自動化控制技術在礦井供排水系統的應用

李繼軍，白茹璽，梁占澤，謝 進，王泰基

(神東煤炭集團大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

多數煤礦井下采空區積水首先排到中轉水倉，再將水排至地面，經過處理后排到河渠中，而井下供水系統使用的水來自地面的自來水，這樣的供排水系統至少需要兩趟水管來聯通井下和地面，與此同時，還需不等量的水泵和開關等設備[1-2]。

大柳塔煤礦活雞兔井將井下采空區積水經過處理變成供水所需的水，這樣就能減去中間管路、水泵、開關等設備。礦內經過商討，決定將大柳塔煤礦活雞兔井22302采空區泄水點的水通過同創排水開關排至1 800 m外的1#水倉，1#水倉內的水經過復用水泵房設備的處理后流入2#水倉，2#水倉中的水就變成了供水系統的水源，經加壓后再流向礦井各處供水管。

在此過程中，各系統的數據經過井下網絡傳輸至地面，地面服務器與井下設備直接或間接進行連接，在地面調度室就可以看到井下各系統的運行情況，也可對各設備進行操作，若出現故障、報警，即可查看故障、報警信息，也可對歷史數據進行分析。從而可提高礦井各系統運行的穩定性，保證礦井的安全生產。

1 各系統的組成

22302采空區泄水點是活雞兔2-2煤三盤區采空區積水的集中泄水點，目前，泄水量在150 m3/h左右。該泄水點排水系統使用2臺濟寧同創生產的KXJ-2×120/1140(660)S礦用隔爆兼本質安全型雙回路水泵水位控制器，4臺200 m3/h的排水泵、4個逆止閥和壓力計，壓力計安裝在采空區泄水密閉墻2 m處的水管上，四趟DN200的PVC排水管路，一趟去水處理泵房，一趟流向三盤區中轉水倉，另外兩趟為前兩趟的備用管路，在距離泄水密閉墻200 m的四趟排水管上分別安裝了一臺排水泵和逆止閥。

水處理系統使用由遼陽市凈水設備制造有限公司生產的BJI-Ⅱ系列煤礦井下復用水處理設備，該系統共有六套水處理設備，主要設備有：主機設備、8臺水泵、6臺除鐵除錳設備、7臺PLC控制箱、液位控制儀、流量控制儀及電腦主機等。每臺設備的水處理量為65 m3/h，經過處理的出水水質符合GB/T 19923-2005工業用水水質標準要求：渾濁度≤5 NTU，鐵≤0.3 mg/L，錳≤0.1 mg/L，水處理系統的設備工藝流程，如圖1所示。

圖1 設備工藝流程

供水系統中加壓泵房的控制器是4臺淮南萬泰生產的BPJ1系列礦用隔爆兼本質安全型變頻器，其余系統設備有：4臺電機、4臺加壓泵、4個壓力計、4個電動閥、兩趟管路流量計、液位計等。加壓泵出口壓力達2.5 MPa左右，通常該加壓泵房由2臺加壓泵運行，2臺泵出口流量在130 m3/h左右，可滿足活雞兔井井下生產用水需求。

井下2個水倉的情況是：2#水倉的規格為14 m×5 m×5 m，水處理的主機設備內倉規格是4.8 m×2.8 m×2.6 m，由于水處理的主機設備容水量較小，配有2個14 m×5 m×2.6 m的水倉，這2個水倉的水都可自然流入水處理的主機設備，這2個水倉和水處理主機設備的相對高度是一樣的，三者合起來構成了1#水倉。

2 自動化控制在三系統的應用及數據上傳

2.1 排水系統

泄水點的排水系統設備控制主要是對同創雙回路水泵水位控制器的控制，該控制器是一種新型電機開關，電壓是660 V，電流為5～200 A交流異步電動機的直接起動、停止或反轉，該控制器集檢測、控制、保護于一體，可通過液晶顯示和鍵盤實現人機對話功能，具有故障記憶及故障查詢功能，其斷相、過載、短路等保護功能的實現完全模擬電動機的發熱散熱曲線，對電機的保護切實有效[3-5]。控制器可實現控制礦用水泵，以及將數據通過網絡上傳到地面，是KJ701煤礦排水監控系統的主要組成部分。

