井下主排水系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動控制技術(shù)的應(yīng)用

甘松柏

1 未實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制前的主排水系統(tǒng)

在礦井生產(chǎn)過程中，由于自然和人為因素，造成礦井低洼處有積水，如果不及時排水，會給井下的安全生產(chǎn)帶來威脅，因此，井下都會施工主排水泵房。通過在低洼處設(shè)置水泵或風(fēng)泵，將積水排至主排水泵房，再由主排水泵房將水排至地面污水廠。

目前，大多數(shù)礦井采取的排水方式為在主排水泵房安裝多級泵、電氣設(shè)備、閥門、管路及其附屬裝置，排水時人工操作電氣設(shè)備、閥門來啟動泵，實現(xiàn)排水。此種方式，需要投入的人力比較多，且對排水系統(tǒng)的各種參數(shù)不清楚，很難掌握礦井涌水情況及特發(fā)情況對礦井造成的水害威脅。

西山煤電集團公司東曲礦屬大型礦井，有兩個生產(chǎn)水平，+973水平，+860水平。+860水平正常涌水量為70 m3/h，最大涌水量70 m3/h以上。由于涌水量大，排水垂高大，礦井排水采取分段式集中排水方式，由該水平在低洼處設(shè)置排水泵，將各積水點污水排放至大巷排水，最后流入+860水平主水倉。水倉設(shè)置主、副水倉2個，主水倉容積2 400 m3，副水倉容積為1 600 m3。

2 井下主排水系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動控制技術(shù)的研究

為了在+860水平主排水泵房實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動控制，首先要考慮的是水泵的控制方式，以往泵房安裝的是多級泵，需要人工開啟閥門排氣、灌水、啟泵，是實現(xiàn)自動控制的一個難題，解決此難題有兩個辦法，一是安裝一套自動灌水裝置，另一個是選用潛水泵，將水泵安裝在水里，啟泵時不需要灌水。還有一個難題是閥門的自動控制，這就需要為閥門安裝動力裝置。結(jié)合東曲礦的實際情況，經(jīng)反復(fù)論證，+860水平主水倉確定采用潛水泵排水，管路上安裝電動閥門實現(xiàn)自動控制。

在電氣控制方面，經(jīng)過優(yōu)化，選擇采用PLC技術(shù)來實現(xiàn)水泵的開停及閥門的自動開閉，通過在現(xiàn)場安裝各種智能儀表，采集信號給PLC，通過對信號的分析和判斷，對排水系統(tǒng)實施保護，保證水泵正常運行。為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，在主水倉安裝微機控制臺，將現(xiàn)場的管路流量、壓力，水倉水位等信號通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸給地面機房實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

3 設(shè)備選型及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)功能

在+860水平主排水泵房內(nèi)，根據(jù)礦井的涌水量計算，選型安裝3臺BQS型主排水泵，配套電動機450 kW(揚程250 m，流量350 m3/h)，2趟排水管路，每趟管路長約為1 900 m。在主排水泵房內(nèi)安裝控制臺，利用西門子PLC控制，通過數(shù)據(jù)模塊采集運行參數(shù)，自動檢測，動態(tài)顯示，并將數(shù)據(jù)傳送到地面微機房，進行實時監(jiān)測及報警顯示。為了實現(xiàn)自動化，在2趟主排水管路上安裝了7個電動閥門;3個壓力傳感器，采用川儀西門子PDS系列隔爆型壓力變送器;2個流量傳感器，采用唐山匯中LCZ系列隔爆型超聲波流量計;2個液位傳感器，采用西門子PDS系列隔爆型導(dǎo)壓式壓力變送器。

在現(xiàn)場安裝4個操作箱，3個操作箱分別置于1#～3#泵附近，在手動和檢修狀態(tài)時，可啟動/停止/打開/關(guān)閉所對應(yīng)的泵和電動閥。自動狀態(tài)下，除“停止”按鈕外其它按鈕無效，按動“停止”按鈕后，對應(yīng)水泵停止運行，系統(tǒng)將根據(jù)工藝要求自動換泵。第4個現(xiàn)場操作箱用于選擇水泵的檢修狀態(tài)，當(dāng)該水泵被置于檢修時，井下控制臺與地面微機房均無法操作該水泵及對應(yīng)的電動閥門，只有1#～3#現(xiàn)場操作箱可以控制。

