武永斌

（山西高平科興龍頂山煤業(yè)有限公司，山西 高平 048400）

1 高平科興龍頂山煤業(yè)副斜井水泵房概況

山西高平科興龍頂山煤業(yè)有限公司副斜井井底布置西翼水泵房主要分為主、副水倉，其中主水倉有效容量為1 400 m3、副水倉有效容量為800 m3；在水倉內(nèi)安裝三臺(tái)型號(hào)為MD155-30×8型多級(jí)離心泵，流量為155 m3/h，額定揚(yáng)程為240 m，電機(jī)功率為185 kW，工作電壓為10 kV；潛水泵安裝兩趟直徑為180 mm的無縫鋼管并與地面礦井水處理站連接。

西翼水泵房水泵供電電源主要來自西翼變電所10 kV不同母線段，采用三臺(tái)QJGR-75/10型礦用隔爆兼本質(zhì)安全型高壓真空軟起動(dòng)器控制水泵停送電。由于煤礦井下生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水量大、積水速度快，井下水泵房排水設(shè)備需具有功率大、耗電量大等特點(diǎn)，而傳統(tǒng)井下排水設(shè)施主要利用人工控制啟停，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制的目的，不僅勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大、排水效率低，而且排水設(shè)施出現(xiàn)故障后無法及時(shí)進(jìn)行處理，提升了排水設(shè)施故障率。為了解決這一技術(shù)難題，龍頂山煤礦決定對(duì)西翼水泵房控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，具體是安裝了一套遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)。

2 水泵房遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

水泵房遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)主要由工業(yè)以太網(wǎng)、PLC控制箱、隔爆兼本質(zhì)安全型顯示箱、傳感器、電動(dòng)閥門、地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)（包括上位機(jī)、配套監(jiān)控及控制軟件等）等部分組成。

1）該系統(tǒng)利用工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，將主排水自動(dòng)控制系統(tǒng)與礦井工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)中肩連接，從而實(shí)現(xiàn)了主排水系統(tǒng)工況數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)上傳至調(diào)動(dòng)控制平臺(tái)，便于遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測的目的[1]。

2）西翼水泵房共計(jì)安裝兩臺(tái)型號(hào)為KXJ660型隔爆兼本質(zhì)安全型PLC控制箱，主要用于水壓、水溫及流量等數(shù)據(jù)的采集，對(duì)閘閥的開關(guān)情況、水泵電機(jī)運(yùn)行情況、系統(tǒng)故障情況進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)各個(gè)閘閥、水泵電機(jī)等設(shè)備進(jìn)行啟?？刂?。

3）隔爆兼本質(zhì)安全型顯示箱型號(hào)為KXJ127（M），主要安裝在操控室內(nèi)，顯示箱通過信號(hào)線與PLC控制箱進(jìn)行通信，同時(shí)將水泵房系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)內(nèi)，從而完成數(shù)據(jù)的采集[2]、臨時(shí)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)交換。

4）水泵內(nèi)水位、水壓、水量等數(shù)據(jù)主要利用傳感器進(jìn)行采集，然后將采集數(shù)據(jù)上傳至PLC控制箱內(nèi)，控制箱及時(shí)對(duì)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果作為控制閘閥、設(shè)備啟停的重要依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)功能

1）遠(yuǎn)程控制功能：該系統(tǒng)在地面設(shè)置了地面監(jiān)控主站，并在主站內(nèi)安裝一臺(tái)上位機(jī)，上位機(jī)內(nèi)安裝組態(tài)軟件，從而可直觀顯示井下排水系統(tǒng)運(yùn)行各類參數(shù)[3]，并可遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)運(yùn)行。

2）無人值守功能：傳統(tǒng)排水系統(tǒng)通過人工啟停水泵，排水效率低、勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度大；而遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)根據(jù)水倉內(nèi)水位變化自動(dòng)控制水泵開啟，實(shí)現(xiàn)了水泵房無人值守的目的，并通過系統(tǒng)控制合理調(diào)度水泵運(yùn)行，既降低了水泵故障率，又提高了排水效率[4]。

3）系統(tǒng)維護(hù)功能：該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)每一臺(tái)水泵的水泵流量、出水壓力、電機(jī)溫度、電機(jī)負(fù)荷等運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并可根據(jù)系統(tǒng)工況參數(shù)對(duì)排水系統(tǒng)運(yùn)行效率進(jìn)行計(jì)算，從而提出合理有效的檢修維護(hù)方案。

4）通信功能：該系統(tǒng)主要利用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，各個(gè)設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)通信接口，從而保證系統(tǒng)可與礦井監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全性高的目標(biāo)。

