西曲煤礦南翼下組煤疏排水系統綜合改造

成瑞強

（西山煤電西曲礦，山西 古交 020300）

煤礦多采用人工操作繼電器對煤礦井下排水系統進行疏排水控制，人工操作繼電器存在實時性差、效率低、人工成本高等一系列不足之處。水泵無法根據實際情況有效運轉，嚴重影響排水系統的排水效率，制約煤礦整體經濟效益的提高。隨著科學技術的不斷進步，涌現出一批高效自動化排水系統，PLC自動控制系統是其中的代表之作。該系統以PLC控制技術為核心，利用工業以太網與上位機系統連接，實時將數據傳送到地面生產調度中心，為有效管理井下疏排水工作做出巨大貢獻。

1 設計原則

南翼下組煤疏排水系統利用PLC控制技術和工業以太網通訊技術，對水窩排水進行自動化控制，同時達到對水窩的溫度、壓力、液位及流量等相關參數的運行狀態實時顯示及遠程控制，達到相關數據的實時監測及報警功能。根據液位通過智能開關實現水泵的自動起停控制，并可以通過流量開關控制水泵停止，避免空轉造成的設備損壞。系統通過上位機監控系統以影像、數據、文字等方式，簡單有效地反映系統工作狀態、水窩的溫度、壓力、液位及流量等參數并通過PLC系統中的通訊模塊接入以太網，與監控主機實現數據交換，并對井下水情周期性或實時性作出比對分析記錄，以便對水情數據進行綜合分析。設備布置如下圖1所示。

2 系統組成

該系統通過浮球液位器感應液位高度，并通過液位傳感器將當前液位信號轉換為標準的電信號，通過A/D轉換模塊輸入信號至PLC控制系統，PLC控制系統通過PID調節器將實際測量液面信號與預設液面信號進行比較和邏輯運算，繼而上位機向PLC發出控制信號，實現對水泵的啟停和切換控制。同時上位機組態軟件可以根據水位上升速率和排水量等檢測礦井涌水量，實現水情預警功能。如下圖2所示。

圖1 煤礦水泵房自動化排水控制系統設備布置

圖2 系統組成簡圖

2.1 PLC控制系統

PLC控制系統用CJI (西門子)作為其中央處理器，通過模塊上的PLC主處理模塊、以太網單元、拓展I/O模塊、模擬信號輸出單元、模擬信號輸入單元等構成。PLC控制系統的數據采集主要分為兩類：模擬量數據和數字量數據，通過PLC進行讀取，保證了數據的準確性及響應時間。另外系統設有RS485通信模塊，可以和智能供電設備建立連接，達到數據讀取及遠程控制功能。

2.2 上位機系統

上位機監控系統通過以太網與PLC控制系統進行數據通訊。具有操作控制功能，用來完成溫度、壓力、液位及流量等相關參數監測和控制，采集并輸出各種模擬量和數字量信息，形成各種運行數據報表、疏排水運行趨勢曲線、追憶趨勢曲線、人員操作記錄、歷史數據信息及報警保護信息等。為進一步的數據分析優化，提供現場資料支持。

2.3 工業以太網

以太網在設計時，由于其采用載波偵聽多路復用沖突檢測（CSMA/CD機制），在復雜的工業環境中應用，其可靠性大大降低，從而導致以太網不能使用。工業以太網交換機采用存儲轉換交換方式，在提高以太網通信速度的同時，減少了通訊過程中不同產品的接口數量及各種通訊協議的轉換，提高通用性，降低系統組態的復雜程度，且通道數據響應小于20ms，實時性得到很大提高。通過內置智能報警設計監控網絡運行狀況，使得在惡劣危險的工業環境中以太網能夠可靠穩定的運行。

