興隆莊煤礦中央泵房自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

駱秀生

（兗礦集團 興隆莊煤礦，山東 兗州272102）

井下中央泵房承擔著礦井的主要排水任務(wù)，對煤礦的安全生產(chǎn)起著舉足輕重的作用。 對該中央泵房各排水泵實行全方位自動監(jiān)控，及時掌握其礦井涌水情況，具有非常現(xiàn)實的意義，自動排水系統(tǒng)的研究，在礦業(yè)企業(yè)中已成為一個重要的研究課題。

1 現(xiàn)狀和存在問題

1.1 現(xiàn)狀

興隆莊煤礦中央泵房設(shè)在副井井底車房，與中央變電所同一硐室相互隔離。礦井中央泵房包括外環(huán)、內(nèi)環(huán)主副兩個水倉、主排水大泵房和排水管路組成。 中央泵房擔負井下排水任務(wù)。 標高－349.4m， 容積4227.43m3。 管道傾角27°，全長25m，寬3.5m，高3.1m，內(nèi)分布三路排水管路，管子道中間開有一電纜通道，下井四個回路的電纜經(jīng)副井和電纜通道進入中央變電所。 泵房內(nèi)原設(shè)計安裝了5 臺沈陽產(chǎn)250D×60×8 型多級分段式離心泵，進水口直徑250mm，每級揚程60m，共8級進水段，總揚程480m，流量420m3/h，每臺水泵自重3t。

1.2 存在問題

興隆莊煤礦中央泵房仍然使用傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng)，這種排水系統(tǒng)由于自動化程度低，應(yīng)急能力差，還做不到根據(jù)水位或其它參數(shù)自動開停水泵，這將嚴重影響井下主排水泵房的管理水平和經(jīng)濟效益的提高，存在很大的安全隱患。

2 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

從兗礦集團興隆莊煤礦自動化生產(chǎn)實際出發(fā)，針對現(xiàn)有排水系統(tǒng)存在的弊病，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和控制理論，開發(fā)適于煤礦井下使用的自動排水系統(tǒng)利用工業(yè)專用測控保護器和液位檢測裝置，組成自動監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)水倉水位變化情況，實現(xiàn)自動排水。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

1）系統(tǒng)滿足“煤礦安全法規(guī)”、“煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計規(guī)范”，和其它有關(guān)規(guī)定，設(shè)計的安全性、穩(wěn)定性和可靠性為基本原則；

2）通過總線和以太網(wǎng)控制，地面監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)連接到Internet；

3）所選設(shè)備的系統(tǒng)工作安全可靠、實用、充分考慮技術(shù)進步；

4）系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作靈活、維修方便的設(shè)計標準。

2.2 系統(tǒng)組成與工作原理

2.2.1 系統(tǒng)組成

本控制系統(tǒng)以PLC 作為控制核心，觸摸屏和上位機為顯示和主要操作設(shè)備，通過PLC 檢測水泵設(shè)備和傳感器的信號，控制水泵、真空泵等設(shè)備和電動閥門、電磁閥等執(zhí)行器。 系統(tǒng)主要包括：遠程主站（上位機）、集中控制臺、傳感器和執(zhí)行器等四部分。 系統(tǒng)示意圖如下圖1。

2.2.2 系統(tǒng)工作原理

數(shù)據(jù)自動采集主要由PLC 實現(xiàn)，PLC 模擬量輸入模塊通過傳感器連續(xù)檢測水倉水位，將水位變化信號進行轉(zhuǎn)換處理，計算出單位時間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，控制排水泵的啟停。電機電流、水泵軸溫、電機軸溫和定子溫度、排水管流量，等傳感器與變送器，主要用與監(jiān)測水泵、電機的運行情況，超限報警，以避免水泵和電機損壞。PLC 的數(shù)字量輸入模塊將各種開關(guān)量信號采集到PLC 中作為邏輯處理的條件和依據(jù)，控制排水泵的啟停。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

系統(tǒng)具有手動、集控、遠控三種操作方式，其中集控和遠控方式還分別分為集控手動、集控自動和遠控手動、遠控自動兩種方式，因此也可以將操作方式分為手動（即純手動，就地操作）、集控手動、遠控手動、自動四種。

1）手動：既保持現(xiàn)有的操作方式，整個系統(tǒng)完全脫離控制器，手動單臺就地操作各個設(shè)備，作為檢修或控制系統(tǒng)出故障時應(yīng)急的操作方式。

2）集控手動：該操作方式需要由操作人員根據(jù)水倉的水位確定需要開啟水泵的臺數(shù)，然后人工在PLC 控制柜上啟停水泵，當需要開啟（關(guān)閉）某臺水泵時，只需按下PLC 控制柜上的啟動（關(guān)閉）按鈕，系統(tǒng)將自動完成抽真空、開關(guān)閥門、運行參數(shù)判斷、報警、停機等步驟，實現(xiàn)單臺水泵的一鍵開啟（關(guān)閉）。

3）遠控手動：既地面控制室遠程啟停設(shè)備并監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)及各個運行參數(shù)變化趨勢。 在遠程啟停某臺設(shè)備時，其操作步驟和集控手動類似，操作人員只需按下監(jiān)控軟件上的開啟（關(guān)閉）按鈕即可。

4）自動方式：即根據(jù)液位高低、上水與否和峰谷電價時段等因素自動啟停水泵，閥門與水泵之間聯(lián)鎖起停，并實時檢測各個設(shè)備的狀態(tài)，發(fā)生故障自動停機并報警。 此方式下可實現(xiàn)無人值守。

3 結(jié)論

煤礦礦井排水是煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分，地下排水系統(tǒng)好壞嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)。本系統(tǒng)進行了分析，提出了本課題，本文完成了井下水泵房集中控制系統(tǒng)設(shè)計研究。 主要包括以下幾個方面：

1）改變落后的井下排水系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)的概念的映入，提高了工作效率和可靠性。

2）系統(tǒng)配備以太網(wǎng)，將上傳操作狀態(tài)中央水泵房和水泵機組參數(shù)信息到地上控制室通過工業(yè)以太網(wǎng)， 通過礦井地面控制室的局域網(wǎng)（LAN），然后向有關(guān)部門發(fā)布信息，授權(quán)管理人員能掌握地下排水系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)和遠程啟停裝置。

3）傳統(tǒng)排水泵組和輔助設(shè)備磨損快，提出了“新的自動旋轉(zhuǎn)設(shè)計”。排水系統(tǒng)的能量消耗太大，我們提出了“避峰填谷”的新設(shè)計思想。

4）通過人機交互界面，工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、文本、圖像直觀的反應(yīng)系統(tǒng)，實時反映系統(tǒng)和相應(yīng)的參數(shù)。