張鈺煜

（洛陽義安礦業(yè)有限公司，河南 新安 471800）

煤礦井下主排水系統(tǒng)常規(guī)采用繼電器控制方法，主要依靠人工檢測控制，存在操作效率低、勞動強度大及故障率較高等缺點，且無法實現(xiàn)涌水量與排水量的自動匹配。礦井必須實現(xiàn)井下排水的自動化控制，是實現(xiàn)安全、高產(chǎn)、高效礦井的必然要求。近年來，國內(nèi)煤礦在水泵自動化控制研究方面主要集中在水泵選型、聯(lián)動及監(jiān)控等方面，為井下實現(xiàn)自動化排水奠定了基礎。洛陽義安礦業(yè)有限公司結(jié)合礦井主排水現(xiàn)狀，基于PLC 控制器對中央泵房集中控制系統(tǒng)進行設計及應用[1-5]，實現(xiàn)主排水系統(tǒng)安全、高效、合理的運行目標。

1 PLC 的礦井主排水控制系統(tǒng)設計

1.1 主排水系統(tǒng)概況

義安礦業(yè)公司主排水采用一級排水系統(tǒng)，在副井底車場建立中央泵房，鋪設一趟Φ325 mm×16 mm、三趟Φ426 mm×20 mm 排水管路，將礦井涌水經(jīng)副井直接排到地面。排水泵房共有8 臺PJ200B×9 排水泵，每臺水泵額定流量420 m3/h，揚程為790.5 m，采用高壓軟啟動器一拖二控制啟動，其中1 臺工作、6 臺備用、1 臺檢修，綜合排水能力2413 m3/h。礦井主要水倉有2 個，外水倉容量2329 m3，內(nèi)水倉容量1089 m3，水倉總?cè)萘窟_3418 m3。目前，礦井日?？傆克考s為205 m3/h，常規(guī)采用1 臺排水泵進行排水，滿足礦井排水需求。當?shù)V井涌水量增大時，隨之開啟備用排水泵，且每臺排水泵均有獨立的離心排水設備及電控系統(tǒng)。排水泵配套選用YB710S2-4 隔爆型電動機，額定電壓為6 kV，功率為1400 kW，轉(zhuǎn)速為1480 r/min。

1.2 主排水控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)是水泵排水自動化系統(tǒng)的一個核心組成部分，必須保證控制系統(tǒng)框架能滿足自動化整體設計的要求。系統(tǒng)主要具備以下4 個功能：（1）通訊監(jiān)控功能。采用通訊處理器建立點到點的通訊系統(tǒng)，遠程控制配備移動高清攝像頭，實現(xiàn)地面對井下的調(diào)度指揮。（2）控制功能。通過集中控制器PLC 實現(xiàn)水泵房相關設備的實時控制及信號采集，達到自動化排水的目的。（3）參數(shù)監(jiān)控功能。通過井下主排水自動化系統(tǒng)上位機監(jiān)控排水管路流量、真空壓力、軸承溫度等參數(shù)。（4）故障診斷功能。通過壓力傳感器、流量傳感器、液位傳感器等對水泵出水口壓力、實時流量、水位等進行實時監(jiān)測，出現(xiàn)壓力、流量及水位超過限定值時，立即進行報警，避免事故的發(fā)生。

（1）檢測保護單元

對水泵自動控制系統(tǒng)的檢測保護功能進行設計，檢測單元由投入式液位傳感器、壓力變送器、超聲波流量計、溫度傳感器等組成。利用投入式液位傳感器實時檢測水倉水位，水位信號經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出成標準模擬量信號（4～20 MA）交由控制箱作為主要控制信號，實現(xiàn)高水位起泵低水位停泵。利用壓力變送器檢測水泵內(nèi)部的真空度及出水口壓力，真空度（壓力）信號、出水口壓力信號經(jīng)轉(zhuǎn)換輸出成標準模擬量信號發(fā)送至控制箱，若達不到標準時則停泵并報警。利用超聲波流量計實時檢測水管內(nèi)水流量，將檢測到的流量信號送至PLC 控制器，可實現(xiàn)低流量報警并停泵。利用電機的溫度傳感器對電機前后軸的溫度進行實時檢測，當溫度超限時實現(xiàn)報警。

（2）控制系統(tǒng)

井下主排水自動化控制系統(tǒng)由自動化控制系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)及動態(tài)模擬顯示系統(tǒng)組成。系統(tǒng)通過安裝各類傳感器檢測得出管內(nèi)水流量、電機溫度、出水口壓力、水倉水位等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸至PLC 控制箱，由PLC 運算、分析及判斷，之后發(fā)出對應控制信號。同時，水泵、其他設備工作狀態(tài)及相關的實時數(shù)據(jù)會在上位機的10 寸真彩觸摸屏進行顯示。若系統(tǒng)檢測出故障，在現(xiàn)場觸摸屏上會顯示故障信息并進行報警。當水泵運行時出現(xiàn)定子超溫、高壓開關故障、出水口壓力過低等異常情況，水泵將自動停止運行，同時能準確地顯示故障的位置、類型并發(fā)出聲光報警。井下主排水自動化控制系統(tǒng)硬件配置如圖1。