此控制器在手動方式下控制礦用潛水泵時可以實現即可單獨啟動主副2個回路，也可以同時啟動主副2個回路，也可以通過上位機進行遠方控制，并監控實時狀態數據及對數據進行管理。數據在統一提供的控制軟件平臺(平臺選用國際主流組態軟件wincc)上進行軟件的開發，軟件采用組態軟件、模塊化設計，在標準畫面和用戶組態畫面上設定、匯集和顯示有關的運行信息，供調度員對設備的運行工況進行監視和控制。

采用工業組態軟件開發監控軟件，以RS485總線形式與開關通信來讀取開關數據。該系統可通過千兆以太網或光纜和地面調度中心通信實現數據共享，可通過MPI總線形式于泵房內就地操作屏通信實時顯示數據并可對系統進行控制。系統采用了西門子可編程控制器作為底層核心控制元件(根據系統的大小采用S7-200)，系統分為就地操作和遠方操作，就地操作和顯示采用文本顯示器；遠方操作采用上位機操作。上位機安裝西門子wincc組態軟件進行監控(模擬工作狀態)、報警及控制等。

2.2 復用水處理系統

水處理系統采用的復用水處理設備可實現反應、沉淀、過濾3個主要工藝的處理，在井下最主要的設備是水處理的主機設備，該設備在井下的安裝視圖如圖2所示，從圖中可以看出水處理主機設備的主要構造。

圖2 井下復用水處理設備安裝主視圖

復用水處理設備的控制方式采用自動、手動2種控制方式，在自動運行模式下實現自動運行、自動反沖，手動狀態可根據實際狀態控制閥門開關和泵的啟停。系統整改工作，由PLC可編程序控制器進行控制。在整套自動化控制系統內，PLC通過二次儀表進行現場信號采集，進行運算并作出判斷，根據判斷結果發出指令，控制整套設備內的閥門，從而實現對整個工藝運行所必需的數據采集、數據通信及上位監視和管理作用。

在主機電腦上安裝“組態王6.55”軟件，通過組態軟件讓主機電腦和主控PLC控制器連接，在主機電腦上進行圖像界面的創建及對應的變量鏈接[5]，同時，可以在主機電腦上對設備進行控制。

為了保證生產過程的安全可靠性和生產的連續性，提高自動化水平，并適應整個工藝需要，該系統采用以AB公司可編程控制器為主的集中和分散相結合的自動化控制系統，實現對全工藝參數、電氣參數和設備運行狀態進行監測、控制、連鎖和報警，通過使用在主站和遠程站間的一系列通訊鏈，完成整個工藝流程所必需的數據采集、數據通信、順序控制、時間控制及上位監視作用。

2.3 供水系統

供水系統的控制部分主要集中在加壓泵房設備控制，以控制加壓泵的變頻器為重點控制對象，通過對其它設備(電動閥、壓力計、流量計等)的數據采集輔佐于控制變頻器[6-8]。這些設備的數據都集中在華光PLC柜內，其中變頻器的控制線是通過DH+線連接，這樣大大增加了控制的穩定性。

在對井下加壓泵自動控制的設計和制作前，應知道加壓泵的啟動和停止流程，如圖3所示，是加壓泵啟動過程流程圖；停泵相對比較簡單，如圖4所示。

圖3 加壓泵房泵啟動流程圖

圖4 加壓泵房停泵流程圖

在華光PLC控制柜內有ControlLogix 1756-L6系列的控制器、電源模塊、數字量I/0模塊、模擬量I/0模塊、通訊模塊等，控制器中又裝有預先編寫好的程序，ControlLogix系列的控制器使用的程序是用Rockwell軟件編寫的梯形圖程序。

3 綜合應用

3.1 綜合應用存在問題及設計方案

在介紹了各系統單獨運行時的自動化控制后，若要是將泄水點的排水、水處理、供水三系統綜合起來自動化控制就存在問題，問題是各個系統屬于不同的廠家，應用的控制軟件是3種不同的軟件，其自動化控制的數據協議也不相同，它們之間的數據無法共享，進而也無法實現相互間的自動化控制。為了解決這一問題，達到相互間的自動化控制，可使用以下兩種方案。

方案一：在2#水倉內(供水系統水倉)裝一水位開關，其接線連到水處理系統的主控PLC控制箱內，水處理系統的設備啟停根據2#水倉內的水位開關的閉合(斷開)而動作；同理，在1#水倉內(水處理系統水倉)裝一水位開關，其接線連到泄水點排水開關內(開關內裝有PLC控制器)，排水開關的啟停根據1#水倉內的水位開關的閉合(斷開)而動作。

