煤礦井下排水智能化控制系統設計分析

煤炭工業合肥設計研究院有限責任公司 王 瑄

一、前言

煤礦井下環境及地質情況復雜，井下涌水是非常危險的一項因素。如果發生透水除影響生產外，還可能造成淹井事故發生，對人員生命安全造成危險。因此，井下的排水泵就非常重要，其可靠性、安全性影響著礦井生產的效率、安全。當前，許多礦井水泵房排水自動化水平不高，應急能力差，存在很大的安全隱患，為避免事故發生采用半自動化加傳統的人工操作方式管理。本系統針對目前礦井排水系統存在的問題，利用先進的傳感器技術、通訊技術、計算機技術、網絡技術實現了排水系統自動化及通訊水平的極大提高。具有較高的智能化自動化控制水平、先進完善的檢測手段和較高的安全性、可靠性。系統投入使用取得了減員增效的目的，已取得良好的經濟效益。

二、項目概況

謝橋煤礦-610m井底車場設有中央水泵房，-720m水平井底車場設有輔助排水泵房，-720m井底車場排水進入-610m井底車場水倉，再由-610m排水系統經副井排至工業場地礦井水處理站。

-610m水平中央主排水泵房設有5臺礦用耐磨泵，配套電機1400kW、6kV；2臺真空泵,配套電機：11kW、660V；泵房內設有1套液壓站及15臺液壓閘閥，在真空管路上配置電動球閥9個。布置三趟主排水管路，設有主、副水倉各1個。

-720m主排水泵房內設有3臺礦用耐磨泵，配套電機：160kW，660V；2臺真空泵，配套電機：11kW、660V；泵房內設有1套液壓站及6臺液壓閘閥，在真空管路上配置電動球閥7個。布置兩趟主排水管路，設有主、副水倉各1個。

-747m水平的泵房設有2臺潛水泵，配套電機：37kW、660V，設有兩趟排水管路，水倉1個。

-610m、-720m兩泵房原有控制系統只可通過操作臺手動操作實現各自水泵的開停及對水泵運行狀況、數據進行監控。控制系統存在系統老舊不穩定、功能缺陷等問題，另一方面該系統操作程序繁瑣，故障率高，且相關設備、備件都難以購買；一旦出現故障無法進行更換修復，系統的安全可靠運行存在隱患。

本次設計對-610m及-720m水平水泵房電控系統進行改造，實現全自動運行及遠控功能。建設以無人值守為目標的集中控制與監視系統，提高自動控制水平，并納入礦井自動化控制系統，減少崗位人員，提高生產效率。

三、系統架構

系統采用分布式控制結構，包括井下控制系統、地面控制系統、視頻監控系統及通信系統。井下與地面設交換機，通過光纖以太網方式通訊，并留有與礦井綜合自動化系統通訊的接口。實現井下排水系統的全方位集中監控、監視和通信，具有較強的智能化自動化水平。

首先在-720m泵房設置一套自動控制系統，由1套PLC控制主站、1套防爆計算機，1臺集中操作臺及5臺就地控制箱組成，分別對-720m泵房水泵及配套設備和-747m井底泵房潛水泵進行監測、控制、顯示記錄、保護及報警。該系統可將所有監測、控制信息通過通訊口上傳至-610m中央泵房，實現在-610m中央泵房進行集中控制。

同時在-610m泵房也設置一套自動控制系統，由2套PLC控制主站、2套防爆計算機，2臺集中操作臺及7臺就地控制箱組成，可分別對-610m泵房水泵及配套設備、-720m和-747m泵房水泵及配套設備進行監測、控制、顯示記錄、保護及報警，并通過工業以太網接口與設在礦井生產調度指揮中心的操作站進行通訊，實現在調度指揮中心對泵房的遠控，即無人值守，達到管控一體化。

現場配置防爆網絡交換機，并裝設防爆網絡攝像機，實現圖像監控上傳功能。

四、主要設備和檢測傳感器

1、系統主站采用隔爆兼本安型可編程控制箱，內置S7系列PLC，電源、輸入、輸出、模擬量采集、通訊等模塊，接受水泵就地控制箱內部的PLC信號。

2、本安型操作臺做為集中控制系統的集控操作臺，其面板上面鑲嵌真彩觸摸屏，可以手動或以自動方式操控水泵及配套排水設備，可以直觀的了解水泵運行情況及各個設備工作狀態、各類儀表實時數據，同時記錄水泵運行參數。

3、就地控制箱安裝在每臺水泵旁，作為單臺水泵就地檢修控制箱，箱體面板上布置有水泵啟動、停止，電動閘閥打開、關閉、停止，電動球閥打開、關閉等操作按鈕和指示燈，方便檢修人員就地操作水泵及附屬設備。箱體面板上集成液晶顯示屏，內部配置S7系列PLC，可采集與本臺泵相關設備的運行狀況、水泵壓力、溫度、水倉水位等參數，發出控制指令，并與系統主站進行通訊，將單臺泵的運行信息上傳。

