煤礦井下自動排水裝置設計

田 峰

（山西煤炭進出口集團科學技術研究院有限公司，太原 030006）

0 引言

隨著我國煤礦開采力度不斷加大，井下巷道涌水、積水問題愈發嚴重[1-2]。目前井下巷道排水仍存在積水點廣泛、距離遠并且靠人工操作水泵的方式進行啟停[3-5]，而傳統PLC控制監測系統過于龐大且價格高并在數據處理與控制操作不方便，難以應對煤礦積水廣泛的特點，這一狀況難以應對煤礦的自動化和現代化的高速發展需求[6-8]。本文設計一套以DSP數字處理器為核心的井下自動排水裝置，通過對井下布置的各類型傳感采集的實時數據，DSP主控制器對數據進行邏輯處理與識別控制，進而實現整個排水的自動化過程。

1 井下自動排水總體結構設計

1.1 自動排水系統工作原理與模式

利用液位傳感器檢測水位實時高度變化，當水位高度達到設定閾值時，中央處理器根據控制策略控制輸出端口信號完成對射流泵的電動球閥的線圈開啟，使得水泵入口處的真空度提升，同時中央處理器會根據接收的真空度信號決定是否開啟水泵。水泵的運行過程主要是通過主控制器對各種傳感器的信號實時監測水泵機組的運行參數，如水泵入口真空度值、出口壓力值、電機運行電流電壓、轉速、溫度等參數信號，根據傳感器傳回的信號判斷運行是否正常，假如根據監測數據判定水泵運行異常則進去停泵階段。水泵的停止階段則根據實際經驗將其分為兩種狀態。若水位在水泵的作用下降低，直至到達所需關閉水泵水平時，則在正常狀態下停止水泵，水泵閘閥會逐漸關閉；若在排水過程中水泵意外掉電，屬于非正常停止水泵過程，此時則虛在水泵減速的過程中迅速關閉閘閥，盡量避免發生做泵的危險。

考慮到井下實際水泵運行面臨的復雜情況，將自動排水系統分為自動控制、半自動控制、手動控制3種模式，井下工作人員可以通過設置完成水泵運行方式的設定。自動模式下，系統則完全依靠所安裝各類傳感器對水位信號與水泵運行狀態信息等信號的采集，通過采集的信號經中央處理器的判別、計算與故障監測的處理，實現排水工作的自動化和遠程操控功能；半自動模式下，井下操作人員在通過人工對水位情況的判定下，手動完成水泵的開啟，在水泵開啟運行后，則由中央處理器控制的水泵單元完成水泵在運行過程中的電動閘閥、電機等執行機構的控制過程；手動模式，該控制模式主要是應對在檢修、手動測試以及控制系統故障時應急操作，此時，井下操作人員可以根據以往控制經驗手動操作任何一臺水泵，當人工檢修完成并試驗沒有故障時，該水泵便可以再次參與整個排水工作。

圖1 系統平臺架構圖

1.2 主排水系統平臺構架設計

本系統是對井下排水系統進行自動化再設計與改造，整個系統分為井上的地面調度中心和井下水泵機房的自動控制系統兩大部分組成。圖1所示為本系統設計的排水平臺構架圖。

由圖1可以看出，整個系統井上地面調度中心主要由工業計算機、交換機等設備組成，各設備之間課通過本地局域網實施監督查看井下水泵運行狀態，并將運行狀態數據存儲顯示，方便井上操作人員的調度。井下水泵機房主要包括：單片機編譯的主控器控制箱、井下水倉、吸水管路、排水管路、射流泵、離心水泵、傳感器等設備，井下設備完成對排水系統的自動化控制功能。

1.3 排水系統網管結構設計

根據對井下的實際調研與排水需求考察，本文設計的自動排水系統井下配有4臺離心式水泵和2個總管路進行排水，并且每個水泵都將與排水管路相連接以保證在工作時，水泵可以根據需求選擇其中任何一個管路進行排水。這4臺離心式水泵均為10 kV高壓水泵，功率為800 kW，每臺的排水量為280 m3/h，其中2臺工作，2臺備用，2臺檢修。整個排水系統組成結構中，分別設計有水泵機組、閘閥、止回閥、射流泵、正負壓傳感器等單元。水泵機組為整個排水系統的核心組成，由防爆電機和水泵組成，將水泵淹沒在水中，啟動后可以將水倉中的水抽排至網管中；閘閥作為安裝在排水網管的入口和出口的排水系統關鍵輔助器件，它控制射流泵的抽真空和水泵的排水功能；止回閥安裝在排水系統的出水閘閥上方，主要是防止水泵的突然停轉時能自動關閉，從而使水泵不受水流的較大沖擊而損壞；射流泵安裝在水泵的最高處，主要作為離心式水泵的引水設備；正負壓傳感器安裝于入水口處，用于檢測射流泵在注水時的真空度，幫助主控器完成判別控制水泵電機的啟動與排水功能。

