煤礦井下排水自動化研究與應用

摘 要：文章介紹了一種礦井排水節能自動化的研究方案，在此方案下井下離心泵可以根據水位的高低和水位增長速度并聯系當時的電價高低進行自動啟停。遠程控制系統可監測和采集相關參數，輪換使用水泵和管路，達到延長設備使用壽命，節約能源，降低勞動強度的目的。

關鍵詞：自動控制；礦井排水；遠程控制

煤是最重要的能源之一，也是冶金、化學工業的重要原料。中國是全世界最大的煤消耗國，每年消耗量占全球消耗量35%。煤的開采是一項最艱苦的工作，開采方式有礦井開采和露天開采，中國可露天開采的儲量僅占總儲量的7.5%，礦井開采是中國主要采煤方式。長期以來，礦井采煤一直受礦井涌水的威脅，人工控制水泵排水效率低，可靠性差，容易造成頻繁啟停水泵，使水泵磨損加重，另外煤礦用電有低價時間段和高價時間段之分，但是一般礦井在排水時往往不分時間段，水位到高水位時，水泵開啟，水位降到低水位時，水泵停止，這樣造成了煤礦要負擔高額的用電費用。所以，要采取一種節能型的自動排水控制系統來控制水泵的運行。

1 排水系統的功能

1.1 水泵實現自動控制

井下排水泵房通常都需要工人日夜值守觀察水位變化來決定水泵的開啟和停止。本系統最基本的功能就是實現水泵的自動排水控制，即自動控制水泵的啟停，達到井下泵房無人值守的目標。

1.2 監測和采集相關工作參數

本系統應能監測和采集水泵工作時的排水管路流量、水泵壓力、真空度、電機電壓和電流、電機溫度、軸溫，同時還必須能監測水倉水位的變化。

1.3 報警功能

系統具備多種報警功能。應能對監測的數據（電壓過低、電流過大、流量不足、軸溫過高等）超限時進行聲光報警，以報告給工作人員及時解決問題。

1.4 保護功能

系統會采集每個水泵的運行時間，同時會根據每個水泵的運行時間對水泵實行輪換工作制，以防止有的水泵一直在用而有的水泵一直不用這種情況發生，盡量做到每臺水泵的運行時間大致相等。還有排水管路也應如此，因為一般的礦井都會鋪設兩條以上的管路，管路也應輪換使用。

2 排水系統的組成

系統主要由操作員站、歷史站、最大電力監測分站以及水泵自動控制分站等組成，見圖1。

操作員站主要完成最大電力分站向水泵控制分站參數的傳遞，同時也是人機交互的核心，完成數據的圖形、報表展示，擔負著系統運行監測和維護、報警以及命令執行等任務。經過授權的操作員可以實時監測整個排水系統的運行狀況，以及各種數據的統計和分析，并可以向水泵控制分站發送命令，以半自動的方式直接控制水泵的運行。

歷史站主要完成歷史數據的保存、維護、查詢以及WEB的發布。歷史站能夠展現任意時段的各個水泵、電機、水位、最大電力等歷史參數，生成各種歷史報表和生產統計報表。

最大電力分站主要完成全礦最大電力采集工作。最大電力也稱最大需量，是供電部門核收電費的重要依據，一般每5分鐘計算一次5分鐘的平均負荷，一個月內最大值作為收費依據之一，本分站通過采集地面變電所主變的負荷，計算每5分鐘的最大電力，步長為一分鐘，作為水泵啟動參數之一。

3 系統主要工作內容

3.1 水倉水位的自動監測

水泵的開停是由監測到的水倉水位信息和水位上升速度決定的。水位傳感器的可靠性和精確性直接影響著整個控制系統的可靠性。將水位分為超低水位、低水位、高水位、超高水位四個水位分界線。當監測到水位線到達低水位時，若此時處于低計費時段則開啟一臺水泵進行排水，直到排到超低水位水泵停止。若處于高計費階段，則可以暫時不啟動水泵，等水位漲至高水位時則開啟一臺水泵進行排水，若水位繼續上升的話，則要開啟第二臺水泵進行排水，如果水位還是不能下降那就要開啟全部水泵進行排水，確保礦井的安全。