如圖1 所示，可編程控制箱作為系統(tǒng)主站，內(nèi)置西門子S7 系列PLC，通過接收采集現(xiàn)場信號，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的控制?？紤]泵房硐室內(nèi)設備布置狀況，采用I/O 的方式采集數(shù)據(jù)及實現(xiàn)控制，選用帶TCP/IP 的RJ45 接口的CPU 及西門子ET200M處理器。系統(tǒng)模塊化靈活性高，分為通訊、輸出、電源、輸入、模擬量采集等模塊。其中，通過數(shù)字量輸入模塊采集設備的運行狀態(tài)，開關量由斷路器狀態(tài)、控制命令、球閥到位信號及閘閥到位信號等，在I/O 部分、PLC 控制器兩側(cè)分別配置32 路開關量輸入模塊1 塊、2 塊。建立R-F372、RS-232串聯(lián)通訊模塊，實現(xiàn)控制系統(tǒng)通訊功能。

圖1 自動化控制系統(tǒng)硬件配置圖

1.3 系統(tǒng)傳感器

傳感器的主要功能為采集設備運行的技術(shù)參數(shù)，主要檢測水倉水位、真空度、電機電壓、出水口壓力、流量等重要數(shù)據(jù)。傳感器選型時需考慮使用地點的溫度、電場、濕度及是否顫動等條件，即必須滿足使用地點的要求，挑選合適型號。系統(tǒng)傳感器根據(jù)其功能及使用要求分為兩類，一類是局部傳感器，具備自我診斷、檢測功能，建立不同階段的診斷數(shù)據(jù)庫，且自動生成數(shù)據(jù)曲線，通過分析數(shù)據(jù)曲線，當出現(xiàn)某一階段數(shù)據(jù)異常、波動幅度較大時，即表示設備運行狀態(tài)異常，則系統(tǒng)會立刻報警，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性：另一類是全局傳感器，通過超聲液位儀對整個系統(tǒng)的參數(shù)進行檢查，輔助冗余雙傳感器，保證系統(tǒng)運行的精度。

2 控制系統(tǒng)軟件設計

軟件設計必須具備以下功能：（1）自動輪換功能。當PLC 控制器檢測到某設備故障信號時，系統(tǒng)依次進行聲光報警、屏幕顯示及記錄故障信息，同時停止運行故障泵或管路，其余各泵和管路按既定順序自動輪換工作。（2）手動一鍵控制功能。工作人員在操作臺上進行操作，人工手動控制單個設備的開啟、停止操作。（3）順序啟動。通過設定間隔時間按順序進行水泵的啟動和停止操作。（4）水位顯示。將水倉水位劃分為低、正常、高、上限、危險等五檔，通過水位傳感器確定水位檔次，并發(fā)出控制命令。（5）自動控制功能。當水位處于低位或不在低位而處于用電高峰時段時，則水泵自動停止運行；當水位處于高位或不在高位而處在用電低谷時段時，則水泵自動開啟。自動化控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)化控制軟件流程圖

系統(tǒng)開始運行時，首先進行自檢，若檢測出故障時，需人工手動操作、控制，僅當故障解決后或檢測無故障時，方可進入自動化流程。系統(tǒng)啟動后，如圖2 所示，首先需要與高壓柜建立通訊，啟動I/O 處理程序，通過分析確定自動、半自動及手動三種運行方式之一，工作人員查看控制顯示箱判斷當前運行模式。當選定自動化模式時，則系統(tǒng)進入自動化流程，若運行過程中出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)將停止運行并進行報警；當選定為半自動模式時，通過人工操作確定泵號，之后進入自動模式；當選定為手動模式時，則PLC 不參與系統(tǒng)運行。

3 應用效果

基于PLC 的主排水泵控制系統(tǒng)確實達到“自動化減人”的目的，實現(xiàn)根據(jù)水倉水位起停水泵，同時能夠準確地進行故障識別與報警，保證了主排水系統(tǒng)運行的安全性，提高水泵運行效率，降低維護成本，每年可節(jié)省相關費用532.72 萬元。

（1）實現(xiàn)自動化控制和視頻監(jiān)控功能。全天可以減少崗位工4 人，按每人工資5000 元算，每月可以節(jié)?。?×0.5=2 萬元，全年人工工資可節(jié)省24 萬元。

（2）控制水泵輪流工作與適時啟動備用水泵。每月可節(jié)省電費：12 h×30 d×1400 kW×0.6 元（峰谷差價）=30.24 萬元，全年可節(jié)省電費362.88 萬元。

（3）提高水泵排水效率，每天可節(jié)省水泵運行時間3 h。水泵單臺電機1400 kW，每月節(jié)約排水電費：3 h×30 d×1400 kW×0.7 元=8.82 萬元，全年可節(jié)省排水電費105.84 萬元。

（4）降低后期維護成本。每年大修水泵2 臺和日常維修水泵8 臺，每年可節(jié)約維修成本費用40萬元。

4 結(jié)論

（1）洛陽義安礦業(yè)公司結(jié)合中央泵房主排水系統(tǒng)實際條件，依次設計系統(tǒng)硬件配置結(jié)構(gòu)及軟件流程，成功應用PLC 控制的自動化排水系統(tǒng)，實現(xiàn)排水量與涌水量的自動匹配，結(jié)合水倉水位變化充分提高井下主排水系統(tǒng)效率，能夠準確地進行故障識別與報警，達到安全可靠、節(jié)能高效、經(jīng)濟合理的優(yōu)化運行。

（2）主排水自動化控制系統(tǒng)投入運行后，極大提高水泵運行效率，降低維護成本，每年節(jié)省勞務費、節(jié)省電費及維護費532.72 萬元，經(jīng)濟效益顯著。

（3）常規(guī)煤礦井下主排水系統(tǒng)均可經(jīng)改造后應用基于PLC 控制的自動化排水系統(tǒng)，適用條件簡單，具有極大的推廣應用價值。