李慧東

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司馬蘭礦，山西 太原 030053)

0 引 言

隨著煤炭需求量日益增高，開采技術(shù)逐步精進(jìn)，礦井的開采深度不斷加深，各煤礦企業(yè)在井下作業(yè)時(shí)，會(huì)安裝大量排水設(shè)備，以保證煤炭開采作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。

聯(lián)動(dòng)體系不完備，井下排水設(shè)備控制不理想等是目前排水設(shè)備運(yùn)行的主要現(xiàn)狀。排水設(shè)備及其控制體系在人工維護(hù)現(xiàn)狀下，存在設(shè)備不必要的運(yùn)行中斷及能源浪費(fèi)、不能及時(shí)處理突發(fā)情況的問題，傳統(tǒng)的控制體系滿足不了如今煤礦機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化的需要。

筆者通過(guò)對(duì)礦井排水設(shè)備控制體系的原理分析，探索排水系統(tǒng)改造方案的可能性，提出一種煤礦井下自動(dòng)排水設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)比改造前后系統(tǒng)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)的方式以及精度，驗(yàn)證該系統(tǒng)不僅能保障煤礦開采有序、高效的運(yùn)行，更能有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，延長(zhǎng)設(shè)備連續(xù)運(yùn)行時(shí)間。

1 礦井排水設(shè)備控制系統(tǒng)方案

1.1 煤礦排水設(shè)備組成

煤礦排水設(shè)備由井下泵房自動(dòng)控制單元和地面檢測(cè)控制中心兩部分組成。傳感器、控制箱、離心泵共同構(gòu)成用來(lái)控制以及檢測(cè)井下排水設(shè)備的井下泵房自動(dòng)控制單元。有關(guān)操作的設(shè)備、顯示器、多功能計(jì)算機(jī)共同組成可反映排水設(shè)備狀況以及重要參數(shù)的地面檢測(cè)控制中心，具備收集對(duì)應(yīng)檢測(cè)設(shè)備的各類數(shù)據(jù)功能，是控制排水設(shè)備的操作依據(jù)。

1.2 煤礦排水設(shè)備中PLC技術(shù)應(yīng)用

可編程邏輯控制器(PLC)是在工業(yè)環(huán)境下自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)。PLC由內(nèi)部CPU、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、輸入輸出單元、電源模塊、數(shù)字模擬等部分組成，該控制器可通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)控制各種類型機(jī)電設(shè)備或控制系統(tǒng)。

PLC技術(shù)廣泛應(yīng)用在煤礦井下排水設(shè)備控制體系的中央處理系統(tǒng)[1]，其借助IP/TCP通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，提高了井下排水裝置與地面檢車控制中心之間的信息交流效率。煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)控制原理如圖1[2]。

圖1 煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)控制原理

借助PLC的中央處理器，煤礦井下排水裝置的自動(dòng)化控制可以匯集和檢測(cè)各個(gè)排水裝置及系統(tǒng)的信息和參數(shù)。借助于種類繁多的微控制器以及傳感器，系統(tǒng)將井下積水面積、深度、水量、水質(zhì)等信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，通過(guò)模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)經(jīng)由放大電路等過(guò)渡電路傳輸至PLC，在煤礦井下排水裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，大部分信號(hào)均是以此方式進(jìn)行傳輸。

不同種類的傳感器可以傳輸不同類別的信號(hào)，例如，壓力傳感器可以將排水裝置壓力轉(zhuǎn)變的電信號(hào)傳輸至PLC，流量傳感器則能收集與排水裝置排水流量相關(guān)的信息。為實(shí)現(xiàn)井下排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行，獲取準(zhǔn)確的信息，選取更加規(guī)范、高精度、長(zhǎng)壽命的處理器以及傳感器是關(guān)鍵。同時(shí)，獲取信息的及時(shí)性也十分重要，因此系統(tǒng)刷新頻率必須達(dá)到秒量級(jí)甚至毫秒量級(jí)，這對(duì)PLC性能有更高的要求。

1.3 煤礦排水設(shè)備控制形式

系統(tǒng)控制水泵的形式根據(jù)距離和方式大致可以分為四種，中遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制、中遠(yuǎn)距離手動(dòng)控制、就近自動(dòng)控制、就近手動(dòng)控制。

中遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制操作方便，可根據(jù)煤礦排水需要設(shè)置對(duì)應(yīng)程序控制水泵的開關(guān)。此類控制方式重點(diǎn)在于程序設(shè)計(jì)必須合理且嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格設(shè)置水泵的開關(guān)條件。借助于傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，判斷是否需要開關(guān)水泵，以及需要開關(guān)水泵的數(shù)量。例如井下水位急劇上升，傳感器檢測(cè)到水位高度以及上升的速度，傳輸給PLC，借助已經(jīng)編寫好的程序自動(dòng)計(jì)算水泵開關(guān)要求，自動(dòng)控制水泵的開關(guān)以快速消除安全隱患，調(diào)整井下水位情況。

中遠(yuǎn)距離手動(dòng)控制則是指工作人員定期對(duì)水位狀況進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)人為的判斷通過(guò)排水系統(tǒng)控制臺(tái)進(jìn)行對(duì)水泵的開關(guān)。此方式和中遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制相比，人工成本大且處理突發(fā)情況反應(yīng)慢，經(jīng)濟(jì)效益和安全保障均不及中遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制。

