岱河煤礦主排水系統(tǒng)集中控制研究與應(yīng)用

胡 斌，陳 涌

（淮北礦業(yè)集團(tuán)岱河煤礦機(jī)電科，安徽淮北 235038）

岱河煤礦主排水系統(tǒng)集中控制研究與應(yīng)用

胡 斌，陳 涌

（淮北礦業(yè)集團(tuán)岱河煤礦機(jī)電科，安徽淮北 235038）

闡述了集中控制技術(shù)在煤礦排水系統(tǒng)運(yùn)用中起到的作用及意義，并針對(duì)性說明了對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。通過對(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集中控制的原理、可靠性、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、模擬量曲線、圖像、運(yùn)行參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示及數(shù)據(jù)的傳輸方式等技術(shù)要點(diǎn)的具體分析，進(jìn)一步說明了該技術(shù)的科學(xué)性和可行性。最后介紹了該技術(shù)在岱河煤礦成功運(yùn)用的效果，用事實(shí)說明了系統(tǒng)在改造后取得的安全效益、社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益。

集控；自動(dòng)化；主排水

1 引言

煤礦排水系統(tǒng)承擔(dān)排出井下全部涌水的重要任務(wù)，是保障煤礦安全生產(chǎn)的最重要環(huán)節(jié)，其各種設(shè)備運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性直接關(guān)系到煤礦的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益，因此建立現(xiàn)代化控制排水系統(tǒng)是現(xiàn)代化礦井發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前國(guó)外先進(jìn)礦井已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了可編程控制的自動(dòng)化排水系統(tǒng)，結(jié)束了高耗能、低效率的時(shí)代，但目前國(guó)內(nèi)煤礦井下主排水系統(tǒng)仍多采用落后的排水方式和控制系統(tǒng)，這將嚴(yán)重影響井下排水泵房的安全管理水平和經(jīng)濟(jì)效益的提高。

近年來國(guó)內(nèi)的許多自動(dòng)化公司針對(duì)我國(guó)排水系統(tǒng)發(fā)展情況，對(duì)排水系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化進(jìn)行了深入的研究，并積極引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，在系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)、自動(dòng)輪換工作、自動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)顯示以及通訊方式等方面取得顯著成果。一些企業(yè)與國(guó)外公司合作開發(fā)了各種先進(jìn)控制系統(tǒng)，并在我國(guó)眾多煤礦成功運(yùn)用，取得良好的效果。我國(guó)煤礦排水自動(dòng)化控制技術(shù)已經(jīng)作為成熟技術(shù)應(yīng)用到許多先進(jìn)礦井。為了充分利用當(dāng)代先進(jìn)的科技成果，提升礦井機(jī)電管理現(xiàn)代化水平，建設(shè)按綜合自動(dòng)化的管理礦井。礦井主排水系統(tǒng)作為其中重要的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排水意義重大。

2 排水系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化控制的功能要求

2．1 控制系統(tǒng)由手動(dòng)集中控制、自動(dòng)集中控制和就地控制三種控制模式，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況由操作者選用，確保在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)操作靈活、易于維護(hù)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以就地控制，確保排水設(shè)備的正常運(yùn)行，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2．2 能夠自動(dòng)采集水泵的各種運(yùn)行參數(shù)，并通過液晶觸摸屏以圖形、圖像、數(shù)據(jù)、文字等方式，直觀、形象、實(shí)時(shí)地反映系統(tǒng)工作狀態(tài)以及水倉(cāng)水位、電機(jī)工作電流、電機(jī)溫度、水泵出水壓力等參數(shù)。

2．3 通過檢測(cè)水倉(cāng)水位、電機(jī)電流、電機(jī)電壓、閘閥、流量、真空度等參數(shù)，控制水泵工作，也可通過井下泵房操作控制水泵運(yùn)行。

2．4 系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、故障判斷、記憶及報(bào)警功能，并且可以顯示各種實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)。

2．5 能夠根據(jù)監(jiān)測(cè)到的信息判斷水泵的工作情況，故障時(shí)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并根據(jù)故障類型停泵。

2．6 可自動(dòng)、手動(dòng)控制水泵的啟停及閘閥的開、關(guān)及開度。2．7 保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)可靠、故障率低、維護(hù)方便。

