煤礦水泵集控自動化系統的設計與應用

摘要：為解決傳統的人工現場手動操作排水系統在礦井排水中排水能力小、自動化程度低、操作過程繁瑣、應急能力差等問題，設計并應用煤礦水泵集控自動化系統，通過連續監測水倉水位及排水泵房各種設備相關參數、實時數據，對水泵實行數字化監控，并結合利用構建成的PLC自動管控平臺，通過工業以太網平臺傳輸接口模塊與設置在井下變電所的網絡交換機連接，通過井上調度中心監控所有排水泵等被控設備，實現對排水泵房電氣設備的遠程監測監控、聯動控制，提升了井下排水泵房整體的運行水準，縮減平日運行故障[4]，提高了水泵自動化程度、簡便了排水泵房操作過程、減少排水泵房崗位人員值守，同時也提高了礦井排水系統應急能力、工作效率和安全性，達到了自動化集控、無人值守、減人提效、降本節能的預期目標，是煤礦水泵集控自動化系統發展的重要方向之一。

關鍵詞：煤礦；水泵集控；自動化系統；遠程監控；無人值守；減人提效；節能。

一、引言

在煤礦生產過程中，排水系統是整個礦井生產流程的重要組成部分，特別是在中國著名的突水礦區焦作礦區中顯得尤為重要，排水系統不但要及時排出煤炭生產過程中的積水，而且還要在涌水期間有良好的礦井水排出能力；然而目前中國大多數煤礦泵房排水都還是停留在泵房現場人員值守操作的排水系統層面，泵房排水系統仍然存在著系統操作繁瑣、管理難度大、自動化程度比較低、應急能力較差等問題，所以對煤礦水泵集控自動化系統的設計與應用就顯得尤為重要，對提高煤礦安全生產具有重要的現實意義和經濟效益。

焦作煤業集團趙固（新鄉）能源有限責任公司積極響應“機械化換人、自動化減人”號召，率先探索設計與應用煤礦水泵集控自動化系統，代替人工現場值守，實現井下排水泵房等場所的無人值守，成功實現減少原有值守系統工作人員數量60%以上。其中以焦作煤業集團趙固（新鄉）能源有限責任公司井下中央泵房為例，中央排水泵房共安裝有13臺水泵，配套電機功率均為1400kW，供電電壓選用10kV電壓等級，水倉由2個6米深（內、外）水倉構成，水倉總容積5600m?，向井上排水由4趟φ425mm管路組成，排水流量4000m3/h。采用“PLC主站+集控操作臺+操作按鈕箱”模式架構，實現遠程及就地自動、半自動、手動三種控制模式，三種控制模式可以自由切換。實現了“視頻、語音、控制”三網合一的水泵集控自動化系統[1]，為煤礦生產的安全、高效、節能生產奠定了堅實有力的基礎[19]，達到了優化排水系統、遠程控制、無人值守[9]、降本節能的預期目標。

二、水泵集控自動化系統的組成

（一）水泵集控自動化系統主要組成部分

系統主要由PLC主站、礦用操作臺、礦用控制箱、礦用視頻巡檢、礦用語音設備、礦用閥門、礦用傳感器等組成。

（二）水泵集控自動化系統的監測、監控

1.開關量輸入：水泵運行、故障；電動閘閥開到位、關到位、過力矩、遠控；電動球閥開到位、關到位；礦用操作臺的遠程、就地、自動、手動、啟動、停止、急停、復位等。

2.開關量輸出：水泵啟動、停止；電動閘閥開、關；電動球閥開、關等。

3.模擬量輸入：壓力、真空度、液位、流量；水泵軸承溫度；電機軸承溫度、繞組溫度、電壓、電流；電動閘閥的開度。

4.視頻巡檢：限位信號、具體位置信號、視頻信號，前進、后退、自動定位等，為設備啟停提供依據[6]。

5.語音聯動：語音通話；語音預警；故障報警等。

（三）水泵集控自動化系統實現功能

1.完善原有系統在線監測并實時顯示水倉水位、水泵流量、真空度、電機電電壓、電動球閥和電動閘閥的狀態、電機和水泵的各部件溫度等 ，實時在線檢測水倉水位，當水位達到上限時能夠報警，自動開啟水泵；當水位達到下限時，發出信號，自動停泵（在原有系統基礎上實現）。

2.系統具有自動，半自動和手動三種工作模式，并能在三種模式之間進行切換，這種切換不會影響已經運行的水泵，以達到真正的無縫銜接。

3.排水自動化系統具有完善的故障報警和保護功能，當系統監測到故障狀態時給出聲光報警，并在屏幕上顯示故障報警界面，等待操作人員處置；若在一定時間內操作人員未給出應答，則系統自動進入開停水泵程序 。

4.系統具有歷史記錄功能，記錄每臺水泵的運行時間，啟動次數。在各泵性能均衡的條件下，各泵采用輪換工作制。在各泵效率有差異時，系統優先啟動效率高的水泵；另外，系統還定期啟動效率低的備用泵，以防其長期閑置而損壞。

