煤礦排水泵控制系統設計

王偉鵬

（陽煤集團供應處， 山西 陽泉 045000）

1 自動化煤礦排水系統的功能需求

排水系統的設計是為了保證煤礦采礦和輔助運輸的安全。煤礦排水系統的可靠運行對煤礦生產安全起著至關重要的作用。在煤礦排水系統中，因為控制的變量具有非線性特征，時滯和不確定性，所以，多年來煤礦排水系統一直無法建立有效的指示變量運動規律和特征的數學模型，缺失傳統控制的分析基礎[1]。由于，信息技術、自動化控制技術、溫度傳感器技術在早年間并不發達，所以需要以人為操作經驗為基礎，而不是控制系統的數學模型。排水系統操作已經使用了多年手動操作的方式，包括確定啟動和停止泵引擎的時間。由于自動化技術應用的局限性，在手動操作過程中，時常發生嚴重事故，導致礦井巷道淹沒、停產、破損。隨著傳感器技術的快速發展和自動化相關應用技術在煤礦井下排水系統的實現，為實現遠程規律排水系統控制提供技術參考和自動控制保障[2]。

1）具有多種控制模式。按照監管要求，常用的排水系統控制模式有如下幾個，包括遠程/本地、自動/手動和集中控制/維護。控制系統具有以下優先權，例如手動控制可自動切斷遙控器和自動控制，遙控器可以自動切斷自動控制，并且地下自動控制系統可以自動轉移到當遙控器突然失控時手動控制。每個泵將始終處于集中狀態自動運行模式下的控制模式，除非處于維護模式的特殊情況下。

2）具有設備保養模式。當設備需要維護時，設置為維護模式，確保足夠的設備正常運行。

3）對泵的選擇靈活方便。

4）對泵運行時間自動控制。按照峰谷電價原則、水位要求，確定泵何時應該啟動和停止。每臺泵的正常運行時間將被自動記錄下來，當水位滿足系統要求啟動水泵時，泵運行最短的時間將自動啟動，并在運行中反復優化泵的運行時間，以此達到泵的節能降耗目的[3]。

5）遠程遙控。泵的運行參數和現場的運行情況設備需要傳送到地面控制中心。控制中心可以收集和分析這些參數，必要時需要并可以發送指令到地下水泵排水系統進行遠程控制。

2 煤礦排水泵站的自動化網絡系統設計

自動排水系統由地面監測站和地下控制站組成，如圖1所示。

圖1 煤礦排水泵站的自動化網絡系統設計圖

系統主要組成包括以下六個主要的部件組成：

1）地面控制站。地面監控站可以監視系統運行狀態如溫度，排水裝置的壓力和流量，并控制泵啟動、停止，設置系統參數，下載運行階段化程序，監控/控制數據，并保存或管理監測數據。

2）地下工作站。地下工作站是整個控制系統的核心，其包括西門子PLC、數字模塊、模擬模塊、通信模塊和觸摸屏幕，用于控制水泵、電動閥門、潛水器的啟停泵和其他電動裝置。該站包括控制柜、傳感器和執行器。

3）控制柜。主要由PLC、觸摸屏、中間繼電器、信號組成發射器，光纖以太網交換機、開關電源、按鈕、指示燈等組件。這些設備用于信號采集、轉換、處理、輸出、顯示、保護、故障報警和通訊。

4）傳感器。主要包括液位計、流量計、負壓變送器、壓力傳感器變送器、溫度傳感器、電機電壓電流互感器，閥位開關和過扭矩開關。

5）執行機構。主要包括排水電動閥門、電動球閥、配電設備、本地控制箱等。配電柜主要由斷路器、接觸器、熱繼電器等組成，是電動閥門的配電回路，真空泵和電動閥門[4]。

6）本地控制箱。主要由開關盒、按鈕、燈等部件，用于轉換設備的運行方式和實現本地設備的啟停。

3 煤礦排水系統中泵控制系統的創新設計

3.1 泵的啟停過程

1）自動檢測水位。在泵引擎啟動或停止之前，水位必須是在非自動模式或手動模式下首先檢測。

2）調水。只有當泵的葉輪完全充滿水時，才可以將泵體形成必要的真空，實現正常的排水。

3）電動門操作。為了降低泵機的啟動功率，減少泵的功率發動機停機時水柱對泵的沖擊，出水閥必須在泵引擎啟動或停止之前處于關閉狀態。

4）失敗保護。在泵的運行過程中，電流或者電流溫度大于或小于正常值時，泵機必須快速停機。

3.2 本系統流程設計的主要創新點

1）避免高峰和填谷。該系統的設計運行在低功耗和盡可能避免在電力高峰期運行，但如果突然遇到發生洪水等緊急情況時，可以及時啟動排水程序。

2）利用水位設計優化泵運行時間。最佳排水：以低功耗啟動泵進行排水，此時并儲存水位恢復正常的時間。當水位達到或低于H1時，泵停止。正常時間排水：當水位上升到H3時，水泵按照選擇運行時間原則將立即開始。水泵停止運行在高峰期達到H2，在其他時間達到H1即可。高峰排水：當水位上升到H4時，在高峰期強制開始排水期間，當水位達到H2時泵停止。

3）多泵排水。當水漲得太快或水位達到H5時，有幾個水泵將依次啟動。當水位達到時，運行時間較長的水泵將停止運行H3等水位高峰期或水位達到H2時，待水位達到H1停止。水位控制圖如圖2所示[5]。

圖2 系統水泵運行——水位控制圖

4 結語

本文介紹的煤礦排水系統，融入了自動化軟硬件技術、傳感器技術、自動控制技術、PLC技術，可自動控制和遠程遙控。目前，這種自動排水系統已在國內外的某些礦山中投入使用，運行效果表明該系統穩定、可靠、方便，可以有效降低維護成本和功耗，不僅滿足了地下排水控制的需要，同時也提高了煤礦排水系統的自動化管理水平。