礦井主排水系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行模式關(guān)鍵問(wèn)題的研究與應(yīng)用

趙曉磊 郭坤閃

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 八礦，河南 平頂山 467012）

0 引言

目前，在礦井泵房的主排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般設(shè)置多臺(tái)多級(jí)離心水泵，一組工作、一組備用，并設(shè)置了用于輪換檢修的水泵。系統(tǒng)普遍采用人工操作方式，操作過(guò)程繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、人為因素多、啟泵時(shí)間長(zhǎng)、自動(dòng)化程度低，不容易實(shí)現(xiàn)避峰就谷的控制方式，已不能適應(yīng)現(xiàn)代化礦井管理的要求，因此，主排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制是非常重要的。

國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2009年12月1日實(shí)施的《煤礦防治水規(guī)定》第118條規(guī)定：受水威脅嚴(yán)重的礦井，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)井下泵房無(wú)人值守和地面遠(yuǎn)程監(jiān)控。

平煤股份八礦二水平正常涌水量為310m3/h，最大涌水量為1275m3/h；泵房最大排水能力為1804m3/h；水倉(cāng)總?cè)萘繛?200m3，大倉(cāng)3200m3，小倉(cāng)3000m3。二水平中央泵房共有5臺(tái)水泵，其中工作泵2臺(tái)，備用泵2臺(tái)，檢修泵1臺(tái)。排水管路4趟，具有工作水管和備用水管，供配電能力能同時(shí)開(kāi)動(dòng)工作水泵和備用水泵。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)全部符合《煤礦安全規(guī)程》要求。

按照國(guó)家安監(jiān)局的規(guī)定，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)安裝了五臺(tái)泵，分別為兩臺(tái)主用泵，兩臺(tái)備用泵，一臺(tái)檢修泵，每臺(tái)泵使用軟啟動(dòng)拖動(dòng)，并且為了防止供電系統(tǒng)跳閘對(duì)排水的影響，五臺(tái)拖動(dòng)電機(jī)共用三個(gè)供電回路。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)涌水量、現(xiàn)場(chǎng)硬件設(shè)施及排水要求，設(shè)計(jì)排水集控系統(tǒng)。系統(tǒng)以西門(mén)子PLC300為核心，現(xiàn)場(chǎng)安裝布置各種傳感器，對(duì)電機(jī)和水泵的運(yùn)行參數(shù)及保護(hù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和傳送，這些參數(shù)包括：電機(jī)溫度、泵體溫度、機(jī)體振動(dòng)、實(shí)時(shí)流量、水位、真空度、電壓、電流、水泵出水口壓力、各種閘閥、電磁閥的位置信號(hào)、過(guò)轉(zhuǎn)矩信號(hào)等。

設(shè)備層包括各種閥門(mén)、傳感器，閥門(mén)有電磁閥、射流閥；傳感器包括超聲水位計(jì)、管路靜壓傳感器、電機(jī)溫度傳感器等。

監(jiān)控層主要由現(xiàn)場(chǎng)的操作臺(tái)，PLC控制柜組成。

現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)為隔爆兼本質(zhì)安全型，指示燈、按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、繼電器、電源開(kāi)關(guān)、蜂鳴器等都集中在操作臺(tái)上。操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的各種設(shè)備操作及各種控制方式的轉(zhuǎn)換，顯示各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)，各設(shè)備故障狀態(tài)的報(bào)警。操作臺(tái)除各種控制按鈕和顯示燈外還設(shè)有觸摸屏用來(lái)顯示系統(tǒng)流程狀態(tài)和報(bào)警信息。現(xiàn)場(chǎng)安裝了兩個(gè)溫度巡檢儀采集5臺(tái)水泵電機(jī)的15路溫度參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示并具有上限報(bào)警功能。

PLC控制柜負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制程序，采用SIEMENS公司的S7300系列的PLC，安裝有SM模塊、IM模塊，電源模塊、交換機(jī)等設(shè)備，主要完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集來(lái)的信息的運(yùn)算、判斷并發(fā)出各種控制信息等，PLC帶有以太網(wǎng)口可直接與交換機(jī)相連，并且該控制柜內(nèi)有一以太網(wǎng)交換機(jī)與PLC、操作臺(tái)觸摸屏、井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)相連。

排水系統(tǒng)是礦井綜合自動(dòng)化信息化的一個(gè)重要組成部分，信號(hào)傳輸和控制系統(tǒng)框架滿(mǎn)足信息化的整體設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)改造后不僅具備就地的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，還實(shí)現(xiàn)了以下功能：

