煤礦井下自動化排水系統(tǒng)在實(shí)踐中的應(yīng)用

王 語

（唐山冀東礦業(yè)安全檢測檢驗(yàn)有限公司，河北唐山 063018）

0 引言

以開灤能源化工有限公司呂家坨礦業(yè)分公司950 排水泵房為例，通過此煤礦應(yīng)用自動化遠(yuǎn)方控制系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)泵房無人值守遠(yuǎn)方控制井下的排水系統(tǒng)，說明使用自動化排水系統(tǒng)在生產(chǎn)中的意義和重要性，提高井下排水自動化系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

1 意義和必要性

煤礦企業(yè)生存發(fā)展的需要，自動化排水系統(tǒng)的應(yīng)用是煤礦企業(yè)減人提效，減低成本有效手段；能夠有效的實(shí)現(xiàn)水災(zāi)預(yù)警，減少煤礦企業(yè)安全隱患；是實(shí)現(xiàn)礦井?dāng)?shù)字化的重要組成部分，他的實(shí)現(xiàn)能夠提高煤礦企業(yè)社會形象，是煤礦企業(yè)社會科技發(fā)展的必然結(jié)果。

開灤能源化工有限公司呂家坨礦業(yè)分公司950 排水泵房正常涌水量是269.4 m3/h，最大用水量是466.2 m3/h，安裝MD450-60*4G 排水泵8 臺，設(shè)備用量多，消耗電量占企業(yè)原煤成本的8%。在當(dāng)前煤炭企業(yè)節(jié)能減排，煤礦企業(yè)間競爭壓力大的情況下，正確配備排水泵，合理利用主排水泵運(yùn)行時(shí)間，提高系統(tǒng)運(yùn)行的綜合效率，對于煤礦節(jié)支降耗有著重要意義。

2 主要內(nèi)容

（1）自動化排水系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要針對排水泵、出水電動閘閥、注水電動球閥的自動控制；水倉（高、低）水位、流量（瞬時(shí)和累積）、水泵（進(jìn)、出口）壓力、電流、電壓、電動機(jī)（前后軸、定子）以及排水泵前后軸等處溫度全面監(jiān)視。通過現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，對設(shè)備遠(yuǎn)程控制與監(jiān)視；根據(jù)控制水倉液位實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)開泵，躲峰填谷、分時(shí)段用電。

（2）通過配有的圖像采集和視頻監(jiān)控設(shè)備，各類傳感器進(jìn)行信息采集，通過計(jì)算機(jī)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模塊分析數(shù)據(jù)，為管理人員做出判斷和分析提供依據(jù)，利用自動化控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)井下中央泵房無人值守。

（3）系統(tǒng)的組成靈活，既可以直接接入本礦安全監(jiān)測網(wǎng)，又可單獨(dú)組成井下自動化排水監(jiān)控系統(tǒng)。

3 目標(biāo)

3.1 實(shí)現(xiàn)無人值守目標(biāo)

通過自動化排水系統(tǒng)的安裝和使用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理動態(tài)化；事故預(yù)防、判斷超前化；實(shí)時(shí)顯示數(shù)字化；設(shè)備操作自動化。從而實(shí)現(xiàn)原有泵房無人值守的目標(biāo)。

3.2 應(yīng)用前景

礦井自動化排水系統(tǒng)是一個(gè)綜合性管理系統(tǒng)，他結(jié)合、運(yùn)用國內(nèi)煤礦最新產(chǎn)品技術(shù)，如監(jiān)測、保護(hù)設(shè)備、有線傳輸技術(shù)，綜合利用這一煤炭技術(shù)成果，為煤礦的安全生產(chǎn)、日常動態(tài)管理、事故應(yīng)急救援帶來全新的管理方式和技術(shù)應(yīng)用，是煤礦企業(yè)數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

采用該系統(tǒng)后，①排水泵的啟泵時(shí)間得到合理安排，做好“躲峰填谷”工作，降低電費(fèi)支出；②對管路效率、流量等數(shù)據(jù)監(jiān)測，合理利用水泵工況，提高整個(gè)排水系統(tǒng)的綜合效率，降低水泵噸水百米電耗；③通過對水倉泥位的監(jiān)測，能夠及時(shí)掌握水倉有效容量，合理安排清理煤泥時(shí)間，減少煤泥淤結(jié)，確保泵房汛期安全；對于水倉水位的監(jiān)測，可以保證高水位的排水，降低低水位開泵次數(shù)，避免氣蝕，吸水阻力減少，降低泵的磨損，提高水泵使用壽命。950 排水泵房通過該系統(tǒng)的實(shí)施，減少用工5 人，年均創(chuàng)效30 萬元。