方案二：將三系統的數據轉換成同一種協議，用一個軟件對3個系統進行自動化控制，三系統之間的數據就可相互應用，這樣三系統自動化控制就變得非常容易。

兩種方案的對比：方案一在控制方面比方案二穩定性高一些，但它需要消耗一定的纜線和傳感器，同時，增加了一定的維護工作；雖然方案二較方案一存在一定的控制不穩定性，但由于它們各系統仍可獨自運行，若三系統之間的協調出現問題，它們可單獨運行，與此同時，也有報警出現，故也不會造成故障或損失，下面將對方案二進行具體的論述。

3.2 三系統數據轉換的具體做法

考量現在應用的設備資源，在神東使用的PSI mining系統即區域生產指揮控制系統可實現對三系統的包容，但PSI mining系統需要OPC協議。根據系統要求，將三系統的上傳至地面服務器的數據轉換成OPC協議，在PSI mining系統中進行監控畫面的創建和相應數據鏈接，實現了在PSI mining系統中對三系統進行監視和控制。

經現場測量得，1#水倉的水位不得低于0.45 m、高于2.6 m，那泄水點的排水開關水位控制點取0.5 m和2.5 m，也就是說，當1#水倉的液位計低至0.5 m時，排水開關主泵啟動，當1#水倉的液位計升至2.5 m時，排水開關主泵停止，這樣排水開關就根據1#液位計的變化而自動啟停。

通過分析，在PSI mining系統中對排水開關進行程序啟動工程的編輯，1#水倉的液位計屬于水處理系統的液位計，在獨立的系統中，排水開關是無法獲取到此數據的。同理，可對排水開關進行程序停止工程的編輯。

若要獲知排水系統的設備每個啟停周期的運行和停止時間，計算如下：當液位計達到0.5 m時，排水泵啟動；達到2.5 m時，排水泵停止；水的容量V=(2×14×5+4.8×2.8)×(2.5-0.5)=306.88 m3，每臺水處理泵的流量是65 m3/h，每臺排水泵的流量是200 m3/h。當2臺水處理泵運行時，排水泵運行時間T運行=306.88÷(200-65×2)=4.384 h，排水泵停止時間T停止=306.88÷(65×2)=2.36 h；當3臺水處理泵運行時，排水泵運行時間T運行=306.88÷(200-65×3)=61.376 h，排水泵停止時間T停止=306.88÷(65×2)=1.57 h。

由于供水泵的流量約為150 m3/h，故水處理系統有2臺水泵一直運行，第3臺泵的啟停受控于2#水倉液位計的變化。通過分析和結合井下實際情況可知，當2#水倉的液位計低至0.8 m時，水處理泵開關啟動；當2#水倉的液位計升至4.8 m時，水處理泵開關停止。在PSI mining系統中對水處理泵開關進行程序停止工程的編輯，同理，可對水處理泵開關進行程序啟動工程的編輯。

通過在PSI mining系統中的編程設計，可實現三系統相互間的自動化控制，三系統的數據得到綜合應用。另外，系統中還有2點需要說明：一是，泄水點排水系統另一個開關根據水倉內的壓力而啟停，將水排至中轉水倉；二是，水處理系統的1#～6#水泵是順序啟動，它們之間的順序可以手動預先制定好，從而可保證6臺設備運行的運行時間相對均衡。

4 結語

通過將煤礦井下采空區泄水點的排水系統、水處理系統、供水系統三系統原有的數據轉換成統一的OPC協議，在PSI mining系統中對3個系統進行了編程設計，實現了三系統相互間的自動化控制，使得自動化控制在3個系統中得到綜合應用。同時，保留了原來各系統的獨立自動化控制，倘若PSI mining系統存在問題而無法自動化控制井下三系統時，可以在各自上位機對三系統進行啟停操作，保證井下供排水系統正常運作。

自動化控制在煤礦井下供排水系統的綜合應用，是工業計算機進行自動化控制的典型案例，對三系統設備的運行狀態、運行過程進行自動檢測和自動化控制，使設備達到最佳工作狀態，從而達到降低設備運行成本，延長了設備的使用壽命。減少了井下崗位工，降低了員工的勞動強度，提高了礦井效益，提升了煤礦安全管理水平。