韓澤飛

（山西高河能源有限公司，山西長治 047100）

0 前言

對于煤礦企業(yè)來說，機(jī)電設(shè)備在煤礦開采中發(fā)揮著極大的作用。但是在煤礦開采中，很多煤礦由于開采時間較長，設(shè)備投入運(yùn)行的時間也較長，機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)不少依舊是采用繼電接觸式控制方式。此種控制方式要求安裝非常多的繼電控制裝置，而且在控制動作執(zhí)行過程中不夠迅速，很難開展相對復(fù)雜的控制工作，在實(shí)際控制過程中線路的節(jié)點(diǎn)位置較多，極易發(fā)生故障問題，而且機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過程中的能耗也較大，運(yùn)行效率較低。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的過程中，很多煤礦企業(yè)逐漸對以往所使用的繼電控制系統(tǒng)通過PLC技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加以改造，確保對繼電設(shè)備的自動化控制[1]。通過設(shè)備的自動化改造，希望達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)，同時希望能夠增加設(shè)備運(yùn)行的安全性以及效率。

在煤礦生產(chǎn)之中井下排水系統(tǒng)是極為重要的系統(tǒng)，同時也是礦井五大系統(tǒng)之一，排水設(shè)備運(yùn)行情況將對整個礦井生產(chǎn)造成直接影響。由于煤礦開采時，不同來源的地下水持續(xù)涌近礦井，要想保證煤礦開采工作的正常進(jìn)行，同時確保井下作業(yè)人員的人身安全，要求應(yīng)當(dāng)將井下涌水及時排出地面[2]。要求礦井排水系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)擁有更高的自動化水平，這樣才能確保礦井排水的安全性，為煤礦開采工作提供可靠的保障。

1 礦井概況

某煤礦采用的開采方式為豎井開采，開采過程中礦井的涌水量相對大，礦井全天排水量均值是142 m3/h，雨季單天最大排水量高達(dá)306 m3/h。礦井注水泵站的水倉設(shè)置為一主兩副形式，之所以設(shè)置兩個副水倉設(shè)置，主要是為了能夠輪流開展沉淀工作，以便工作人員有時間對涌水之中夾雜的雜物、淤泥以及砂石細(xì)顆粒等進(jìn)行清理，從而確保主水倉之中水體質(zhì)量。主水倉的容積值達(dá)500 m3，副水倉的容積值達(dá)200 m3。所使用的排水泵為DAI型離心式水泵，水泵揚(yáng)程值為246 m，額定流量為160 m3/h。水泵排水系統(tǒng)一共包含有兩路排水管道，直接和地面相通，其中一個正常使用而另外一個作為備用，管道的直徑是150 mm。在進(jìn)水過程中是利用真空水箱人工注水方法，應(yīng)用的控制方式依舊為繼電器控制方式，為了有效地對排水系統(tǒng)加以控制，還安排了專門人員完成具體的系統(tǒng)操作工作，整個控制過程自動化水平相對落后[3]。在水泵的開啟、停運(yùn)以及切換等過程中，均需要借助人工操作，很大程度上依賴于工作人員自身經(jīng)驗(yàn)，而且人工勞動強(qiáng)度較高，控制效率較低，水泵在開啟、停運(yùn)以及實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)等無法得以有效監(jiān)測。

2 水泵系統(tǒng)排水中可實(shí)現(xiàn)自動化操作的過程

在水泵設(shè)備的控制系統(tǒng)之中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的環(huán)節(jié)有以下幾個：注水環(huán)節(jié)、閘閥操作環(huán)節(jié)、水位監(jiān)測環(huán)節(jié)、電機(jī)開啟與停運(yùn)環(huán)節(jié)、故障監(jiān)測環(huán)節(jié)以及參數(shù)信息傳輸環(huán)節(jié)。

（1）注水環(huán)節(jié)。在水泵運(yùn)行之前，要求水泵應(yīng)當(dāng)事先注滿水之后，確保水泵設(shè)備中葉輪部件能夠全部浸沒在水里，這樣在葉輪旋轉(zhuǎn)時，才可以確保水泵內(nèi)部形成一定真空度，從而使得水泵能夠達(dá)到排水的目的。要是水泵內(nèi)部的真空度較小，水泵之中存在空氣會導(dǎo)致無法上水，或者出現(xiàn)汽蝕問題。在自動注水操作中，通常采用的方式為加設(shè)射流泵加以實(shí)現(xiàn)[4]。

