梅花井煤礦環(huán)形水倉(cāng)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

劉小明

摘要：針對(duì)梅花井煤礦環(huán)形水倉(cāng)排水占用人力資源嚴(yán)重、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、日常管理難度大的問(wèn)題，對(duì)環(huán)形水倉(cāng)的排水設(shè)備進(jìn)行了自動(dòng)化改造。通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，從而徹底改變了環(huán)形水倉(cāng)傳統(tǒng)的人工排水方式，達(dá)到了自動(dòng)化換人、減員提效的目的。

Abstract： Aiming at the problems that the drainage of the annular water storage in Meihuajing Coal Mine takes up a lot of human resources， the operation environment is complex， and the daily management is difficult， the drainage equipment of the annular storage is automatically transformed. The remote control is realized through industrial Ethernet， thus completely changing the traditional artificial drainage method of the ring water storage and achieving the purpose of automatic substitution， personnel reduction and efficiency improvement.

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程;自動(dòng)化;控制;節(jié)約

1? 環(huán)形水倉(cāng)水源

梅花井煤礦環(huán)形水倉(cāng)的水源來(lái)自巷道淋水、探放水、設(shè)備冷卻水、沖洗巷道的水及供水管路漏水。

2? 環(huán)形水倉(cāng)傳統(tǒng)排水模式存在的問(wèn)題

環(huán)形水倉(cāng)排水作業(yè)采用傳統(tǒng)人工排水模式：水泵工乘坐膠輪車、架空乘人器加步行到達(dá)環(huán)形水倉(cāng)，觀察水位，水位達(dá)到上限時(shí)，操作現(xiàn)場(chǎng)的排水設(shè)備開(kāi)始排水，期間觀察水位，當(dāng)水位達(dá)到下限時(shí)，停止排水，排水停止期間，打掃現(xiàn)場(chǎng)的衛(wèi)生或則等待，三班倒工作制。

采用傳統(tǒng)人工排水模式存在問(wèn)題：

①每個(gè)環(huán)形水倉(cāng)每天必須占用4名水泵工，3名水泵工三班倒，1名輪休，人力資源占用嚴(yán)重。

②井下排水作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，悶熱潮濕，周圍充滿了危險(xiǎn)源，作業(yè)環(huán)境惡劣。

③為避免水倉(cāng)中水量突然增加造成巷道或設(shè)備被淹，水泵工嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)交接班制度，因部分巷道至井口距離長(zhǎng)，甚至接近10公里，單程需要1個(gè)小時(shí)，造成交接班時(shí)間長(zhǎng)，人員在井下的單班作業(yè)時(shí)間接近10個(gè)小時(shí)，人員長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，容易出現(xiàn)疲勞作業(yè)，發(fā)生安全事故。

④當(dāng)水倉(cāng)水位排至下限后，排水設(shè)備停止運(yùn)行，水泵工也處于空閑狀態(tài)，單班有效作業(yè)時(shí)間少。

⑤人工誤操作或責(zé)任心不強(qiáng)，未嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程排水作業(yè)，導(dǎo)致設(shè)備損壞或巷道被淹。

⑥對(duì)于設(shè)備工況的監(jiān)測(cè)，全靠人工估量，沒(méi)有說(shuō)服力，無(wú)法精掌握設(shè)備的狀況。

⑦排水過(guò)程中，設(shè)備出現(xiàn)故障后，不能立即停止設(shè)備。

3? 環(huán)形水倉(cāng)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)建[1]

環(huán)形水倉(cāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)由1臺(tái)礦用隔爆兼本安型信息傳輸接口、1臺(tái)礦用本安型投入式液位傳感器、2臺(tái)礦用本安型壓力傳感器、4臺(tái)礦用隔爆型電動(dòng)球閥、1臺(tái)超聲波流量計(jì)、2個(gè)液位浮球開(kāi)關(guān)構(gòu)成。設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖所示：如圖1。

礦用本安型壓力傳感器，用作監(jiān)測(cè)水泵出水口側(cè)的壓力，并通過(guò)與水泵正常運(yùn)行時(shí)的壓力值對(duì)比，判斷水泵運(yùn)行是否正常。

礦用隔爆型電動(dòng)球閥，啟動(dòng)水泵電機(jī)前，打開(kāi)連通供水管上的球閥，通過(guò)水泵注水孔向水泵內(nèi)注水;打開(kāi)連接水泵上排氣孔的球閥，排出水泵內(nèi)的空氣;啟動(dòng)水泵電機(jī)后關(guān)閉以上兩個(gè)球閥。

超聲波流量計(jì)，監(jiān)測(cè)排水管路中水的流量，并通過(guò)與水泵正常運(yùn)行時(shí)的流量值對(duì)比，判斷水泵運(yùn)行是否正常。

液位浮球開(kāi)關(guān)，通過(guò)測(cè)量鐵桶內(nèi)的水深來(lái)判斷水泵注水是否滿。

礦用隔爆兼本安型信息傳輸接口為控制核心，內(nèi)置處理器為西門子S7-1200可編程控制器，現(xiàn)場(chǎng)由西門子S7-1200可編程控制器采集傳感器信號(hào)，并按照設(shè)定的邏輯順序控制電動(dòng)球閥及水泵電機(jī)的啟停。