3 系統(tǒng)控制模式及優(yōu)點(diǎn)

3.1 控制模式

西翼水泵房安裝的遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)主要有檢修、一鍵開啟、自動(dòng)、遠(yuǎn)程四種控制模式，從而保證了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活可靠，便于檢修維護(hù)。若系統(tǒng)通信出現(xiàn)故障，相關(guān)人員可在本地操作系統(tǒng)，保證水泵正常運(yùn)行，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。控制系統(tǒng)圖如圖1所示。具體介紹如下：

圖1 水泵房遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)示意圖

1）檢修：系統(tǒng)中具有檢修控制模式。檢修控制主要分為遠(yuǎn)程檢修控制和就地檢修控制兩種，遠(yuǎn)程檢修控制主要利用地面組態(tài)軟件直接控制；就地檢修控制主要利用隔爆開關(guān)上設(shè)置的檢修手柄，直接使系統(tǒng)完全脫離控制器，從而進(jìn)行檢修維護(hù)[5]。

2）一鍵開啟：操控人員首先根據(jù)水倉內(nèi)水位情況確定需要開啟的水泵數(shù)量，然后通過PLC控制箱開啟某臺(tái)水泵時(shí)，只需按下PLC控制柜上的啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)完成水泵抽空、打開閥門等動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立水泵一鍵開啟功能。

3）自動(dòng)：操作人員通過PLC控制箱設(shè)置各類參數(shù)，然后利用傳感器收集的水位、水壓等數(shù)據(jù)，自動(dòng)開啟一臺(tái)或多臺(tái)水泵進(jìn)行排水動(dòng)作，當(dāng)水位下降后系統(tǒng)再次自動(dòng)關(guān)閉水泵電源[6]，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制的目的。

4）遠(yuǎn)程：操控人員在地面操控室通過組態(tài)軟件直觀地觀察每個(gè)水倉水位情況，以及每臺(tái)設(shè)備運(yùn)行情況，確定需要開啟水泵的數(shù)量，然后按下上位機(jī)組態(tài)軟件開關(guān)按鈕，從而對(duì)井下水泵房水泵啟停進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

3.2 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1）降低勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度：該系統(tǒng)主要利用傳感器收集水倉內(nèi)水位情況，利用PLC對(duì)各種水泵進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)監(jiān)測各個(gè)水泵工況情況及合理進(jìn)行轉(zhuǎn)換，無須人工參與。與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)相比，其大大降低了勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度[7]，保證了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2）穩(wěn)定性強(qiáng)：為了防止集中控制系統(tǒng)因網(wǎng)路中斷、控制器故障等出現(xiàn)癱瘓現(xiàn)象，在集中控制的前提下保留了傳統(tǒng)手動(dòng)控制模式。即當(dāng)集中控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，相關(guān)人員可通過手動(dòng)繼續(xù)控制系統(tǒng)，保證井下排水系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3）實(shí)用性好：系統(tǒng)可對(duì)水泵房內(nèi)各個(gè)設(shè)備工況情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制，平時(shí)利用地面控制系統(tǒng)對(duì)井下排水設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行存儲(chǔ)，可供相關(guān)人員查詢、打印歷史記錄。遠(yuǎn)程人機(jī)界面顯示內(nèi)容豐富，簡單、易懂，實(shí)用性強(qiáng)[8]。

4）自動(dòng)化水平高：該系統(tǒng)中嵌入多種控制策略，根據(jù)不同情況采取不同控制方式，同時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)故障源，并自動(dòng)修復(fù)，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，降低系統(tǒng)故障率，大大提高了系統(tǒng)的智能化程度。

4 結(jié)論

2020年4月23日龍頂山煤礦西翼水泵房集中控制系統(tǒng)改造完成，4月28日投入使用，截至2021年4月通過1年實(shí)際應(yīng)用效果來看，取得了顯著應(yīng)用成效，具體如下：

1）提高了經(jīng)濟(jì)效益：該系統(tǒng)投入使用后井下水泵房無須安排專人值守；與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)相比，每天可減少作業(yè)人員達(dá)4人；降低了勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度，全年可節(jié)約勞動(dòng)成本費(fèi)用達(dá)28.8萬元；同時(shí)該系統(tǒng)投入使用后，系統(tǒng)故障率由原來的17%降低至4%以下，全年節(jié)約設(shè)備維修費(fèi)用達(dá)42萬元。

2）提高了排水效率：集中控制系統(tǒng)投入使用后通過現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，水倉積水容量控制在900 m3以下，未發(fā)生一起因系統(tǒng)故障出現(xiàn)的水泵房淹水事故。其大大提高了排水效率，保證了煤礦生產(chǎn)安全。