（2）閘閥操作環(huán)節(jié)。在水泵開始啟動時，應(yīng)當(dāng)確保出水閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，而在水泵停止運(yùn)行時，應(yīng)當(dāng)確保閘閥事先關(guān)閉，這樣才能有效防治水錘問題出現(xiàn)，確保水流量能夠逐步減少，此時才能夠停車。而要想達(dá)到上述要求，完成閘閥自動操作，要采用適宜于井下排水的閘閥裝置，這樣才能確保水泵系統(tǒng)自動化控制功能得以實(shí)現(xiàn)。

（3）電動機(jī)自動控制環(huán)節(jié)。在對排水設(shè)備進(jìn)行自動化改造的過程中，其中最為重要的工作便是確保水泵電機(jī)設(shè)備開啟以及停運(yùn)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制，其包含有PLC控制裝置、繼電器裝置和接觸器裝置等，在自動化控制改造過程中，根據(jù)水倉之中具體水位值，自動完成水泵開啟與停運(yùn)工作[5]。為了確保備用水泵在長時間停運(yùn)的狀況之下電機(jī)線圈不會由于受潮濕而發(fā)生故障，在具體的運(yùn)行過程中采取輪換運(yùn)行方式，這樣便能夠確保水泵設(shè)備在發(fā)生問題情況下能夠及早被發(fā)現(xiàn)。

（4）水位自動監(jiān)測環(huán)節(jié)。若想實(shí)現(xiàn)排水設(shè)備的自動化運(yùn)行，要求必須對水倉之中水位進(jìn)行自動化的監(jiān)控，這一工序之中最為關(guān)鍵的內(nèi)容是要保證實(shí)時、準(zhǔn)確地對水位情況加以監(jiān)控。現(xiàn)階段，在對水位監(jiān)測過程中可以使用超聲波液位傳感裝置以及投入式液位傳感裝置。

3 自動排水系統(tǒng)的改造與維護(hù)

3.1 自動排水系統(tǒng)改造原理分析

在經(jīng)過改造之后，排水系統(tǒng)的進(jìn)水端口使用的是無底閥門，并且利用真空注水桶完成自動注水以及排水作業(yè)，在出口位置設(shè)置型號為JD745的控制閥門。在對主水倉之中水位信號進(jìn)行監(jiān)測過程中，利用液位傳感裝置進(jìn)行監(jiān)測工作。在出口位置設(shè)置有壓力傳感裝置，以便對排水過程中的壓力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。在對電動機(jī)以及水泵進(jìn)行監(jiān)測過程中，采用電流傳感裝置以及溫度傳感裝置進(jìn)行監(jiān)測[6]。并且，在水泵的排水管道之上還設(shè)置有電磁流量監(jiān)測裝置，該裝置主要是用來監(jiān)測排水管道之中的流量。PLC控制裝置則依照水倉之中不同水位情況以及電網(wǎng)之中峰谷不同時段，來確定水泵的具體開啟或者停運(yùn)操作，并且計(jì)算水泵開啟的數(shù)量。PLC裝置還會對注水電磁閥門進(jìn)行實(shí)時控制，在水泵啟動過程中采用直接啟動方式。

（1）水泵設(shè)備的啟動：首先完成電動閥門的啟動工作，并且往水泵腔體之中注入水，在經(jīng)過1 min之后電動閥門將會自動關(guān)閉，此時水泵設(shè)備便開始啟動，在水泵出水之后控制閘閥便會依照兩邊不同的壓力差值而自動、緩慢開啟，最后完成整個水泵開啟工作。

（2）水泵設(shè)備的停運(yùn)：水泵停止運(yùn)行過程中，多功能閘閥會依照兩端的壓差值而自動、緩慢關(guān)閉。

（3）被控制對象：在自動化操作過程中，所控制主要對象包含有安裝于管道之中的電動閥門以及自動注水閥門。

在水泵自動控制系統(tǒng)之中，利用PLC裝置對水泵具體運(yùn)行信息進(jìn)行收集。傳感裝置會收集水倉之中水位的具體波動情況，而且會把所收集的水位信號加以轉(zhuǎn)換，從而得出單位時間之中各個水位段的水位具體上升情況，對井下涌水量進(jìn)行判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果對水泵的開啟以及停運(yùn)進(jìn)行實(shí)時控制[7]。井下水泵自動控制流程示意圖如圖1所示。