5.系統保留原手動控制，即當PLC控制系統故障時，可恢復原來的人工控制系統。

6.系統具有備用電源，當電網停電后，系統可繼續工作2小時以上。

三、水泵集控自動化系統功能的實現

（一）種控制及節能高效工作模式

采用“PLC主站+集控操作臺+操作按鈕箱”模式架構，實現遠程及就地自動、半自動、手動三種控制模式，三種控制模式可以自由切換。PLC接入方式為采用PLC、單片機等控制的子系統（水泵集控自動化系統），管控服務器通過以太環網與PLC的以太網接口相連，且PLC的OPC Server安裝在管控服務器中與自動化平臺中的管控服務器進行信息交互。

根據水倉水位及“避峰就谷”的用電管控措施[2]，自動確定啟動水泵臺數及排水時間，根據實時水倉水位實現自動[2]開、停止水泵，對泵組實時狀態參數進行采集，并將數據傳送到監控主機，進行實時監測、控制及報警顯示，以達到優化控制，降低生產成本。另外為了使每臺水泵均勻磨損，降低故障風險，系統采用“輪循制”來工作。以每臺機組的累積時間為依據，自動選擇投入運行的水泵，使每臺水泵使用的時間保持均衡，保證設備磨損的平衡，降低故障率。

（二）視頻移動巡檢

系統可以配套“水泵房視頻巡檢裝置”，實現對每臺水泵的視頻自動巡檢，可以人工定位巡檢裝置進行定點觀察，也可以進行自動往返巡檢。系統啟動水泵時，巡檢裝置可以自動移動到相應的水泵，進行視頻監控。水泵出現故障時，可以自動定位到故障水泵，便于進行故障診斷。

（三）高效數據分析

煤礦井下排水系統耗電量大，運行成本高，系統通過對單臺水泵數據的查詢與分析，對設備運行狀態進行輔助評價，做出適時維護決策，實現設備的超前檢修，以焦作煤業集團趙固（新鄉）能源有限責任公司為例，井下主排水泵房三個，水泵集控自動化系統建設前后崗位人員需要情況對比表如下：

四、水泵集控自動化系統的優點

（一）開啟水泵的程序優化，在水泵啟動完成后再打開出水口閘閥，可使水泵電機啟動電流小、啟動時間短[7]、設備啟動運行穩定。

（二）泵房所有水泵機組地位平等，可以隨時就地檢修，系統運行時間能夠自檢，如果出現故障可以立刻投入其他機組運行，不影響井下排水[8]。

（三）可實現水泵均勻運行磨損：每臺水泵正常啟動以后記錄其運行時間，然后進行累計，在住循環中計算出開泵時間累計最短并且處于正常狀態和自動方式的泵等待下一次啟動[8]。

（四）根據水泵電機的運行參數，了解水泵的運行效率，為水泵的維護保養提供科學依據，延長水泵設備的使用壽命，減少發生事故的停機時間，提高水泵的運行效率[10]。

五、結束語

水泵集控自動化系統成功實現遠程操控“水泵房視頻巡檢裝置”監控水泵狀態，并實現“井下無人值守”，從根本上解決了生產效率低下、人員不足等問題，完善了原有系統設備的檢測缺陷，實現遠程控制及時判斷設備運行狀態，實現在線狀態檢測，有效的做到了設備預維修。

實現“無人值守”、“避峰就谷”，有效降低了系統的運行成本，提高了系統的安全性、可靠性，同時也起到了節能降耗的作用；實現了設備集中監控[3]，減少了現場的操作人員，提高了系統的運行效率，切實的為礦山企業等帶來了經濟效益，為“數字化”、“智能化”礦山的建設奠定了堅定的基礎。

參考文獻：

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[2] 董博.礦井主排水系統的簡單設計[J].科技信息，2011，22：286

[3]袁小東，鄧先明，王東東，等.基于以太網的煤礦排水綜合自動化[J].工礦自動化，2009，7：7-10

[4]顏彬.井下泵房自動化在趙固一礦的應用[J].中國新技術新產品，2015，6：8-9

[5]顧秀江.煤礦井下中央泵房自動化控制的應用[J].科技傳播，2011，24：146-147

[6]王躍.煤礦井下泵房自動化系統的設計與應用[J].礦山機械，2017，2：80-82

[7]李洪.井下中央泵房自動化排水系統的應用[J].科技信息，2012，7：269-270

[8]譚國俊，韓耀飛，熊樹.基于PLC的煤礦井下中央泵房自動化設計[J].能源技術與管理，2005，2：67-68

[9]吳建宏.中央泵房自動化無人值守改造的研究[J].能源與環境，2014，4

[10]高君.淺談煤礦泵房自動化控制系統[J].黑龍江科技信息，2017，13：94-95

作者簡介：陳鵬飛（1989-），男，河南扶溝人，助理工程師，2014年7月畢業于河南理工大學電氣工程及其自動化專業，現從事煤礦機電管理工作。