煤礦排水系統水泵自動控制設計及應用*

布朋生

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

礦井水害是在煤礦開采過程中，煤層涌水急劇增加，或破壞地下儲水層結構導致突水事故，井下積水超出主、副儲水倉的儲水能力發生水倉溢倉的現象。礦井水害會嚴重影響煤礦正常生產，甚至發生傷亡等重大事故。煤礦井下排水系統的安全、穩定、可靠運行,是減少或杜絕礦井水害的有效措施之一。國內外煤礦科研機構和企業積極開展排水系統自動化的研究和實踐，主要是將繼電器控制技術、PLC控制技術及智能控制技術引入排水系統自動控制過程[1-3]。目前我國部分大型煤礦企業已經實現了排水系統機械控制自動化，排水系統全過程的自動化運行、智能化控制也進入實質性試驗階段。但排水系統自動控制設備在使用中暴露出諸多問題，如控制策略單一、保護措施落后、設備維護困難等。本文以PLC控制技術為基礎，在介紹排水系統模型的基礎上，重點分析了排水系統水泵的硬件結構和軟件設計，實現排水系統水泵的自動運行控制過程，增強排水系統的保護措施，降低設備的維護難度。

1 排水系統模型

排水系統模型如圖1所示。其中:H2、H1分別為儲水倉的高、低水位。u(k)為水泵的決策向量，表示為u(k)={u1(k),u2(k),…,un(k)}。ui(k)∈{0,1}表示第i臺水泵在k時刻的狀態，0表示水泵停止，1表示水泵開啟。q(k)為涌水量與儲水倉水位的函數，表示為q(k)=KH(k)，K為常數[4]。排水系統的目標是將q(k)控制在H1

圖1 排水系統模型

2 硬件設計

2.1 硬件結構

排水系統水泵自動控制系統的硬件結構如圖2所示，主要分為4個模塊，即PLC控制模塊、開關量處理模塊、模擬量處理模塊及通信模塊[5]。PLC控制模塊由PLC控制器和擴展模塊(DI/DO/AI/AO及通信擴展模塊)組成。在獲取用于水泵控制的各個參數后，按照水泵啟停自動控制流程對排水水泵進行邏輯控制；同時，將水泵運行時的系統信息、參數信息進行匯總并通過以太網接口上傳至HMI人機界面或礦井環網。開關量處理模塊用于獲取水泵電動機啟動/停止控制點，各電動球閥、電磁閥控制點，還包括報警控制、控制方式選擇及水泵狀態等。模擬量處理模塊用于獲取出水口壓力、入水口真空度、水倉實時水位,以及電動機電流、電壓、溫度等模擬量信息。水泵電動機在啟動時，檢查并確認出水口壓力、入水口真空度。在水泵工作過程中，依據儲水倉水位進行水泵工作狀態、工作模式的轉換。通信模塊用于將排水系統的水泵自動運行狀態、參數、報警、故障等信息進行傳送，在HMI人機界面或監控平臺上顯示和控制，并將所有信息傳送至礦井工業環網，用于礦井排水系統后期的集中控制。

圖2 排水自動控制系統硬件結構

當信息傳送時，必須考慮數據的正確性和安全性，可以采用CRC循環冗余校驗、奇偶校驗、BCC異或校驗法及海明碼校驗等手段保證數據的正確，或者采用DES、AES、RSA、DSA、ECC等非對稱加密算法。

2.2 保護設計

為增強排水系統水泵自動控制過程的安全性、穩定性，保證排水系統連續、有序運行，在電路設計中增加開關量隔離保護電路、模擬量隔離保護電路、以太網隔離保護電路及抗干擾保護電路。