3.2 環(huán)形水倉(cāng)自動(dòng)化排水的工作原理

①水泵啟動(dòng)。液位傳感器上傳的數(shù)據(jù)大于設(shè)定的水位上限，注水電動(dòng)球閥開(kāi)，排空氣電動(dòng)球閥開(kāi)，當(dāng)水泵和吸水管內(nèi)注滿水，多余的水流進(jìn)沿底部周圍有4個(gè)ф10mm小孔的鐵桶內(nèi)，鐵桶內(nèi)有液位浮球開(kāi)關(guān)，當(dāng)鐵桶內(nèi)水位滿時(shí)，液位浮球開(kāi)關(guān)顯示關(guān)閉，證明水泵注水滿，排空氣電動(dòng)球閥關(guān)，注水電動(dòng)球閥關(guān)，西門子S7-1200可編程控制器遠(yuǎn)控水泵電機(jī)的礦用隔爆型電磁啟動(dòng)器合閘，啟動(dòng)水泵電機(jī)排水，出水壓力和流量大于參考值，水泵正常排水;否則，報(bào)故障，西門子S7-1200可編程控制器遠(yuǎn)控水泵電機(jī)的礦用隔爆型電磁啟動(dòng)器分閘，水泵電機(jī)停止工作[2]。

②水泵停止。

液位傳感器上傳的數(shù)據(jù)低于設(shè)定的水位下限，西門子S7-1200可編程控制器遠(yuǎn)控水泵電機(jī)的礦用隔爆型電磁啟動(dòng)器分閘，水泵電機(jī)停止工作。

3.3 遠(yuǎn)程控制

環(huán)形水倉(cāng)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制排水的核心——礦用隔爆兼本安型信息傳輸接口通過(guò)擴(kuò)展工業(yè)以太網(wǎng)模塊CP343接入信息化系統(tǒng)，再經(jīng)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)上傳給遠(yuǎn)程控制中心的工控機(jī)[3][4]，工控機(jī)上環(huán)形水倉(cāng)的控制界面如圖2所示。

環(huán)形水倉(cāng)遠(yuǎn)程自動(dòng)化排水共有三種控制模式：

開(kāi)泵流程：開(kāi)注水閥，點(diǎn)擊注水閥，選擇注水閥開(kāi)即可→開(kāi)排空閥，點(diǎn)擊排空閥，選擇排空閥開(kāi)即可→滿水信號(hào)顯示后30s關(guān)排空閥→開(kāi)電機(jī)，點(diǎn)擊水泵文字，選擇電機(jī)啟動(dòng)，水流和電機(jī)動(dòng)畫(huà)顯示出來(lái)→關(guān)注水閥，點(diǎn)擊注水閥，選擇注水閥關(guān)即可。

停泵流程：停止電機(jī)，點(diǎn)擊水泵文字，選擇電機(jī)停止→水流和電機(jī)動(dòng)畫(huà)消失。

一般情況下，環(huán)形水倉(cāng)排水采用全自動(dòng)控制模式;當(dāng)水倉(cāng)排水需要人工干預(yù)時(shí)，采用自動(dòng)控制方式;早班測(cè)試水泵或排查故障時(shí)，采用手動(dòng)模式，對(duì)設(shè)備進(jìn)行一一測(cè)試。

4? 應(yīng)用效果

梅花井煤礦環(huán)形水倉(cāng)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)自應(yīng)用以來(lái)，每個(gè)環(huán)形水倉(cāng)可節(jié)約4名水泵工，極大節(jié)約人力資源;再加上PLC程序的約束和自動(dòng)化，投入使用以來(lái)從未發(fā)生一起因人為操作而造成設(shè)備損壞或因人為原因造成水淹巷道的事故。壓力傳感器、流量傳感器等傳感器提供數(shù)據(jù)，PLC程序監(jiān)控排水設(shè)備的工況，當(dāng)排水設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)識(shí)別排水設(shè)備的故障，立即停止設(shè)備運(yùn)行，保護(hù)了設(shè)備，并能為檢修工作提供工況數(shù)據(jù)，提高人工判斷故障的準(zhǔn)確性和效率。

5? 經(jīng)濟(jì)效益分析

5.1 人工成本節(jié)約

每個(gè)環(huán)形水倉(cāng)每天需要4名水泵工，每名水泵工年平均收入11萬(wàn)元，若環(huán)形水倉(cāng)采用遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制排水，環(huán)形水倉(cāng)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，每個(gè)環(huán)形水倉(cāng)每年可節(jié)省人工成本44萬(wàn)元。

5.2 投資回收期計(jì)算

從表1中可以得出：每個(gè)環(huán)形水倉(cāng)需要硬件投資6.71萬(wàn)元。每個(gè)環(huán)形水倉(cāng)每年人工成本可節(jié)約44萬(wàn)元，投資回收期是6.71÷44×365=55.66天，即56天。

6? 結(jié)語(yǔ)

梅花井煤礦環(huán)形水倉(cāng)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用節(jié)約了人力資源，改善了排水人員作業(yè)環(huán)境，避免了人工誤操作造成淹巷道和損壞設(shè)備，達(dá)到了自動(dòng)化換人、煤礦井下少人則安的目的，顯著地降低了人工成本，投資回收期短，經(jīng)濟(jì)效益良好。

參考文獻(xiàn)：

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