3 多元化疏排水控制方式

3.1 井下自動控制

控制室控制所有設備，并顯示各水泵工作狀況和各種故障。綜合控制箱與PLC可編程控制箱結合可實現液位自動監控，根據水井的液位及其他因素，合理開停水泵。在正常液位時，各臺水泵能自動輪換工作，避免傳統模式中工作泵使用頻率高造成水泵磨損快，壽命短，而備用泵、檢修泵由于長期的閑置造成銹蝕無法使用。出現突出涌水時，系統能夠自動投入必要數量的水泵進行疏排水工作。當運行水泵出現故障時，做到及時報警，并自動開啟備用水泵。不論起動幾臺水泵，僅當液位逐漸下降至停機液位后，系統所有運行的水泵同時停止。

PLC控制系統以移峰填谷、均勻磨損、效率優先為原則。根據水泵等設備運行和保養情況、水倉內液位的高度、供電部門所規定的平段、谷段、峰段時的供電價格及井下用電負荷的高、低峰等因素，建立與之相對應的數學模型，然后再依據水泵的設計排水量和煤礦的具體涌水量綜合計算出所需的水泵的臺數，最后根據建立的實際化數學模型，對疏排水系統的運行進行準確合理的控制。

3.2 遠程操控

操作人員可在控制室以及中央泵房調度中心的終端監控觸摸板上遠程選擇控制水泵機組的起停，其余動作仍由PLC自動執行，即PLC完成單臺水泵起停、閥門啟閉等動作。設備操作人員可在井下PLC控制柜上實現對水泵工作狀態、啟停情況的監控。操作人員只需在上述觸摸板上按下停止鍵或是啟動鍵，便可通過觸摸板直接將操作命令傳達到中央處理模塊，即CPU。PLC根據上述控制邏輯，可瞬時對水泵進行啟動、停止工作。

3.3 井下手動檢修模式

井下每臺泵組配置一臺就地按鈕盒，選擇此模式的泵組，完全脫離PLC的自動控制，系統不受監測信號控制，需要手動操作水泵電機，相互動作互不閉鎖。

3.4 井下操作臺一鍵啟動

人工確定開泵臺數并選擇泵組的啟動，電機及其閥門的起停由PLC自動執行，即PLC完成單臺水泵起停、閥門啟閉等動作。

4 提高煤礦排水系統綜合自動化

4.1 智能化

操作模式遵照“井下優先”的原則可以進行自由切換。特殊條件時也可以進行自動切換，例如：當井上與井下通訊光纜中斷后，系統自動轉為“井下自動”運行模式，將控制權自動交給井下PLC進行控制；當設備運行在遠端操作模式或井下PLC自動控制模式的情況下，若PLC發生故障，則系統自動切換為現場手動運行模式。

系統在判斷監測終端或中間環節出現異常時，能迅速做出判斷并處理。并通過設計“井下優先”、“均勻磨損”、“移峰填谷”、“效率優先”等算法，可實現系統的自動判斷并選擇。

4.2 高可靠性

依照“安全第一、效率優先”的原則，運行模式的自動切換、機組自動切換及起停、冗余設計、設計系統的故障報警等功能，最大限度地保障系統整體運行。在系統達到最大涌水量或發生透水等緊急情況時，系統做出判斷且聲光報警，投入所有可運行泵組進行排水，保證井下排水要求。

實時監測每臺泵組的運行電流、電壓、壓力、流量等數據，與設定閾值進行比較，及早發現系統中存在的安全隱患。

5 經濟效益

該系統的投入使用，以“自動化減人”的方式，減少出勤人數由3人縮減為1人，后期只需1人進行定期檢修及隱患排查。以礦人均應發工資7650元/月計算，每年可節約人力開支183600元；該系統屬于一次性設備投入，因其合理的算法，大大延長水泵的使用壽命，較該系統投入前，每年可減少潛水泵BQS-100/100等設備投入52860元。

6 結語

下組煤疏排水系統通過直觀地監視和記錄工作現場的疏排水情況，及時發現事故苗子，防患于未然，也能為事后分析事故提供第一手圖像資料。該疏排水自動控制系統投入使用后，在提升礦井生產效益層面發揮了巨大作用。