綜采工作面排水泵電氣自動化控制系統的設計

史華建

（山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司， 山西 晉中 045300）

引言

煤礦安全生產一直以來都是備受關注的話題，影響綜采工作面安全生產的因素主要有瓦斯、粉塵以及地下水等。其中地下水主要通過采用高效的排水系統得以解決。在煤炭開采過程中，由于其地層結構被破壞，容易引發透水事故的發生，導致工作面的涌水量突然增加，嚴重威脅著綜采工作面的安全生產及其作業人員的人身安全[1]。而傳統排水泵采用繼電器的控制方法，其工作面的涌水量由工作人員監測，導致傳統排水系統存在排水不及時且排水不徹底、作業人員勞動強度大等問題。故，當前急需對綜采工作面排水系統的控制方案進行改進設計，使其能夠達到對現場涌水量等參數的實時監測，并根據監測結果實現對排水泵的自動化控制。

1 工作面排水系統概況

綜采工作面排水系統主要由水泵房、水倉、排水管道以及水泵等組成。其中，水泵房為安裝相關排水設備的場所；水倉為地下水的貯存場所；排水管道為地下水的排除途徑；水泵為地下水至地面提供動力[2]。水泵作為排水系統的核心設備，其機械性能直接決定綜采工作面的排水效果。

陽煤寺家莊礦所采用的水泵類型為離心式水泵，且工作面排水系統的結構組成如圖1 所示。

如圖1 所示，水泵由電機控制，當水倉內水位達到限值時，系統需啟動電機并控制水泵開口的大小，以確保綜采工作面的安全生產。此外，為了避免地下水回流至水倉內，在管路中配置相應的截止閥和射

流泵等裝置。本文所研究的排水系統電氣控制系統，除了系統的硬件和軟件設計外，還需對其關鍵的控制策略進行設計，從而達到滿足實際生產需求的同時達到節能、自動化監測、自動化控制的目的[3]。

圖1 工作面排水系統結構

2 排水泵控制策略的設計

排水泵控制策略設計的關鍵標準為能否控制排水泵的開機與停機及排水泵的開口大小。本文基于“避峰填谷”思路對其控制策略進行設計[4]。所謂“避峰填谷”策略指的是在用電高峰期時盡可能地減少排水泵的工作，使水倉水位在最高水位附近；在用電低谷時動作盡可能多的水泵，騰空水倉以備用電高峰期儲水。經對工作面所在不同時段電費不同得出如表1 所示的統計表。

表1 電費統計表

綜合考慮工作面水位及其水位變化率的情況，設計如下頁表2 所示的工作面排水系統控制策略。

如表2 所示，n/（n+1）表示：當水倉內水位變化率超過正常水位變化率時，需同時啟動n+1 電機；若水倉內水位變化率維持正常值時，需同時啟動n臺電機即可。

3 排水泵電控系統硬件的設計

工作面排水泵電控系統的硬件設計主要對其自動化電控系統中關鍵硬件進行選型設計，主要包括有PLC 控制器以及各類功能性傳感器的選型設計。

表2 工作面排水系統控制策略

3.1 PLC 的選型設計

結合排水系統的作業任務，選用三菱FX2N 系列的PLC 控制器。該PLC 控制器的擁有24 個輸入接口，24 個輸出接口[5]。為了進一步豐富該控制系統的功能，擴展了一個模擬輸入模塊和一個數字量輸出模塊。模擬輸入模塊的主要功能是實現采集信號的數模轉換；數字量輸出模塊的功能是增加系統的輸出點。控制系統的輸入輸出等數量進行統計，統計結果如表3 所示。

表3 PLC 排水控制系統的輸入輸出量統計表

3.2 排水系統關鍵傳感器的選型設計

基于工作面排水系統各類傳感器對水位、溫度、流量、真空度以及出口壓力等參數信息進行實時采集，并將采集結果上傳至上位機，并由PLC 對采集到數據信息進行處理分析，最終得出不同控制方式。該工作面排水系統各類參數傳感器的選型結果如表4 所示。

表4 傳感器選型結果

4 排水泵電控系統軟件的設計

排水泵電氣控制系統不僅能夠實現排水泵的節能生產，還能夠根據水倉水位的變化情況控制水泵的開啟與關閉，且明確需開啟水泵的數量。因此，排水系統電控系統的軟件設計需遵循“避峰就谷的原則”。本節著重對排水泵的輪換工作和水泵工作方式選取的軟件程度進行設計。

4.1 排水泵輪換工作軟件的設計

為延長工作面排水泵的使用壽命，在實際應用過程中應首先根據水倉內水位及其水位變化率的變化情況結合“避峰就谷”的原則確定需開啟水泵的數量。若需開啟水泵的數量大于當前水泵的開啟數量，系統應開啟運行次數較少的水泵；反之，若需開啟水泵的數量小于當前水泵的開啟數量，系統應及時關閉運行次數相對較多的水泵。與上述控制策略對應的程序流程如圖2 所示。

圖2 排水泵切換工藝流程圖

4.2 排水泵控制方式切換軟件的設計

為滿足綜采工作面排水系統的實際生產需求，其水泵可通過自動、半自動以及手動方式完成對排水系統的控制。排水泵控制方式切換程序流程圖如圖3 所示。

圖3 排水泵控制方式程序流程圖

如圖3 所示，系統動作前首先應對PLC 性能檢驗，經檢驗后若PLC 無故障則根據實際生產需求選擇對應的控制方式。

5 結語

排水系統作為綜采工作面的五大系統之一，其排水效果直接決定著綜采工作面的安全生產。為了實現綜采工作面排水系統節能、高效的生產，基于PLC 及各類傳感器設計了排水泵電氣自動化控制系統；為達到節能的目的，將“避峰就谷”的控制策略應用排水泵的電控系統中；最后，對排水泵的輪流切換以及其控制方式選擇的程序流程圖進行設計，為提升排水泵在綜采工作面安全、穩定、節能奠定了基礎。