基于集成控制的自動(dòng)排水裝置的研究與應(yīng)用

銀建安

（山西焦煤西山煤電杜兒坪礦， 山西 太原 030053）

引言

煤礦井下排水系統(tǒng)是確保煤炭生產(chǎn)企業(yè)安全生產(chǎn)的重要保障，其核心的作用是將井下巷道內(nèi)的積水及時(shí)排出井下，確保井下設(shè)備和人員的安全，但是目前我國(guó)多數(shù)煤礦井下排水系統(tǒng)之間相互獨(dú)立運(yùn)行，其控制、調(diào)節(jié)、檢驗(yàn)、維護(hù)均需要人工進(jìn)行，自動(dòng)化程度低，響應(yīng)速度慢，可調(diào)節(jié)性差，效率低下，嚴(yán)重影響井下排水系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，研究設(shè)計(jì)一種集成控制的自控排水裝置至關(guān)重要。

1 常用排水系統(tǒng)的優(yōu)劣

1.1 優(yōu)點(diǎn)

1.1.1 真空泵、離心泵聯(lián)合排水

該排水方式能夠有效延長(zhǎng)離心式水泵的有效吸程，能夠較好地保障積水區(qū)域水位的變化情況較大時(shí)排水裝置吸水時(shí)的可靠性。

1.1.2 自帶底閥的水泵排水

離心式水泵的排水包括自吸式排水和自灌式排水，自灌式的排水方式要求吸入點(diǎn)要低于積水位置的最低積水液位，其具有壓頭高、排水量大的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)需要將離心泵的吸頭安裝位置高于積水位置的最低積水液位時(shí)，就需要采用自吸式結(jié)構(gòu)，自吸式結(jié)構(gòu)的水泵在首次啟動(dòng)時(shí)需要排除泵內(nèi)的空氣，通常采用向水泵內(nèi)灌入水的方式進(jìn)行排氣。當(dāng)離心泵采用自吸式排水時(shí)，其吸頭安裝的位置高于積水位置的最低積水液位，在啟動(dòng)水泵時(shí)需要往泵內(nèi)灌入一定量的水，用于排除泵內(nèi)的空氣，這個(gè)時(shí)候?yàn)榱朔乐孤┧?，就要在進(jìn)水管的位置設(shè)置一個(gè)底閥，用于防止水泵在啟動(dòng)時(shí)灌入內(nèi)部的水漏出，應(yīng)用靈活性較高。

1.2 缺點(diǎn)

上述兩種常用的排水方案具有各自的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍，但其整體均存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障率高、自動(dòng)化程度低的缺點(diǎn)，整個(gè)控制過(guò)程需要人工不斷進(jìn)行干預(yù)，無(wú)法將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的積水?dāng)?shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行匯總，也無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，不能完全滿足井下設(shè)備越來(lái)越高的自動(dòng)化、智能化的控制要求。

2 新型排水裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)有排水裝置的不足，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新的離心泵結(jié)合無(wú)底閥總成的基于集成控制的新型自動(dòng)化排水系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 新型自動(dòng)排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

基于集成控制的新型自動(dòng)化排水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要由信號(hào)監(jiān)測(cè)、采集系統(tǒng)，電動(dòng)閘閥等執(zhí)行系統(tǒng)，綜合電控系統(tǒng)，集控中心四個(gè)部分組成，可以將監(jiān)測(cè)的信號(hào)實(shí)時(shí)傳遞到地面控制單元，同時(shí)可以與地面上的上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊[3]，實(shí)現(xiàn)集成的智能自動(dòng)化控制，其結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2所示。

在實(shí)際井下排水系統(tǒng)控制單元中，在井下巷道的積水區(qū)內(nèi)會(huì)設(shè)置多組控制水泵，用以確保在某個(gè)區(qū)域發(fā)生大量涌水或者透水事故時(shí)能夠及時(shí)將積水排出巷道，在正常使用時(shí)，若積水較少則水泵通過(guò)集控單元的液位傳感器監(jiān)測(cè)確認(rèn)后，自動(dòng)將排水系統(tǒng)切換到單組運(yùn)行模式，用于降低排水系統(tǒng)的損耗，節(jié)省大量的電能。對(duì)于井下排水系統(tǒng)水泵組的啟動(dòng)或者運(yùn)行既可以通過(guò)地面集控中心進(jìn)行人工控制，也可以根據(jù)設(shè)定的邏輯控制指令進(jìn)行自動(dòng)切換，還可以通過(guò)井下的操作平臺(tái)進(jìn)行控制，能夠滿足在多重條件下的集中控制要求。

圖2 排水裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

綜合控制單元是自動(dòng)排水系統(tǒng)的核心，其主要是對(duì)一個(gè)控制區(qū)域的排水系統(tǒng)進(jìn)行綜合控制，對(duì)排水系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的排水流量、電流、電壓及水泵電機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，并將該區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)到的各類(lèi)信號(hào)進(jìn)行集中處理后傳遞到位于地面的集控中心，同時(shí)起到將地面集控中心傳遞過(guò)來(lái)的控制信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換并傳遞給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠正確地響應(yīng)控制信號(hào)[4]。

為滿足自動(dòng)控制要求，在該排水系統(tǒng)的集控中設(shè)置有“工作”、“備用”、“檢修”、“應(yīng)急”等控制模式。在正常工作時(shí)，如果積水區(qū)域的水位降低到了系統(tǒng)設(shè)定的值，則系統(tǒng)自動(dòng)控制第一套水泵停止運(yùn)行，若第一套水泵在運(yùn)行中的排水速度小于液位傳感器監(jiān)測(cè)到的積水區(qū)域內(nèi)水量的集聚速度，則系統(tǒng)自動(dòng)控制其他的水泵依次啟動(dòng)，用于確保積水區(qū)域內(nèi)排水速度大于水量集聚速度，其邏輯控制原理如圖3所示。

圖3 自動(dòng)控制系統(tǒng)控制原理示意圖

地面集控中心的上位機(jī)控制系統(tǒng)，對(duì)從井下傳遞上來(lái)的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理，將各類(lèi)信號(hào)轉(zhuǎn)換為直觀的曲線圖、圖表等便于控制人員觀察信號(hào)狀態(tài)，由控制人員根據(jù)系統(tǒng)所反映出的不同情況采取相應(yīng)的控制措施。

3 結(jié)論

該新型排水系統(tǒng)采用了“差壓自吸”方式進(jìn)行排水，很好地避開(kāi)了有底閥排水系統(tǒng)的缺陷，極大提高了排水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。同時(shí)該系統(tǒng)集成了集中控制單元和電控系統(tǒng)，能夠?qū)Ψe水區(qū)域的水位和水量情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于地面控制人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)該位置排水系統(tǒng)的運(yùn)行情況并進(jìn)行相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)，提高了煤炭井下排水系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化程度。

[1]王云花，李大峰.基于PLC的礦井中央泵房自動(dòng)控制排水系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)電，2011（1）：83-85.

[2]郭仁寧，李頌.離心泵取消底閥節(jié)能裝置設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性分析[J].煤礦機(jī)械，2009（9）：34-36．

[3]李亞哲.煤礦井下主排水系統(tǒng)工藝流程及其自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2011，37（5）：15-18．

[4]溫國(guó)棟.基于ARM的煤礦自動(dòng)排水監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.