1）系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；

2）在水倉(cāng)水位滿(mǎn)足條件的前提下，系統(tǒng)能按避峰就谷的模式進(jìn)行；

3）實(shí)現(xiàn)井下排水泵房無(wú)人值守的全自動(dòng)運(yùn)行；

4）整個(gè)系統(tǒng)做到全自動(dòng)運(yùn)行、系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠、維護(hù)方便、修改靈活。

調(diào)度中心通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口讀取數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和對(duì)設(shè)備的控制。排水系統(tǒng)接入全礦的綜合自動(dòng)化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水泵監(jiān)控子系統(tǒng)與全礦井的監(jiān)控系統(tǒng)信息共享。

2 關(guān)鍵問(wèn)題研究

全自動(dòng)模式為無(wú)需人為干預(yù)，由系統(tǒng)根據(jù)水倉(cāng)水位、用電峰谷自動(dòng)啟、停水泵，并且自動(dòng)實(shí)現(xiàn)水泵的輪換工作，做出合理的排水調(diào)度。實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的關(guān)鍵是水倉(cāng)水位的測(cè)量和處理、“避峰就谷”機(jī)制原理的遵循、泵自動(dòng)輪詢(xún)機(jī)制以及自動(dòng)起停機(jī)制的處理四部分。

2.1 對(duì)水位的分析與處理

整個(gè)排水系統(tǒng)的水倉(cāng)水位是通過(guò)雷達(dá)水位計(jì)探測(cè)后，經(jīng)PLC處理傳到上位機(jī)上，但是由于雷達(dá)水位計(jì)受外界的干擾比較多，如：井下作業(yè)引起的震動(dòng)，雷達(dá)探頭有障礙物干擾等，都會(huì)影響雷達(dá)水位計(jì)的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)上位機(jī)的水位趨勢(shì)圖分析，能準(zhǔn)確的看到水位經(jīng)常受到影響而波動(dòng)，且波動(dòng)的范圍較大，造成整個(gè)上位機(jī)系統(tǒng)錯(cuò)誤判斷，甚至由于誤判斷發(fā)出水位過(guò)高或過(guò)低警告。

通過(guò)對(duì)水位反復(fù)的觀(guān)察和測(cè)試，特采用以雷達(dá)水位計(jì)為基礎(chǔ)，同時(shí)加裝兩個(gè)浮球水位計(jì)作為參考的方法。兩個(gè)浮球水位計(jì)分別測(cè)高水位和低水位（安裝時(shí)，浮球水位計(jì)設(shè)定的高水位要比雷達(dá)設(shè)定的高水位略高）。當(dāng)浮球開(kāi)關(guān)在高水位時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)水泵，當(dāng)浮球開(kāi)關(guān)在低水位時(shí)自動(dòng)停止水泵，這兩個(gè)水位可以設(shè)置是否屏蔽。當(dāng)雷達(dá)顯示高水位而浮球不在高水位時(shí)，系統(tǒng)輸出故障告警信息但不起動(dòng)水泵，如果15分鐘內(nèi)沒(méi)有人為的對(duì)故障進(jìn)行屏蔽，則系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)水泵；同理，當(dāng)雷達(dá)顯示在低水位而浮球開(kāi)關(guān)不在低水位時(shí)，系統(tǒng)輸出低水位故障報(bào)警但不停止水泵，如果15分鐘內(nèi)沒(méi)有對(duì)故障進(jìn)行屏蔽，則系統(tǒng)自動(dòng)停止水泵。15分鐘這個(gè)時(shí)間可以進(jìn)行調(diào)整。這樣就避免了因?yàn)槔走_(dá)水位計(jì)受影響后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成較大的破壞，為系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行提供了保證。

圖1 水位監(jiān)測(cè)趨勢(shì)圖

2.2 “避峰就谷”機(jī)制

礦井排水用電占礦井總用電量的1/3以上，是用電大戶(hù)。礦井生產(chǎn)用電分不同時(shí)段，高峰時(shí)電價(jià)是用電低谷的10倍以上，所以，實(shí)現(xiàn)“避峰就谷”運(yùn)行是節(jié)約成本的需要。“避峰就谷”機(jī)制處理如圖1。

設(shè)定4個(gè)水位：低水位H1、中間水位H2、高水位H3、危險(xiǎn)水位H4。當(dāng)前水位設(shè)為H，當(dāng)H達(dá)到危險(xiǎn)水位H4時(shí)，無(wú)條件起泵。當(dāng)H達(dá)到高水位H3時(shí)，首先判斷電網(wǎng)的負(fù)荷，若處于低谷，即啟動(dòng)一臺(tái)水泵；若處于用電高峰或用電尖峰，則暫緩啟動(dòng)水泵，直到達(dá)到危險(xiǎn)水位H4再起泵。這樣就可以減少在用電高峰和用電尖峰起泵的時(shí)間，有效的節(jié)約了資源。高水位、低水位和中間水位可以根據(jù)實(shí)際情況人為靈活的設(shè)定。