3.2 水泵自動啟動

離心式水泵只有在完全注滿水的情況下才能正常啟動，即水泵啟動前必須進行抽真空，這就需要在啟動前將吸水管和泵腔內注滿水以把其中的空氣排出去，否則會進行空轉，沒有辦法把水倉里的水吸上來，形成“干燒”，此種情況會嚴重縮短水泵的使用壽命。一般使用射流泵或真空泵來進行抽真空工作，它們的抽真空方式不同，但都可以達到所需的要求，使泵正常啟動。射流泵結構簡單、維護方便、占地少等優點，所以本系統采用射流泵進行抽真空工作。為了減小水泵啟動功率，一定要關閉出水閘閥后啟動，水泵停止時，為了避免水錘的發生，應先關閉出水閘閥，以減緩管道中的水下降的速度。

3.3 自我保護功能

整個排水設備自動控制系統擔負著井下不受水災的重要使命，因此要具有很高的安全性和可靠性。

3.3.1 供電保護。井下離心泵電機容量大，耗電量高，屬于一級供電負荷。一級供電負荷應由雙電源供電，并且兩個電源間無聯系。

3.3.2 超溫保護。電機功率比較大，在運行時會產生很大的熱量，如果工作一段時間致使電機軸溫過高并持續很長時間的話，容易損毀電機，所以當監測到溫度超過預設溫度時應停止該電機，啟動其他電機。

3.3.3 流量、壓力保護。在水泵開啟后或運行中，如果流量或壓力達不到正常值，則通過流量、壓力保護控制使本臺水泵停止，然后開啟下一臺水泵繼續排水。

3.3.4 漏水保護。每臺泵都裝有真空度壓力表，如在規定的注水時間內系統仍為收到真空度達到規定值的信號，則要停止開啟本臺水泵，改為開啟下臺水泵，同時發出故障報警。

3.4 監測和采集系統參數

系統會時刻監測排水時各工作參數并采集記錄形成歷史數據供工作人員調用。同時也為水泵“輪換工作制”提供數據依據。系統根據水泵的開啟時間自動按一定順序輪換開啟水泵，當某臺或者其所屬閥門等故障或檢修時，該泵推出輪換，其余水泵扔按輪換工作制運行。

4 系統控制方式

通過監測部分監測控制參數（水倉液位、流量等）和各泵的狀態參數，送至控制器中（PLC），并完成全部的控制。系統實現下面三種控制方式：

4.1 就地控制也可稱為手動控制。主要是為對各工作部件進行維護時使用，完全由人工來控制開啟各閘閥，電機等。此時，為了保證維護工人安全同時也為了防止他人對設備進行誤操作，遠程控制上位機只能對整個系統進行監測。

4.2 半自動控制半自動控制可以由操作人員決定開哪一臺泵和開幾臺泵，但只需通過遠程操作的開關按鈕來實現，水泵的啟動相關工作還是由PLC來控制。

4.3 全自動控制投入全自動運行的離心泵通過PLC遠程操作，水泵將按水倉水位等參數自動啟停。全自動控制根據省電原則采取“避峰就谷”的控制方式，按照煤礦電價高低將一天分為谷段和峰段，盡量避免峰段抽水。還可以引入特殊時期、水位結合控制方式，以保證水倉內水位在谷段結束前降到最低，為峰段蓄水做準備。如果檢測到水位升高過快的話要進行提前控制（提前開啟多臺水泵）避免發生事故，同時發出報警。

5 突發情況（涌水）處理方案

煤礦在開采過程中有可能發生涌水事故，在發生涌水事故時，整個排水系統的緊急反應和處理能力關系著整個煤礦工人和生產的安全。系統中包括巷道涌水監測裝置，一旦發生涌水事故，系統第一時間啟動連鎖保護裝置（關閉防水門、報警），在允許條件下啟動全部水泵進行排水，把損失降到最低（見圖2）。

結束語

煤礦井下排水系統自動化之后，可以自動對設備運行狀況和運行過程進行監測、自動控制，節約用電，更加合理的使用水泵。自動控制系統亦可降低工人勞動強度，對系統運行過程數據進行采集，形成歷史數據供需要時調用。該系統避免水泵頻繁的啟停，節約能源，可靠性強。

參考文獻

[1]李澤松，等.采區泵房自動排水系統方案探究[J].礦山機械，2005（5）：64～65.

[2]付鐵斌，王洪林.礦井排水系統監測裝置的研制[J].煤礦安全，2004（5）：17～19.

[3]宋杰.煤礦井下排水泵站的監控系統設計[J].煤礦機械，2006（5）：74～75.

[4]陳子春.井下中央泵房水泵自動化控制系統的研究與應用[J].工礦自動化，2007（2）：77～79.

作者簡介：于淑政（1963-），河北孟村人，1994年吉林工業大學碩士研究生畢業，主要從事煤礦機械設計及理論研究。

通訊作者：杜桂遷