煤礦井下采區泵房遠程監控改造與應用

摘要:從礦井下采區泵房的實際情況出發，結合煤礦生產自動化的發展趨勢，提出一套井下采區泵房實現無人值守方案，重點介紹該方案研究的主要內容、達到的目標、關鍵技術及創新點，采用的技術，應用后能取得的經濟和社會效益。

關鍵詞:排水系統;遠程監控;PLC;采區泵房

中圖分類號:TP

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)21-0310-01

1 研究開發的主要內容、研究達到的目標及主要技術指標關鍵技術和創新點

1.1 研究開發的主要內容、研究達到的目標

(1)應用現代工業控制技術和監測裝置，實現排水系統的自動化。

(2)延伸其功能，使井下水泵房在實現無人化運行的同時，能夠根據井下具體情況和要求，選擇最佳運行方案，為井上監控系統提供有效的數據資料。

1.2 主要技術指標

(1)實現水泵溫度、壓力、真空、流量、水倉水位及井下涌水量異常變化等井上監控。

(2)實現井下各采區泵房集中控制。

1.3 關鍵技術和創新點

(1)由自動注水(抽真空)環節、閘閥操縱環節、水位自動監控環節、參數傳示環節、故障保護環節及電動機的自動控制環節等組成的監控系統。

(2)實現無人值守。

(3)實行在線監控。

2 采取的技術路線和現有的基礎條件

2.1 簡介

雙位邏輯控制是排水泵站最基本的工作方式，通過水井液面變化，運用高低水位與水泵運行狀態的邏輯運算關系，控制水泵下一步的運行狀態。在實際工作中，水泵房還要根據各種運行參數(如涌水量大小、水泵狀況等)、現場環境以及意外事故等，對水泵站進一步控制，或改變控制方法。在離心式水泵排水系統中，還要增加許多工作環節，這就使排水系統的工作方式更為復雜。現采用PLC作為控制器，用超聲波液位傳感器監測水位，結合相應的控制電路組成排水監控系統，用可控閥門和接觸器等作為執行件，完成對泵站系統的控制。

2.2 系統功能

2.2.1 工作方式

本排水監控系統有自動、半自動及手動三種工作方式。

(1)自動方式:由超聲液位傳感器連續檢測水倉水位，根據水倉的水位變化，自動開、停水泵及其閥門。正常情況下，按雙位邏輯控制和“輪班工作制”各臺水泵能自動輪換工作;水位變化過大時，自動投人必要數量的水泵運行，此方式可實現無人值守。

(2)半自動方式:操作工人根據水倉顯示水位，人工手動開、停水泵和確定開泵臺數，電機及其閥門的開、停由PLC自動執行。

(3)手動方式:維修工人可操作任一水泵電機、自動閘閥、電磁閥的開關，解除相互閉鎖關系。

2.2.2 系統組成

監控系統主要有6個環節組成，即自動注水(抽真空)環節、閘閥操縱環節、水位自動監控環節、參數傳示環節、故障保護環節及電動機的自動控制環節。

2.2.3 主要功能

(1)自動注水(抽真空):水泵只有在其葉輪完全淹沒于水中的情況下，泵體內部才能造成必要的真空度實現正常排水。若真空度不夠，泵內有空氣存在，將會造成不上水和轉動部件“干燒”等故障。系統采用射流泵抽真空，由真空表監測真空度，流量作為監測真空度的后備。系統通過控制靜壓水管開關來控制射流泵的啟動和停止。

(2)可控閘閥操縱:為減小啟動功率，水泵操作規程規定離心式水泵一定要關閉水閘閥啟動，而當水泵停車時，為避免水錘事故，必須先關閉閘閥，緩慢減小流速，最后停泵。泵體內充滿水后，以啟動和停止1#泵為例，其過程為:打開控制閥，進行抽真空;真空度達到要求后，啟動“水泵電機;水泵出口壓力達到設定值，打開水泵出口閘閥，進行排水;停止時，先關閉水泵出口閘閥，再停水泵電機。

(3)水位自動監控:根據水位的高低自動準確發出開、停水泵命令。依據雙位邏輯控制原理，采集水位信號，以開關量(水位開關)和模擬量形式輸送給PLC。水位傳感器的可靠性和準確性直接影響整個控制系統的工作可靠性，選用超聲波液位傳感器，它具有高精度、非接觸式、非機械型、維護方便、安裝容易、標定簡單等許多優點。