圖3為用于開關量隔離的光耦隔離柵原理，綜合利用本質安全型電源技術和光電隔離技術，將本質安全型電源、開關電源、輸入信號、輸出信號進行隔離，保證信號的安全性與穩定性。圖4為用于模擬量隔離保護的隔離式安全柵原理，將光、電、磁隔離技術融于一體，實現本質安全、非本質安全電路之間電源、輸入信號、輸出信號的隔離。當有危險電壓、電流進入時，實現快速切換功能，并且信號完全浮空，極大提高了信號的抗干擾能力。將網絡隔離變壓器應用于以太網信號隔離，利用耦合濾波原理實現數據信號的可靠傳輸[6]。另外，排水系統中的通信線都采用雙絞屏蔽線，減少信號干擾。變壓器初級、次級間采用屏蔽層隔離，隔離板接地，次級線圈不接地，以減少或消除寄生電容，提高抗共模干擾能力。

圖3 光耦隔離柵原理

圖4 隔離式安全柵原理

3 軟件設計

所設計排水系統一共有工作、備用及檢修3臺水泵。軟件設計的目標是根據儲水倉水位對3臺水泵進行啟動/停止自動控制。單臺水泵電動機的自動運行控制過程如圖5所示。儲水倉水位達到開泵條件，排水系統無故障即滿足開泵條件。開泵前，預警30 s，并發出“水泵電動機即將開啟，請注意安全”的安全語音提示。語音提示結束后，依次開啟對應水泵的真空閥、射流閥并將水泵內的空氣排出，進行水泵腔體注水過程。獲取真空度傳感器信息，判斷真空度是否滿足要求。如果真空度不滿足要求，延時時間T1后沒有超時，則重新進行排氣注水過程；如果延時時間T1超時，則關閉射流閥。如果真空度滿足要求，則進入開電動機過程，然后依次關閉射流閥、真空閥。此時,水泵電動機已經運行，檢查該水泵電動機出水口壓力。如果出水口壓力滿足出水要求，則打開出水閘閥進行排水作業；如果出水口壓力不滿足要求，則延時時間T2。在T2時間內水泵電動機處于運行狀態，在T2時間外排水系統發出聲光報警。

圖5 水泵自動運行控制流程

當排水系統水泵電機運行一段時間后，若儲水倉水位滿足水泵停機要求，則進行水泵停機過程,反之則系統繼續運行。如果在系統運行過程中發生故障，則系統進行聲光報警。

4 方案特點

1) 以PLC控制技術為基礎，對排水系統水泵進行自動控制設計，可有遠程、就地2種控制方式，有手動、半自動、自動3種控制模式，適應不同場合對排水系統的需求。

2) 利用TCP/IP及無線通信技術，將排水系統運行狀態、參數信息上傳至礦井工業環網，為后續的煤礦井下智能化、少人化提供數據平臺。

3) 對排水系統硬件結構進行保護設計，減少電氣元器件的故障率，提高排水系統運行效率。

5 應用效果

晉煤集團成莊煤礦一盤區4#排水系統按照所述設計進行自動化升級后，取得了較好的效果，并滿足預期設計目標：

1) 對排水系統水泵的控制方式有多種選擇，可進行“避峰就谷”控制、“高低水位”控制、“水泵輪換”控制及“水泵定時”控制等。

2) 排水系統保護措施增強，元器件的損壞率降低，電氣故障減少，保證了排水系統安全、連續、穩定運行。

3) 設備維護變得簡單、處理故障變得方便、運行效率大幅度提高。升級后的排水系統可嘗試少人、無人操作，實現排水系統的自動化運行。同時，當排水系統出現故障時，可通過監控平臺進行查看并根據故障提示對其進行排除。

6 結論

排水系統是保證煤礦井下安全的重要系統之一。研究并實現排水系統的自動化、智能化是發展方向之一。將人工勞動力從繁瑣、復雜的工作中解放出來，促進排水系統的少人化、遠程集中控制。后續研究中，可將本文的水泵自動控制過程嵌入到排水系統智能化遠程監測平臺的大系統中，為實現煤礦“無人則安、少人則安、少時則安”的理念添磚加瓦。