關于煤礦井下排水控制系統的設計研究

甄紅強

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦， 山西 方山 033100）

1 現有排水控制系統的研究狀況及存在問題

隨著國家研發能力的逐漸增強，為進一步解決礦井中排水問題，國家相關學者及研究機構也加大了對礦井排水系統的相關設計及優化升級設計，主要包括：排水泵的更換、排水系統控制的改進、排水巷道的合理布局、其他排水設備的改造等[1-3]，并將當下更加先進的控制技術應用到排水系統中，如：神經網絡技術、模糊算法等，通過這次硬件的優化與軟件算法的改進，達到礦井排水系統的最優控制的目的。但礦井排水控制系統在實際應用中仍存在理論與實際無法有效匹配的應用問題，以木瓜煤礦中的排水系統存在問題為例進行分析，主要體現在如下幾個方面[4]：

1）排水系統中的設備無法最大效率、最大功率地運轉，部分設備處于靜置或閑置狀態，未實現設備的充分利用；

2）排水系統中的排水設備，如排水泵、閥等，大部分仍采用手動方式進行控制，暫未實現設備的遠程及自動化控制，即使部分設備實現了自動化控制，但在使用中仍存在系統運行不穩定、信號響應速度慢、信息易誤報等問題；

3）現有的排水控制系統對信號的采集種類相對較少，顯示界面的功能也相當單一，控制中心的運行速度相對緩慢，部分信號仍需采用現場收集儀表信息，再輸入至上機位控制軟件中進行信息分析處理，造成了整個排水控制系統的自動化、遠程化控制功能未得到有效實現。

2 排水系統結構的組成分析

結合木瓜煤礦中排水系統的結構組成特點，首先對其結構組成進行分析。該排水系統主要包括吸水井、排水泵、止回閥、閘閥、排水管路等硬件設備，而此些設備則主要通過排水控制系統來進行運行控制[5]。其中，止回閥安裝在排水管道上，可防止排出的水出現倒流現象，而排水泵、閘閥則采用了電動和手動方式進行控制；同時，在該系統中還包括了2個電動閥行程開關、2個轉矩開關等，可實現對排水過程中相關行程及轉矩的控制；在吸水井處設置的超聲波液位儀，可對井下水平情況進行檢測[6]。另外，也設計了各類傳感器、檢測設備等。由此，通過各種設備的相互連接及相關信號的通訊傳輸，形成了整套礦井排水系統。

3 排水控制系統總體方案的設計

井下排水控制系統是整個排水系統中的重要組成部分，也是影響整套排水系統是否正常運行的關鍵系統，其系統性能的好壞直接關系到井下水量的排出效果及井下作業安全。因此，以現有礦井中排水控制系統為設計基礎，對其進行了改進設計。新型排水控制系統采用了PLC控制器進行控制，配備了遠程控制模塊、各類液位儀、觸摸屏、行程開關、溫度傳感器、壓力傳感器等，通過PLC控制器中的數字量輸入模塊，可將水泵電機的開關信號、液位開關信號、真空泵球閥到位信號等進行匯總輸入，通過PLC中的模擬量輸入模塊，可將井下溫度傳感器、出口壓力傳感器、液位傳感器等設備采集的相關信號進行收集，通過在PLC控制器中的匯總、分析、處理后，將相關控制命令信號通過數字量輸出模塊輸送至聲光報警設備、水泵控制開關、水泵電機控制開關等設備上，實現對井下水量的檢測及實時控制，其中，整套系統采用了RS485通訊方式進行信號傳輸，大大保證了整套系統中信號的傳輸速度及信號質量。由此，通過檢測水泵及電機相關參數，實現系統的報警及自動保護功能，根據水泵的吸水情況，實現水泵啟停及運行臺數的自動控制。改進后的礦井排水控制系統結構框架圖如下頁圖1所示。