4 排水系統(tǒng)概述

KY-ASCS-PAS 型水泵數(shù)字化自動控制系統(tǒng)主要由2 部分組成：井上監(jiān)視操控部分和現(xiàn)場泵房控制部分。

4.1 井上監(jiān)視與控制部分

監(jiān)視控制部分采用地面操控室集中監(jiān)控，用于控制井下數(shù)據(jù)上傳和排水泵的開啟，從而實(shí)現(xiàn)排水泵的自動化功能；井上控制室配備有功能齊全的操作系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)全礦井內(nèi)的排水監(jiān)控與控制，利用礦井的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將采集到的信息傳送到全礦井的自動綜合平臺，實(shí)現(xiàn)信息共享。通過監(jiān)測系統(tǒng)可以看到模似現(xiàn)場實(shí)際設(shè)備的具體情況。排水泵的工作壓力、流量、軸功率參數(shù)可以從地面控制室監(jiān)控系統(tǒng)庫中讀取，水泵運(yùn)行狀況顯示在地面控制室。通過控制室顯示水倉水位高低情況、電機(jī)電壓、電流、水泵流量各種參數(shù)，可以監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)前的水泵運(yùn)行狀態(tài)，另外還能監(jiān)測其他水泵的工作狀態(tài)（工作、備用、檢修）以及運(yùn)行的管路的都能在地面控制室一目了然。

4.2 系統(tǒng)軟件功能

軟件具有功能如下：①方面操作的的人機(jī)界面，功能齊全、操作簡單；②實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、采集和處理功能，對數(shù)據(jù)可以永久保存；③隨時(shí)觀察中央泵房水泵的現(xiàn)實(shí)運(yùn)行狀態(tài)、排水管路；④網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)瀏覽以及運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。

4.3 水泵遠(yuǎn)程控制操作步驟

控制系統(tǒng)核心由西門子S7-300 系列PLC 組成，通過PROFIBUS_DP 網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)水泵就地柜與集中柜連接成一個(gè)整體。水泵的所有監(jiān)測信號統(tǒng)一送至KY-ASCS-PAS 型礦井中央泵房無人值守自動化系統(tǒng)集中控制柜；根據(jù)水位、躲峰填谷等需求編制程序，實(shí)現(xiàn)水泵啟停。KY-ASCS-PAS 綜合控制箱的3 種控制方式：①就地手動、就地自動和遠(yuǎn)程控制；②遠(yuǎn)程控制有2種方式：遠(yuǎn)程水位自動和遠(yuǎn)程人工手動。

4.3.1 遠(yuǎn)程控制（水位控制）方式

遠(yuǎn)程控制（水位控制）可以分為多臺控制和單臺控制控制方式，操作者根據(jù)泵房水位及排水泵實(shí)際狀況自由掌握。根據(jù)水泵實(shí)際運(yùn)行工況情況設(shè)定啟動方式，利用設(shè)定的排水時(shí)間、水位設(shè)定情況以及分時(shí)段用電負(fù)荷等多參數(shù)自動實(shí)現(xiàn)開啟、停止水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，對運(yùn)行中排水泵的各種重點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、采集。

4.3.2 就地集中控制方式

操作人員可在PLC 集中控制柜觸摸屏上實(shí)現(xiàn)一鍵操作，自動執(zhí)行排水泵啟泵及停泵的全過程。

4.3.3 就地手動/檢修方式

設(shè)備工作方式打到就地手動（檢修）時(shí)，可直接在泵房內(nèi)控制臺上實(shí)現(xiàn)人工手動操作，開泵或停泵。

5 排水泵自動化排水運(yùn)行過程簡述

地面遠(yuǎn)程控制（水位控制）根據(jù)水倉水位高低情況自動開啟、停止水泵的運(yùn)行，對排水泵運(yùn)行中的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、采集。根據(jù)地面監(jiān)測到的水位信號，設(shè)定水位（低、高和上限及危險(xiǎn)）信號。低水位停泵、高水位開泵，水泵正常運(yùn)行；達(dá)到設(shè)定上限水位時(shí)同時(shí)開啟工作水泵；達(dá)到設(shè)定危險(xiǎn)水位時(shí)，工作、備用水泵全部運(yùn)行。開泵過程和停泵過程。