近地自動(dòng)控制和近地手動(dòng)控制均需要人工定期對(duì)礦井井下水位情況進(jìn)行檢測(cè)，兩者相比，自動(dòng)控制僅需要人工進(jìn)行系統(tǒng)控制操作臺(tái)上水泵啟動(dòng)按鈕的開關(guān)，手動(dòng)控制則需要手動(dòng)開啟閘門和水泵電機(jī)。

由以上對(duì)比，中遠(yuǎn)距離自動(dòng)控制是一種較為理想的排水系統(tǒng)控制方式，其自動(dòng)化，智能化水平高，系統(tǒng)編寫則需要更加嚴(yán)謹(jǐn)，細(xì)致，對(duì)PLC、傳感器等的要求也較高[3]。

2 礦井排水設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)改造的實(shí)現(xiàn)

2.1 改造目標(biāo)

此次改造排水設(shè)備控制系統(tǒng)的關(guān)鍵集中在傳感器、基于PLC的控制系統(tǒng)，通過(guò)多線共行、特殊情況特殊處理、極端情況全力對(duì)待的三類應(yīng)對(duì)措施，提高排水設(shè)備自動(dòng)化控制水位處理的水平，提高自動(dòng)化控制的靈敏度，保障安全生產(chǎn)。

2.2 改造措施

2.2.1 傳感器

提高自動(dòng)化控制靈敏度問題，需要多方面綜合分析地形、井深等環(huán)境因素，通過(guò)采用多個(gè)傳感器協(xié)同合作的方法，將井下積水區(qū)按照水深等距劃分多個(gè)采樣點(diǎn)，最低采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)最低水位線，最高采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)最高水位線，而最佳水位線則保持在中間傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)。對(duì)多個(gè)傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，以及各個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)截面的面積不同，需要綜合考慮排水水泵的開啟臺(tái)數(shù)，以及開啟功率。傳感器并入井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)示意圖如圖2。

圖2 傳感器并入井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)示意圖

2.2.2 PLC系統(tǒng)

除了參考水位，系統(tǒng)還需要考慮到水位不同時(shí)段的上升速率。對(duì)于每個(gè)礦井水下排水的不同情況，設(shè)定程序時(shí)，需要先通過(guò)計(jì)算以及檢測(cè)，大致推算出礦井水位上升的最高速率，并按照排水功率設(shè)定水位最快速率時(shí)各個(gè)排水水泵在保障安全排水、節(jié)能前提下的最高效的排水方案。對(duì)于不同的礦井，以及不同的積水區(qū)，可采用建模仿真的方式獲取水位上升速率最快時(shí)、水位上升正常速率時(shí)、水位維持不變時(shí)幾種特殊情況所需要排水水泵排水參數(shù)的設(shè)置方案。同時(shí)將這些特殊情況編入程序中，以應(yīng)對(duì)非常規(guī)水位變化情況的出現(xiàn)[3]。

除了設(shè)定以上方案，重要的是系統(tǒng)還需對(duì)排水設(shè)備設(shè)置“危險(xiǎn)紅線”。在出現(xiàn)高水位同時(shí)水位上升速度又達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，必須強(qiáng)制開啟所有排水水泵，全速進(jìn)行排水工作，以確保井下積水在高危狀態(tài)下能夠高效迅速的回歸正常[4]。

3 礦下排水系統(tǒng)應(yīng)用成效

改造后的系統(tǒng)應(yīng)用于源鑫公司排水設(shè)備中，將水泵以及其附屬設(shè)備均安裝基于PLC的控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，利用光纖將傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鏅z測(cè)控制中心，自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示、實(shí)時(shí)報(bào)警顯示。該系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的液位、溫度、水流量等參數(shù)如表3，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)智能分析，自動(dòng)決策排水設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到智能控制排水設(shè)備的效果。

表3 主要監(jiān)測(cè)參數(shù)記錄

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的數(shù)據(jù)采樣分析，改造后系統(tǒng)能后實(shí)時(shí)且精確的監(jiān)測(cè)井下排水相關(guān)信息，加快排水設(shè)備的調(diào)配速度。對(duì)比改造前后礦井排水設(shè)備的能耗信息，如表4，采用礦下排水設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠?yàn)榈V井節(jié)約14.1%的能耗，節(jié)約了人工成本。根據(jù)調(diào)用畫面響應(yīng)時(shí)間以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新時(shí)間的測(cè)量精度可知，在應(yīng)對(duì)模擬的高水位急劇上升特殊情況時(shí)自動(dòng)化控制系統(tǒng)反應(yīng)速度極快，是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的8倍左右。礦下排水設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)從能耗、成本、安全性上均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)[5]。

表4 優(yōu)化前后用電量統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 語(yǔ)

工業(yè)發(fā)展日新月異，煤炭需求量增大，自動(dòng)化水平騰飛的當(dāng)下，礦井井下排水設(shè)備的控制系統(tǒng)技術(shù)改造勢(shì)在必行。基于排水設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)的構(gòu)造方案提出多線共行、特殊情況特殊對(duì)待、極端情況全力對(duì)待的三類應(yīng)對(duì)措施，增強(qiáng)了排水設(shè)備自動(dòng)化控制水位處理的水平。改造后的排水控制系統(tǒng)全面提升了系統(tǒng)在檢測(cè)、控制、應(yīng)變等方面的能力，在降低人工成本的同時(shí)，節(jié)能減排也為企業(yè)帶來(lái)了不容小覷的經(jīng)濟(jì)收益。由此可見，礦下排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制改造未來(lái)發(fā)展前景十分可觀。