水泵的工作方式：常規(guī)一開兩備，特例時可實現(xiàn)2臺或3臺全部工作;系統(tǒng)根據(jù)工藝和設(shè)備狀態(tài)可自動選擇，并開閉相應(yīng)電動閥，實現(xiàn)無人值守;有就地控制、本安集控、網(wǎng)絡(luò)集控、自動控制4種控制方式。每一種控制方式都分為手動控制和自動控制，在手動控制時，可單獨啟動/停止任何一臺水泵及打開/關(guān)閉任何一臺電液閥門，不受水池水位、壓力信號等控制(仍然受到檢修開關(guān)及電機保護的控制)。具體又可以分為現(xiàn)場單機手動控制、地面上位機、網(wǎng)絡(luò)單機手動控制2種方式;自動控制時，可根據(jù)采集回的工藝數(shù)據(jù)，在避峰用電時間段內(nèi)，自動控制運行水泵的選擇、啟動/停止，電液閥門的打開/關(guān)閉，故障時的自動保護/切換，根據(jù)水池水位值及高/低水位設(shè)定值自動啟動/停止水泵等自動化控制功能，水泵的運行采用輪流制。在警戒水位狀態(tài)下，不論是否在避峰用電時間段內(nèi)，系統(tǒng)立即緊急啟動。自動控制時，又分為井下控制臺自動控制/地面微機房網(wǎng)絡(luò)自動控制。地面遠(yuǎn)程控制操作采用密碼授權(quán)方式。

水泵具有避峰用電功能(但警戒水位優(yōu)先)，即在礦井用電高峰時，水泵不能啟泵。具備警戒水位緊急啟動(2臺或3臺同時運行)，高水位自動啟泵、低水位自動停泵功能(警戒/高/低水位值可自行設(shè)定，地面與井下均可設(shè)置);手動設(shè)置檢修泵位號時，自動狀態(tài)對檢修泵控制無效，該泵只可手動運行;具備流量、壓力、水位、故障、運行狀態(tài)、軟啟動器及綜合保護器數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控，同時將數(shù)據(jù)傳送至地面微機房，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控和記錄;主排水泵房控制臺，用于系統(tǒng)控制和運行數(shù)據(jù)顯示，與地面微機房組網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳送至地面微機房。并具備工藝數(shù)據(jù)上傳瀏覽功能，數(shù)據(jù)接口采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/TP協(xié)議。控制臺與水泵選擇箱安裝在主排水泵房內(nèi)。在主排水泵房控制臺和地面微機房工控機上顯示每臺泵的工作狀態(tài)，包括投入狀態(tài)、運行狀態(tài)、運行電流、水倉水位、高/低水位設(shè)置狀態(tài)、閥門狀態(tài)、出口壓力、瞬間流量、累計流量等。在地面微機房上位機可對多種數(shù)據(jù)進行記錄，方便以后進行查詢。

4 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)原理示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)原理示意圖

系統(tǒng)原理圖說明：現(xiàn)場各種壓力傳感器，流量傳感器，水位傳感器等采集的信號自動上傳給主排水泵房控制臺，控制臺根據(jù)采集的信號經(jīng)過計算，實現(xiàn)信息滾動顯示，進行各種功能報警、保護。也能夠制臺上實現(xiàn)對管路的選擇，對水泵的進行開啟;水泵的控制也可以通過現(xiàn)場控制箱進行操作。控制臺也能將水泵運行的各種參數(shù)通過光纖上傳到地面微機房。

5 經(jīng)濟效益及推廣前景

主排水泵房采用了遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)后，由以前一個泵房需要5個職工，減少到現(xiàn)在的3個職工，勞動強度大大降低，實現(xiàn)了減人提效，經(jīng)濟效益顯著。

又因為采集的信號直觀，便于巡視和管理，通過對各種參數(shù)的分析，可以對井下的水文情況實時了解，實現(xiàn)了礦井信息化管理。同時具有水位的自動監(jiān)察及緊急啟動功能，對礦井安全和不明來源的涌水有了保障性的措施，可避免重大的水患事故。另外，避峰功能減少了大功率設(shè)備對電網(wǎng)的沖擊，大大提高了礦井的安全供電。

實踐證明，該項技術(shù)的引用，技術(shù)含量高，自動化程度高，數(shù)據(jù)全，信息反饋及時，有力地促進了礦井的安全管理，節(jié)能減排，推廣前景可觀。

［1］ 海 心，馬銀忠，劉樹青.西門子PLC開發(fā)入門與典型實例子［M］.北京：人民郵電出版社，2009：11－12.

［2］ 顧樂觀，鄭 萍.現(xiàn)代電氣控制技術(shù)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2001：39－40.

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