4、每臺水泵吸水管位置和出水管位置安裝礦用本安型壓力傳感器用于檢測水泵真空度和出水壓力。每臺水泵射流排真空部分安裝兩臺礦用隔爆型電動球閥，用于實現遠程射流排真空控制。每個水倉安裝一臺超聲波水位傳感器，用于檢測水倉水位。每條主管路安裝一臺礦用本安型超聲波流量傳感器，用于檢測主管路水流量。

五、系統功能

系統采集-610m、-720m及-747m泵房數據。在集控臺上既可實現單臺水泵控制，又可實現多臺水泵智能優化控制；可實時監測水倉水位、流量、壓力、真空度、電機繞組、電機及水泵軸承溫度等一系列參數及水泵、閘閥等設備工況；可手動、自動啟動或停止水泵的運行，開、關閘閥；具有短路過載等各種保護。系統配帶光接口交換機及工業以態網TCP/IP協議模塊，可與礦井綜合監測監控系統聯網，在礦井調度中心相應工作站上對系統工藝及電氣參數、設備工況、各類故障實現集中監視。

系統具有良好的人機界面，實時動態顯示系統工藝流程畫面、設備工況、工藝及電氣參數等，實現各參數及設備開停工況的實時及歷史趨勢顯示。并進行相應的數據處理、記錄、查詢等。

控制系統設置遠程、集中、就地控制方式，每臺水泵設置工作、備用和檢修三種工作方式。

六、系統特點

1、組網功能

本系統PLC控制器提供TCP/IP 的RJ45接口可掛接在礦井的網絡交換機上，通過交換機與全礦綜合自動化系統連接，并通過點表直接同上位機進行通訊完成遠程控制功能以實現“無人值守”。

2、口令保護

多級口令保護可以使用戶高度、有效地保護其技術機密，防止未經允許的復制和修改，操作口令加密分級保護，不同的用戶有不同的權限。

3、無人值守減員增效

將本機工作方式轉為“地面控制”或“自動控制”時，各水泵由地面主機或PLC根據自身程序以安全為第一的標準進行控制，最終達到無人值守。

4、削峰填谷降低成本

地面計算機根據每天礦井的用電負荷情況，確定用電高峰、低谷時間，并將參數傳給本機，使水泵運行在最經濟的時間；根據避峰填谷時間、水位、水位變化率完成自動化排水，并能輪換工作水泵。

5、曲線式水位自動控制

水位監測一直是礦井排水參數中最重要的參數之一，過去常用做法是將水倉水位分為五檔：低水位、正常水位、高水位、上限水位、危險水位，通過水位傳感器的監測數據判斷水位所處檔位后執行相應的控制。本系統將固定檔位式水位控制更改為曲線式控制，使PLC控制智能化。

6、涌水量增大早預警

根據水倉內的水位傳感器實時監測水倉水位，以時間、容積、水位相結合的方式測算出單位時間的涌水量，達到突發事故早發現、早預警、早排水的目的。

7、用水量監測

通過模擬量水位傳感器監測單位時間內的上漲速度，測算出礦井的涌水量并結合水位高度確定控制動作，提前了解事故情況，為緊急事故提前預知提前進入緊急排水狀態。

8、一鍵起停操作簡單

井下操作臺、地面調度均能實現一鍵開停，系統根據設備順序自動啟動監測各設備數值最后達到自動排水的效果，操作難度下降并減少誤操作發生的概率。

9、故障直觀易于維護

在現場屏上可漢字顯示各故障信息并報警，在地面控制站上可顯示現場單元當前的報警信息以及保存的報警記錄。當運行的水泵出現軸承超溫、高壓開關故障、流量不夠、正壓過低、電流不正常時自動停止運行，并能確切的顯示故障位置和類型且有聲光報警。

10、故障直觀易于維護

在現場觸摸屏上可顯示故障信息，同時報警。在地面控制站可顯示現場單元報警信息，同時將這些記錄保存。當水泵出現了如下故障，如電機超溫、高壓開關出現故障、正壓太低、電流不正常等等，均會停止運行，同時顯示出故障的位置并且報警。

七、結束語

系統遵循高起點、高技術、高質量、高效率和高效益原則。

做到技術先進，可靠性高，擴展與升級容易，具有故障自診斷功能；并充分利用現有資源，在技術先進的基礎上，做到經濟實用。

系統具有較高的自動控制、自動監測水平。通過智能化監測控制手段，達到了自動控制，減員增效的目的；達到了對事故早發現、早預警、早排水，降低了事故發生率；根據礦井的用電負荷情況，確定用電高峰、低谷時間，通過削峰填谷使水泵運行在最經濟的時間，降低生產成本，提高了排水系統的效率和可靠性，并可延長設備使用壽命。

與其他未投入本系統工程相比，本系統的投入及運行，減少了運行維護人員，可以做到井下無人值守；自動化方式運行，提高了生產效率和可靠性，降低生產成本，長期運行更能顯示出其顯著的經濟效益。