2．8 控制設(shè)備或傳感器的選型滿足煤礦安全生產(chǎn)的有關(guān)規(guī)定。

3 自動(dòng)化排水系統(tǒng)控制原理

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制主要依據(jù)水倉(cāng)水位變化與水倉(cāng)蓄水容積的關(guān)系及水泵“避峰填谷”運(yùn)行的原則，對(duì)自動(dòng)化排水系統(tǒng)選擇性分時(shí)段排水控制。礦井排水電費(fèi)是煤礦生產(chǎn)成本的重要組成部分，直接影響噸煤成本的高低，而鑒于高峰、平段、低谷的三種電價(jià)有著巨大的差別，因此采取“削峰填谷”的分時(shí)段排水方式成為了節(jié)約電費(fèi)的必要手段，這就要求我們研究礦井涌水量、水倉(cāng)儲(chǔ)水能力、各時(shí)段電價(jià)、排水能力以及管網(wǎng)特性等之間的關(guān)系，使自動(dòng)化系統(tǒng)做到合理利用水倉(cāng)，白天多儲(chǔ)水，夜間多排水，并調(diào)整運(yùn)行水泵數(shù)量，降低最大電力的需求量和管網(wǎng)阻力，實(shí)現(xiàn)最低排水成本。

3．1 水倉(cāng)水位變化與水倉(cāng)蓄水容積 水倉(cāng)、清理斜巷、吸水井等斷面為不規(guī)則狀。水倉(cāng)蓄水量是水位、清理斜巷角度、水倉(cāng)坡度和水倉(cāng)斷面積的函數(shù)。其中清理斜巷角度、水倉(cāng)坡度和水倉(cāng)斷面積在系統(tǒng)中為常數(shù)，故水倉(cāng)蓄水量是水位的一元函數(shù)。水位傳感器設(shè)在吸水井中。

3．2 水泵“避峰填谷”運(yùn)行 根據(jù)水倉(cāng)水位的變化合理調(diào)動(dòng)水泵在用電的平段和谷段工作，避免峰段啟動(dòng)，調(diào)度水泵在平段和谷段將水倉(cāng)水位排降到設(shè)定水位，使水倉(cāng)騰出盡可能大的空間容納更多的礦井涌水，在峰段盡可能少開泵，達(dá)到減少電費(fèi)支出，確保重要負(fù)荷供電。

由于礦井涌水量、主排水泵的流量、管網(wǎng)阻力、水倉(cāng)容積等參數(shù)均為變量，設(shè)計(jì)必須將礦井安全放在首位，建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，針對(duì)各參量的變化，對(duì)控制方案實(shí)時(shí)求解，實(shí)現(xiàn)礦井排水自動(dòng)化。

4 自動(dòng)化排水系統(tǒng)的工作過程

4．1 模擬量數(shù)據(jù)和數(shù)字量數(shù)據(jù)自動(dòng)采集 自動(dòng)化系統(tǒng)以各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)作為控制依據(jù)，數(shù)據(jù)的采集尤其重要。自動(dòng)化排水系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水倉(cāng)水位、水泵排水壓力、真空度及電機(jī)電壓、電流、功率等。以下內(nèi)容闡述如何實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的采集：水位檢測(cè)—采用壓力檢測(cè)法。使用壓力傳感器四個(gè)，分別安裝在四個(gè)吸水井中。當(dāng)水位上升時(shí)，導(dǎo)管中的空氣柱受到壓縮，傳感器壓力隨之上升，而傳感器輸出電流與壓力呈線性關(guān)系。因此，該壓力值就可以在就地控制箱的儀表上顯示出來，并經(jīng)過PLC上傳至上位計(jì)算機(jī)。而在吸水井的上、下水位限位置安裝水位開關(guān)，可以控制開停水泵。壓力檢測(cè)——在每個(gè)排水泵的的進(jìn)水管和出水管各安裝一個(gè)壓力傳感器，數(shù)值可以直接顯示在就地控制箱的儀表上，并經(jīng)PLC上傳至上位計(jì)算機(jī)。真空度檢測(cè)——在真空泵和每臺(tái)泵的引水管上安裝電接點(diǎn)真空表，作為水泵啟動(dòng)時(shí)的灌引水檢測(cè)。

電動(dòng)機(jī)電壓、電流、功率檢測(cè)——四臺(tái)高壓電機(jī)的電壓、電流、功率由6KV開關(guān)柜內(nèi)的電機(jī)綜合保護(hù)控制器直接傳入網(wǎng)絡(luò)，另一路電流互感器電流信號(hào)顯示在就地控制箱電流表上。真空泵電動(dòng)機(jī)的電壓、電流、功率數(shù)據(jù)由其就地控制箱內(nèi)的綜合保護(hù)控制器傳入網(wǎng)絡(luò)。

