(dòng)。主要實(shí)現(xiàn)水泵在啟動(dòng)前的真空度監(jiān)測(cè)、旁路電動(dòng)球閥控制、主回路電動(dòng)閘閥控制、出水壓力監(jiān)測(cè)。實(shí)現(xiàn)在水泵啟動(dòng)過(guò)程中的水泵空轉(zhuǎn)保護(hù)、電動(dòng)閥與閘閥故障保護(hù)、水倉(cāng)缺水保護(hù)與報(bào)警。

（2）水泵合理調(diào)度功能設(shè)計(jì)。它可以自動(dòng)檢測(cè)水箱的水位及相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泵控制，及時(shí)啟動(dòng)，自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)程監(jiān)控和及時(shí)報(bào)警。對(duì)于單泵控制，相關(guān)的軟件設(shè)計(jì)主要基于單泵的排水原理和工藝流程，實(shí)現(xiàn)了單泵的自動(dòng)啟停和運(yùn)行過(guò)程的自動(dòng)保護(hù)?？刂贫嗯_(tái)泵需要各種優(yōu)化的控制策略，包括水泵切換和管道切換等控制策略。實(shí)現(xiàn)水泵的自動(dòng)運(yùn)行。

2.4 控制系統(tǒng)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

由于監(jiān)控界面是整個(gè)排水控制系統(tǒng)的重要組成部分，因此我們使用MCSG工業(yè)控制組態(tài)軟件來(lái)執(zhí)行排水控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)。通過(guò)該界面，可以直觀地顯示井下水管，各種壓力，每個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，每個(gè)閥門(mén)的啟動(dòng)和停止，并且與現(xiàn)有界面相比，新的顯示界面中已添加了記錄顯示功能。整個(gè)排水控制系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，錯(cuò)誤的積累和其他信息都可以實(shí)時(shí)記錄并可視化顯示。另外，整個(gè)顯示界面顯示更加流暢，報(bào)警功能更加全面，操作員可以直接實(shí)時(shí)掌握整個(gè)排水系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并通過(guò)顯示界面可以準(zhǔn)確控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障。

3結(jié)束語(yǔ)

在煤礦生產(chǎn)中，排水系統(tǒng)的自動(dòng)控制對(duì)于提升礦山的現(xiàn)代化、信息化和數(shù)字化程度意義重大，不僅可以確保礦山生產(chǎn)的安全，而且可以提高采礦作業(yè)的效率。井下泵房自動(dòng)排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了井下泵房的自動(dòng)排水，而且減少了井下作業(yè)人員和操作人員的數(shù)量，保證了整個(gè)排水系統(tǒng)的平穩(wěn)正常運(yùn)行，提高了礦山生產(chǎn)的安全系數(shù)與礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 蓋明哲，唐松.礦井排水自動(dòng)化控制研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2019（16）：47-48.

[2] 張鵬.煤礦井下排水系統(tǒng)效率分析及節(jié)能途徑研究[J].山東煤炭科技，2019（7）：198-200.