當水位達到開啟水位時，若處于低計費時段，可以立即啟動，若處于高計費段，則暫緩啟動;當水位繼續上升至水位上限時，則不論電網如何，必須啟動水泵。若水位繼續上升至水位4時，則表明一臺水泵的排水量已不足于排除礦井涌水，必須啟動第二臺水泵，兩臺水泵一齊排水，以礦井的最大排水能力來排除礦井出水。不論投人幾臺泵，水位必須下降到水位方可停泵。上述水位1至水位4均由超聲液位計將模擬信號送人PLC，由PLC通過軟件標定。分時計費亦由PLC通過軟件標定。

(4)參數傳示:主控柜的模擬屏上可模擬顯示水倉水位、水泵流量、水泵壓力及電動機、電磁閥和自動閘閥的各種工作狀態。所有的檢測參數及工作狀態均可由井下PLC通過傳輸網絡傳送給地面計算機，由計算機分析處理，在顯示器上模擬顯示，并做出曲線、報表，以利于地面管理人員做出正確判斷，向井下可編程控制器發出控制命令。

(5)故障保護:①流量保護。當水泵啟動后或正常運行中，如流量達不到正常值，通過流量保護裝置使本臺水泵停車，轉為啟動另一臺水泵。②電動機故障。PLC監視水泵電機欠壓、過流、短路等故障，由高壓開關柜的綜合保護器提供，并參與控制。③閘閥故障。通過對閘閥工作中壓力、流量及管路等參數的測定來判斷閘閥是否正常工作;通過信號反饋回PLC，進行故障保護與控制。

(6)電動機自動控制:該環節是排水設備綜合自動化控制系統的中心環節。它由PLC、中間繼電器及接觸器等組成，前5個環節最終都要與該環節配合，根據水位情況自動開、停水泵，及所開水泵臺數。為防止因備用泵長期不用而使電機受潮或有其它故障而未被發現，當緊急情況需要投人而不能投人以至影響礦井安全，該環節按“輪班工作制”來控制，以達到有故障早發現、早處理，以免影響礦井安全的目的。系統根據水泵的開啟次數自動按一定順序輪換開啟水泵;當某臺或其所屬閥門故障或檢修時，該泵退出輪換，其余各泵仍按輪換工作制運行。

2.2.4 性能特點

(1)實行在線監控:可對水泵房設備運行實行在線監控，并具有自診斷功能，實現水泵房的無人值守;通過網絡與礦井監控系統進行數據交換，接受管理人員指令。

(2)控制靈活:可實現多種控制方式之間的切換，應用于不同的工作環境下。一般情況下，根據水位情況自動運行;故障檢修或系統維修時，可使用半自動或手動方式運行，即可以對運行環節“截斷”操作。

(3)延長水泵壽命:根據水位控制原則，自動實現水泵的輪換工作，避免同一水泵長期使用，而其他水泵閑置;還以根據水井涌水情況，選擇不同的排水方案，避免涌水小量時水泵頻繁啟動，涌水大量時不能及時排除積水，使水泵合理運行，延長使用壽命。

(4)提高礦井電網質量:可根據電網負荷信息“移峰填谷”，確定開、停水泵時間，以提高礦井的電網質量，有效的減少電力消耗。

2.2.5 現有的基礎條件

廠礦聯合，設計方案，論證，設計，制造，評議工業性試驗。兗礦集團鮑店煤礦多年來對井下自動系統進行了大量的分析研究，對其性能熟練掌握，積累了很多經驗，如井下主要皮帶機集中控制、采區變電所實現無人值守等試驗、應用成功，并有大量的改進和試驗經驗，對井下現場條件熟悉，能保證項目順利完成。

3 經濟及社會效益、市場分析及產業化方向(市場占有率、前景、年產值、利潤等)

該項目不但對于提高礦井生產效率，保證生產安全有很大幫助，通過系統的優化控制，達到了高效節能的目的，并能極大地提高勞動效率，減少人員投入，減輕職工勞動繁重的體力勞動，安全系數大大提高，經濟、社會效益顯著。

4 結語

該方案是基于我礦井下采區泵房實際情況而提出的一項自動化技術改造方法，它對于提高我礦生產效率和安全生產都有很大幫助。采區泵房通過優化配置，可達到高效節能、降低成本的目的。

參考文獻

[1]張景成，張立秋等.水泵與水泵站[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2003.

[2]張建民，張書國等.采區排水系統的優化[J].煤炭科學技術出版社，2004.