5.1 排水泵開啟過程

在中央泵房水倉達(dá)到設(shè)定的高水位時(shí)，水位傳感器將高水位信號送到S7-300 系列PLC 控制柜，PLC 控制柜接到指令會發(fā)出起泵指令，射流泵電磁閥打開，在高壓水的作用下形成射流管路和排水泵的真空區(qū)，水泵腔內(nèi)形成負(fù)壓，將水倉內(nèi)的水吸到泵腔內(nèi)，負(fù)壓信號達(dá)到設(shè)定的負(fù)壓值后，PLC 控制柜發(fā)出開泵信號，啟動排水泵控制開關(guān)柜，射流泵電磁閥關(guān)閉，排水泵啟動，出水口形成正壓，壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，出水管路電動閥門自動打開，排水泵正常啟動。出水口電動閥門打開一段時(shí)間后，水泵運(yùn)作不正常，電動閥門自動關(guān)閉，自動停泵并發(fā)出故障報(bào)警聲光信號，上報(bào)控制室。

5.2 水泵停止過程

水倉到達(dá)低水平位置時(shí)，傳感器將低水位信號傳送到S7-300系列PLC 控制柜，PLC 控制柜依據(jù)低水位信號發(fā)出停泵指令，出水管路電動閥門及出水口逆止閥依次關(guān)閉，閥門關(guān)閉到位后信號發(fā)出到PLC 控制柜，排水泵控制開關(guān)斷電，水泵體制運(yùn)轉(zhuǎn)。

6 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）實(shí)現(xiàn)水泵啟停自動控制，水泵啟停根據(jù)系統(tǒng)（水倉水位、用電時(shí)間等）參數(shù)設(shè)定，減少人工操作，實(shí)現(xiàn)自動化控制。

（2）根據(jù)水倉水位高低自動控制排水泵，無需人工操作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作自動化。

（3）輪流控制各泵工作時(shí)間，降低每臺磨損程度均等，杜絕人為造成的設(shè)備磨損。

（4）根據(jù)水倉高低水位控制、用電峰谷段時(shí)間劃分，合理安排水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)省電費(fèi)成本，降低煤炭綜合成本支出。

（5）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和檢測水泵及電機(jī)各運(yùn)行工作參數(shù)。如：水泵（瞬時(shí)和累積）流量、進(jìn)出口壓力、電動機(jī)繞組溫度及前后軸溫、電流、電壓等，監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況。

（6）具有故障報(bào)警、故障類型顯示、故障信息存儲，故障保護(hù)等功能，及時(shí)安排設(shè)備大修和保養(yǎng)。

（7）具備控制方式方便、靈活特點(diǎn)，可根據(jù)現(xiàn)場要求選擇不同的控制方式，實(shí)現(xiàn)控制方式多樣化。

7 KY-ASCS-PAS 型礦井中央泵房無人值守自動化排水系統(tǒng)的設(shè)備組成

7.1 KY-ASCS-PAS 礦用隔爆本質(zhì)安全型可編程控制箱

KY-ASCS-PAS 礦用隔爆本質(zhì)安全型可編程控制箱是水泵自動控制系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)收集控制設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、通過礦用監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)交換信息，同時(shí)對設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行集中監(jiān)視控制。

7.2 KY-ASCS-PAS 型礦用隔爆型綜合自動控制箱組成

（1）KY-ASCS-PAS 型水泵綜合控制箱根據(jù)壓力傳感器（正、負(fù)壓）控制排水泵配套的所有電動閥門、射流泵電磁閥及水泵電機(jī)的啟停，該設(shè)備安裝在泵房內(nèi)。

（2）該設(shè)備具有溫度監(jiān)視、短路保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)保護(hù)。

（3）礦用隔爆型出水管路電動閥門。

（4）礦用隔爆型控制柜。

（5）射流泵總成（管路、電磁閥）。

（6）傳感器。包括壓力信號傳感器（正壓、負(fù)壓）；水倉水位信號傳感器；流量信號傳感器、溫度信號傳感器（電機(jī)前后軸、定子）及水倉水位開關(guān)。

8 結(jié)束語

目前的井下排水系統(tǒng)中還存在許多的不足之處，這些不足影響煤礦的正常回采，從而降低煤礦的開采回采率，浪費(fèi)國家能源。為提高煤礦開采中的安全性，煤礦必須采取合理的方案提高井下排水自動化系統(tǒng)的運(yùn)行效率，使煤礦建立一套高效的、節(jié)能的.科學(xué)的井下排水自動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正的井下泵房無人值守。