經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的運(yùn)行試驗(yàn)，每次停泵時(shí)都將水位排至最低，滿(mǎn)足下次啟泵時(shí)是用電低谷的條件。

2.3 自動(dòng)輪詢(xún)機(jī)制

為了降低泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致的磨損程度加大，使用壽命快速減少的問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)計(jì)了泵自動(dòng)輪詢(xún)機(jī)制，同時(shí)充分考慮不同的供電回路和不同的排水水池。

平煤股份八礦二水平中央泵房有三個(gè)供電回路，兩個(gè)大水池，1#水池包括1號(hào)和2號(hào)泵，2#水池包括3號(hào)、4號(hào)和5號(hào)泵。對(duì)兩個(gè)水池中的泵分別設(shè)計(jì)自動(dòng)運(yùn)行順序表，如：一號(hào)水池泵序列為12，按順序啟動(dòng)水泵，如1號(hào)水泵啟動(dòng)完成（包括檢修、手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)）后，啟動(dòng)順序自動(dòng)變成21，下次則首先啟動(dòng)2號(hào)泵；二號(hào)水池345，按列表順序起動(dòng)水泵，如3號(hào)水泵啟動(dòng)完成（包括檢修、手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)）后，列表順序自動(dòng)變成453；這些啟動(dòng)順序表實(shí)時(shí)在上位機(jī)界面上顯示，并且啟泵順序可以直接在上位機(jī)上進(jìn)行修改。具體的排列順序如下：

一號(hào)水池循環(huán)順序?yàn)椋?2 21 12

二號(hào)水池循環(huán)順序?yàn)椋?45 453 534 345

這樣就避免了由于長(zhǎng)期使用一臺(tái)泵或者一臺(tái)泵長(zhǎng)期不使用造成的損害，有效提高了泵的利用率，也延長(zhǎng)了泵的使用壽命。

2.4 全自動(dòng)啟停機(jī)制

通過(guò)對(duì)三個(gè)月運(yùn)行記錄進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)每臺(tái)水泵運(yùn)行1個(gè)小時(shí)大約可以排出1.25個(gè)小時(shí)的礦山涌水量。為了能更好的提高泵的效率、節(jié)約生產(chǎn)成本，設(shè)置了參考水位3.3m、中間水位2.6m和距用電高峰或用電尖峰前3.5小時(shí)來(lái)作為啟、停泵的一個(gè)參考。

通常在用電低谷時(shí)段，達(dá)到高水位后自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)泵，若要啟動(dòng)第二臺(tái)泵須滿(mǎn)足水位低于3.3m或者距離用電高峰或用電尖峰前3.5小時(shí)，如14:30和4:30這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)（中間的水位和時(shí)間點(diǎn)可以在上位機(jī)進(jìn)行調(diào)整）。這樣系統(tǒng)可以根據(jù)井下涌水量(季節(jié)變化、井下涌水量變化、天氣變化時(shí))發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行微調(diào)，以最優(yōu)的方式完成排水任務(wù)。

在水倉(cāng)水位達(dá)到中間水位2.6m時(shí)會(huì)自動(dòng)停止一臺(tái)泵，另一臺(tái)泵繼續(xù)運(yùn)行直到達(dá)到用電高峰或用電尖峰時(shí)間自動(dòng)停止，或者達(dá)到設(shè)定的低水位2.3m也會(huì)自動(dòng)停泵。

這樣不僅可以避免在用電高峰和尖峰時(shí)段開(kāi)泵，而且也在最大程度上降低了泵的開(kāi)停頻率，有效的節(jié)約了電資源，也延長(zhǎng)了泵的使用壽命。

3 結(jié)論

通過(guò)合理的程序設(shè)計(jì)和對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理，理論結(jié)合實(shí)際，經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、系統(tǒng)程序的多次調(diào)整和實(shí)驗(yàn)，平煤股份八礦排水系統(tǒng)創(chuàng)造性的解決了全自動(dòng)運(yùn)行中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守，有效減少了電費(fèi)的消耗，為節(jié)能降耗做出了巨大貢獻(xiàn)。

［1］張廣龍，史麗萍.礦井中央稅泵房綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式[J].煤礦機(jī)電，2005（04）.

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