圖1 井下水泵自動控制流程示意圖

3.2 自動化改造控制方案

3.2.1 水泵啟動過程

（1）確定需要開啟的水泵設(shè)備以及對應(yīng)管路；

（2）完成水泵的啟動自動化操作。

3.2.2 水泵停運(yùn)過程

（1）確定需要停運(yùn)的水泵設(shè)備以及對應(yīng)管路；

（2）完成水泵的停運(yùn)自動化操作。

3.2.3 應(yīng)急水泵啟動過程

若是集控裝置發(fā)生失效問題，便會啟動水泵就地控制系統(tǒng)，也就是借助于組合開關(guān)柜裝置完成水泵設(shè)備的開啟以及停運(yùn)操作。

3.2.4 水位實(shí)施監(jiān)測和保證避峰就谷

要想確保排水系統(tǒng)能夠達(dá)到煤礦開采作業(yè)中的相關(guān)要求，同時實(shí)現(xiàn)避峰就谷的用電目標(biāo)，進(jìn)行自動化程序的設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合煤礦井下的涌水量現(xiàn)狀，把水倉從下往上劃分成了4個不同的水位線，分別為1號、2號、3號以及4號水位線。若是水位在2號水位線之下，則表明此時水位為安全水位；若是水位位于2號水位線以及3號水位線之間，則表明此時水位為低警戒水位；若是水位位于3號水位線以及4號水位線之間，則表明此時水位為中等警戒水位；若是水位在4號水位線之上，則表明此時水位為高警戒水位。要是水位達(dá)到了4號警戒線位置，則系統(tǒng)便會自動發(fā)出報警信號。在對水倉之中水位進(jìn)行監(jiān)測的過程中，采用的2臺安裝于水倉相同高度的超聲波液位傳感裝置[8]。

若想達(dá)到節(jié)約電能的目標(biāo)，便應(yīng)當(dāng)確保能夠?qū)崿F(xiàn)避峰就谷的用電目標(biāo)，不過由于礦井的作業(yè)環(huán)境相對較差，首先應(yīng)當(dāng)考慮的是系統(tǒng)運(yùn)行安全性。所以，在進(jìn)行水泵設(shè)備開啟的判斷操作時，首先要分析水倉之中水位波動情況，然后再盡可能達(dá)到避峰就谷的用電要求。

（1）若是水位位于2號水位線位置，要是此時用電時間為平段或者谷段，則要求應(yīng)即刻開啟水泵，要是此時用電時間為峰段，則應(yīng)當(dāng)暫時延遲水泵啟動時間。

（2）若是水位位于3號水位線位置，那么不管是在哪一種用電時段，均要求即刻開啟水泵進(jìn)行排水作業(yè)。

（3）要是只有1臺水泵投入運(yùn)行，水位依舊出現(xiàn)上升問題，此時應(yīng)當(dāng)即刻開啟另外1臺水泵設(shè)備。

（4）若是出現(xiàn)了較為緊急的狀況，例如井下出現(xiàn)較大的涌水量，則不管是電網(wǎng)用電情況怎樣，均必須同時啟動2臺工作水泵進(jìn)行排水作業(yè)，而且還要啟動備用水泵同時進(jìn)行排水作業(yè)。

4 排水系統(tǒng)自動化改造的優(yōu)勢分析

（1）在對排水系統(tǒng)進(jìn)行自動化改造的過程中，應(yīng)用CP1H作為整個系統(tǒng)的主要控制裝置，由于該裝置性能非常穩(wěn)定，從而確保了整個控制系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提升。

（2）通過自動控制的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)井下水泵房無人值守目標(biāo)。

（3）自動控制系統(tǒng)可以自動完成水泵設(shè)備開啟與停運(yùn)操作，依照水倉之中水位具體情況，若是水位出現(xiàn)高、低限，或者是水位的增長速率較快情況下，可以實(shí)時發(fā)出警報信號。

（4）在集控顯示設(shè)備之中能夠?qū)崟r的發(fā)布設(shè)備運(yùn)行情況，并且可以顯示出水倉之中水位變化數(shù)據(jù)，出現(xiàn)故障問題對應(yīng)的故障點(diǎn)還會不斷閃爍，以發(fā)出報警信號。