4．2 模擬量曲線、圖像、運(yùn)行參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示 模擬量曲線、圖像、運(yùn)行參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示必須建立系統(tǒng)的信息平臺(tái)，以工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)總線為主干，工控機(jī)、PLC、有數(shù)據(jù)通訊端口的電機(jī)保護(hù)控制器、傳感器等作為網(wǎng)絡(luò)分站掛在總線上，以實(shí)現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)通信，構(gòu)成系統(tǒng)的平臺(tái)。主電機(jī)的電壓、電流、功率、運(yùn)行信息通過6KV開關(guān)柜內(nèi)的電機(jī)綜合保護(hù)控制器的通訊端口傳入網(wǎng)絡(luò)；其余的模擬量、開關(guān)量如水位、流量、壓力、行程開關(guān)開閉、接觸器通斷等，通過就地控制箱中的PLC的I／O接口進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

4．3 自動(dòng)化排水系統(tǒng)的可靠性 水倉(cāng)水位傳感器是系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，必須有高度的可靠性和準(zhǔn)確性才能滿足系統(tǒng)的需要。所以采用主要和輔助傳感器配合使用的檢測(cè)模式，該模式具有以下功能特點(diǎn)：在集中控制模式下，可由人工選擇四個(gè)吸水井中的某一個(gè)傳感器為主傳感器，其測(cè)量數(shù)據(jù)參與自動(dòng)控制。選為主傳感器的條件是：傳感器工作正常且所在吸水井的進(jìn)水閥門處于開啟狀態(tài)。其余未被選中的3個(gè)傳感器也符合條件，但只作為輔助傳感器，不參與自動(dòng)控制，其測(cè)量數(shù)據(jù)作為參考值與主傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，一旦發(fā)生測(cè)量數(shù)據(jù)相差太大的情況，立即發(fā)出警報(bào)，通知操作人員檢查故障原因。此種方式的水位檢測(cè)，可大幅度提高水位檢測(cè)儀表的可靠性，加上操作人員按照巡回檢查制度對(duì)水位進(jìn)行檢查，可以及時(shí)調(diào)整檢測(cè)數(shù)據(jù)，避免由數(shù)據(jù)中斷和數(shù)據(jù)不準(zhǔn)引起的事故。

5 結(jié)論

煤炭是我國(guó)最主要的資源之一，在煤炭資源開發(fā)利用的同時(shí)，礦井的生產(chǎn)也大量地消耗著各種能源，建立節(jié)能、高效的現(xiàn)代化礦井尤其重要。目前岱河礦機(jī)電管理規(guī)范化已經(jīng)達(dá)到較高的水平，可編程控制技術(shù)已經(jīng)在岱河礦的主、副井和地面生產(chǎn)系統(tǒng)等得到廣泛應(yīng)用，主排水系統(tǒng)集中控制的成功運(yùn)用成為煤礦實(shí)現(xiàn)機(jī)電管理現(xiàn)代化、統(tǒng)一集成化的重要舉措。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從技術(shù)管理、設(shè)備操作、安全保護(hù)等全面進(jìn)行優(yōu)化，建立了節(jié)能經(jīng)濟(jì)型自動(dòng)化排水系統(tǒng)，其技術(shù)水平和管理水平位于國(guó)內(nèi)先進(jìn)行列。主要體現(xiàn)在：（1）排水系統(tǒng)改造后，排水系統(tǒng)的效率由過去的56．6%提高到84%，每年節(jié)省用電140萬KWh，約45萬元。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)減員提效，每年可減少資金投入35萬元。（2）系統(tǒng)最大程度減少了由于人員操作造成的設(shè)備故障和安全問題，減小了設(shè)備維修量，確保排水系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)，為煤礦正常生產(chǎn)提供可靠保障。（3）控制系統(tǒng)根據(jù)煤礦涌水量，按照“削峰填谷”原則合理運(yùn)行水泵，減少了電力損耗，降低噸煤成本。（4）自動(dòng)化排水系統(tǒng)降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了科技含量，其操作方式從根本上改變了煤礦工人技術(shù)含量低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的傳統(tǒng)缺陷。

［1］ 王成福．PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試［M］．北京：人民郵電出版社，2010．

［2］ 雷冠軍．電氣控制與PLC應(yīng)用［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2010．

［3］ 史曉鋒．通信技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

責(zé)任編輯：訾興建

TP273

A

1671－8275（2011）01－0015－02

2010－11－15

胡斌（1979－），男，安徽淮北人，淮北礦業(yè)集團(tuán)岱河煤礦機(jī)電科工程師。

陳涌（1962－），男，安徽淮北人，淮北礦業(yè)集團(tuán)岱河煤礦機(jī)電科工程師。