2 系統硬件設計

2.1 主控硬件結構設計

通過采用微機控制與計算機技術對井下排水系統數據的實時監測與采集，并將其數據傳輸至中央控制單元，圖2所示的系統主控硬件結構圖，整個井下控制器主要由數字輸入模塊、模擬量輸入模塊、主控單元、通信單元、按鍵模塊、顯示模塊以及輸出單元構成。主控制器在分析排水過程的數據參數進行自動監測、多臺水泵的自動控制與切換、報警等功能；模擬量輸入模塊與數字量輸入模塊與各類型傳感器相配合，不斷采集水倉、電壓電流、水泵運行狀態等變化情況，將其傳輸給主控單元進行處理，信息采集的準確性為整個系統可靠運行的關鍵；本系統通過設計顯示電路與通信子系統完成地面監測中心和井下操作人員實時對水位、水壓、排水流量、電機狀態等參數的顯示管理，同時通過井下以太網技術使得這些信息可以通過交換機連接井下與井上地面監測中心，實現井上和井下的命令上傳下達的可靠性與及時性，保證系統穩定運行。

圖2 系統主控硬件結構

2.2 主控器選型

本文設計的井下主控制箱中的控制器選用TI公司的DSP芯片TMS320VC5410，該控制芯片采用哈弗結構具有先進的集成電路技術，它的基本結構分為CPU、存儲器、片內外設和專業硬件電路組成，還包括1個程序總線、3個數據總線和4個地址總線，并且具有良好的并行性。該控制器內部集成有不同容量的儲存器以及眾多的串行接口，極大方便與外接設備的通信，同時內部集成有完善的尋址方式和強大指令，它整體功耗低性能高，很適用于井下復雜工況環境。

2.3 穩壓電路

為給控制系統提供一個安全穩定的工作電壓，本系統采用NS公司的LM2576穩壓器進行穩壓電路設計，該開關具有3 A的電流負載能力，輸出電壓可分為固定電壓輸出和可調電壓輸出且輸出電壓高達40 V。如圖3所示的為設計的穩壓電路圖，其中LM2576使用可調電壓模式，輸入引腳1端連接AC/DC電源模塊的24 V電壓端口；2號引腳為LM2576的電壓輸出端；4號引腳是反饋端口，它與電阻R1、R2和Rp共同組成電壓反饋調節電路；5號引腳設為待機端，低電平時處于正常工作狀態，高電平時處于低功耗狀態。根據系統需求本文設計的電阻R1=68 kΩ，R2=2.5 kΩ，電位器Rpmax=5 kΩ。在穩壓器LM2576的輸入端外接1個續流二極管，且該二極管的導通電流需滿足是最大負載電流的1.5倍。

圖3 穩壓電路示意圖

3 軟件程序設計

針對整個排水自動給控制系統龐大，涉及啟動模式、水位監測、單臺水泵啟動停、故障監測和保護等多個軟件系統。本文重點介紹單臺水泵自動控制軟件流程設計。圖4所示的流程圖，在開始階段開啟射流管路和壓風管路的電磁閥，有助于對泵進行抽取真空，從而向離心泵中注水，因離心泵的吸水管和腔內沒有住滿水其真空度不夠，便難以將誰吸入泵內，長久以后易造成部件損壞。在注水階段若檢測到真空度不夠則進行報警關閉閥門，若正常則水泵進入排水階段。當水泵在排水過程中水泵故障或水位降低至臨界，則控制器則關閉水泵電機使其進行停機運行。

圖4 單一水泵自動控制流程圖

4 結束語

本文通過根據煤礦井下排水實際需求，設計一套井下自動排水系統，該系統能對水泵、水倉水位等井下環境的實時監測完成對水泵的自動啟停與運行控制，并能將運行控制情況實時傳輸給地面監測中心，極大方便煤礦操作人員的操作。本文重點對自動排水系統的核心控制器和單一水泵運行軟件程序進行說明介紹，該系統在井下運行穩定，極大滿足了煤礦自動化發展的要求。