圖1 礦井排水控制系統結構框架圖

4 排水控制系統主要分系統的設計

4.1 PLC控制器的匹配設計

PLC控制器是整個排水系統的控制核心，故結合排水系統的工作特點，選用了歐姆龍公司生產的CJ1系列PLC控制器，其結構包括模擬量輸入/輸出模塊、數字量輸入/輸出模塊、開關量輸入/輸出模塊、通訊模塊、CPU模塊。其中，模擬量輸入模塊采用了24 V電源設計，可直接通過CPU中的電壓進行供電，且在其模塊上設置了多個輸入點，主要用于接收排水系統中的液位信號、溫度信號、水泵信號、流量信號、負壓信號等，并以電流形式進行信號輸入；而開關量輸入模塊選用了IA201模塊，其輸入電壓為AC 100～120 V，電流為12 mA，并設置了32個點數，主要用于接收真空泵的開關信號、液位開關信號、閘閥開關信號、球閥到位信號等，其端子的接線圖如圖2所示，同時，其內部的濾波電路，可對外部干擾信號進行有效隔離。整個PLC控制器具有較高的控制性能，能較好地滿足井下排水系統的有效控制，保證井下作業環境的安全。

圖2 IA201開關量輸入模塊端子接線圖

4.2 控制系統各類傳感器的匹配設計

雖整個排水控制系統是排水系統的分系統，但其系統結構也相對復雜，需設計多種傳感器來完成井下不同參數的信號采集與檢測。故結構排水控制系統的功能特點，配備了流量檢測器、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器等，以分別實現對排水系統中不同信號參數的檢測。其中，流量檢測采用了西門子的MAG3100型，主要用于檢測排水管道中的水流量情況，該元件可檢測0.3～20 m/s范圍內的流速，具有較強的抗干擾性及穩定性。溫度傳感器選用了ZN17-BKGWD型，主要用于檢測井下水泵電機的工作溫度，以保證設備的安全運行；該設備中配備了pt100的鉑熱電阻，具有較高的防爆性能。而液位傳感器則采用了SITRANS型超聲波液位計，其檢測頻率為50～60 Hz，可完成對井下水位的檢測。另外，壓力傳感器則采用了GYD60型號，主要用于檢測出水管道處的壓力大小，其工作電壓為24 V DC，可準確地檢測進水管和排水管處的壓力變化。由此，完成了排水控制系統中關鍵檢測設備的匹配選型。

4.3 控制系統監控界面的設計

監控界面是整套排水控制系統的重要組成部分，故采用MCSG組態軟件，開展了排水控制系統的監控界面的設計。通過該界面可將井下水管、各處壓力、各開關狀態、各閥的啟停等狀態進行直觀顯示；同時，與傳統界面相比，在新的顯示界面上增設了記錄顯示功能，通過該按鈕可將整個排水控制系統的運行時間、設備運行狀態、故障累計情況等信息進行實時記錄和直觀顯示，其監控界面如圖3所示。另外，整個顯示界面顯示更加流暢、報警功能更加全面，操作人員能直接通過顯示界面，對整個排水系統的運行情況進行信息的實時掌握和設備運行狀態的準確把控，并能及時發現系統故障的發生位置和采取相應的故障解決措施，由此大大提高了排水監控系統的智能化、遠程化控制程度。

圖3 礦井排水監控系統監控界面圖

5 排水控制系統應用情況的分析

結合前文分析，完成了礦井中排水控制系統的改進設計。為進一步驗證該系統的綜合性能，將其在木瓜煤礦中進行了應用驗證，主要是基于木瓜煤礦現有的排水監控系統進行優化造測試。測試結果表明，改進后的排水控制系統各項功能運行正常，與原來系統相比，能更加準確、全面地將井下排水中的壓力、溫度、流量、設備啟停狀態等信號進行檢測，并通過顯示界面進行直觀顯示，同時，操作人員也能在監控室對整個系統的運行狀態進行實時監控。據現場人員介紹，改進后的控制系統穩定性和信號檢測精度更高，預估可使排水系統的工作效率提高30%左右，排水系統故障檢修時間縮短50%左右，得到了操作人員的一致好評，這對提高井下作業環境的安全性起到重要的保障作用。

6 結論

1）改進后的排水控制系統功能更加全面、控制精度更高，能檢測和控制的參數也有所增加；

2）改進后的排水控制系統顯示界面更加直觀，操作人員可更加方便地對系統運行狀態及發生的故障問題進行及時監控和故障解決；

3）改進后的排水控制系統使整套排水系統的工作效率提高了將近30%，故障檢修時間縮短了50%左右，并得到人員的一致好評；

4）該研究對提高井下排水控制系統的穩定性及作業安全具有重要作用，也為后期開展系統的進一步改進設計提供了參考。