大柳塔煤礦井下中轉水倉自動化改造

王 飛，羅 偉

(神東煤炭集團，陜西 神木 719315)

0 引言

煤礦井下水害是影響煤礦安全生產的重大災害之一，當井下涌水量增加時，若無法及時排出，輕則影響正常安全生產，重則出現重大事故。治理水害的主要手段為防、堵、疏、排、截，排水是主要手段[1]?，F階段，大部分煤礦都使用電動潛水泵作為排水裝置，通過人工操作啟動器來控制水泵，這種排水方式受人為因素影響較大，排水效果不理想[2-3]。目前，大柳塔煤礦的主要排水水倉都已實現自動化排水，自動排水系統主要由高壓電機、離心泵、真空泵、電動閥、球閥等設備組成，感知元件主要有真空度傳感器、負壓傳感器、液位傳感器、管路壓力傳感器、流量計等[4-6]。大柳塔煤礦主排水系統利用傳感器、工控計算機、煤礦井下工業網絡以及數據庫服務器實現了對井下主要排水系統設備的實時監測、自動控制、參數調節，從而使設備運行達到最佳狀態，分析歷史運行數據對設備故障可以提前預判。

1 中轉水倉自動化改造

1.1 改造目標

運行現狀：排水系統中轉水倉的主要作用是蓄水、沉淀凈化、緩解主排水系統壓力[7-8]。目前中轉水倉的排水主要依靠水位控制，無法對中轉水倉的運行狀態實時監測，無法配置最優排水方式，且需要人員巡視中轉水倉排水情況以及設備運行情況。

改造目標：在安全、可靠、穩定的前提下，利用井下工業控制網絡，結合大柳塔煤礦實際情況建設一套中轉水倉遠程集中控制自動化排水系統，實現礦井各中轉水倉附近區域涌水量、水泵運行狀態的實時監測與歷史運行數據記錄的功能。

1.2 設備選型

水泵控制開關：水泵控制開關采用濟寧同創礦用隔爆兼本質安全型雙回路水泵水位控制器，該控制器是一種新型電機開關，適用于電壓1 140 V或660 V，電流5～400 A交流異步電動機的直接起動、停止或反轉[9-10]。該控制器集檢測、控制、保護于一體，可以通過液晶顯示及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。該控制器可專門作為礦用潛水泵、多級離心泵的控制器，并可以實現控制礦用潛水泵、多級離心泵使用方式的切換，以及數據上傳通過網絡進行地面控制，實現了RS485、以太網通訊隔離、以太網光信號輸出、模擬量信號隔離等功能。

工控服務器：地面安裝一臺高性能工控服務器，該工控服務器安裝定制開發的監控組態軟件，可對井下中轉水倉相關設備運行情況進行集中監控，并將采集的數據轉換為OPC協議數據供PSI系統讀取，使數據接入到PSI系統平臺。PSI系統是德國PSI公司開發的區域煤礦集中控制系統，它是將煤礦各子系統高度集成在同一個平臺上，形成專業調度體系，完全淘汰了過去一個系統需要加裝一個顯示器的情況。實現煤炭生產從采掘、運輸和洗選加工等一體化管理模式。數據監控與共享實現了全礦井跨部門、跨專業、多維度集中管理和控制。

2 控制方式的實現

2.1 水泵控制器控制方式

自動方式：該控制器在自動方式下控制礦用潛水泵時功能實現的具體方式如下。①當高位檢測探頭動作(5 V和B2接通即24 V+和I2.2接通)以及低位檢測探頭動作(5 V和B1接通即24 V+和I2.1接通)后，主回路工作(24 V-和Q0.0接通)，1號水泵啟動，當水位下降到低位檢測探頭不動作(5 V和B1斷開即24 V+和I2.1斷開)后，主回路停止工作，1號水泵停車；如此循環；②當高位檢測探頭動作(5 V和B2接通即24 V+和I2.2接通)以及低位檢測探頭動作(5 V和B1接通即24 V+和I2.1接通)后，主回路工作(24 V-和Q0.0接通)，1號水泵啟動，如果水位繼續上升，升到超高位檢測探頭動作(5 V和B3接通即24 V+和I2.3接通)后，副回路同時動作(24 V-和Q0.1接通)，2號水泵啟動，此時2臺水泵同時工作，當水位下降到低位檢測探頭不動作(5 V和B1斷開即24 V+和I2.1斷開)后，主副2個回路停止工作，1號、2號水泵停車；如此循環；③當高位檢測探頭動作(5 V和B2接通即24 V+和I2.2接通)以及低位檢測探頭動作(5 V和B1接通即24 V+和I2.1接通)后，主回路(24 V-和Q0.0接通)工作，1號水泵啟動，當主回路出現故障后，主回路停止工作，1號水泵停車，自動切換到副回路(24 V-和Q0.1接通)工作，2號水泵停車，當水位下降到低位檢測探頭不動作(5 V和B1斷開即24 V+和I2.1斷開)后，副回路停止工作，2號水泵停車；如此循環；④控制器在外接液位傳感器時，液晶屏可實現水位深度的顯示。此時可設定受液位高度控制液位值低于下限值時(0～5 m可調)，主、副回路停止工作；液位值高于上限值時(0～5 m可調)，主回路工作；液位值高于上限值時(0～5 m可調)，主、副回路同時工作。水泵水位控制器電氣原理圖如圖1所示。

圖1 水泵水位控制器電氣原理

手動方式：該控制器在手動方式下控制礦用潛水泵時可以實現既可單獨啟動主副2個回路，也可以同時啟動主副2個回路。當水泵控制方式在手動狀態下可以忽略水位控制信號，通過防爆箱的啟動按鈕直接啟動水泵。

2.2 上位機遠程集中控制

自動監控：設計水泵自動監控系統，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，來讀取電參量。該系統可以通過千兆以太網和地面調度中心通信實現數據共享，可以通過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。

可編程控制器：系統采用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 SMART)。系統分為就地操作和遠方操作，就地操作和顯示采用液晶顯示器；遠方操作采用上位機進行，PLC通過以太網模塊連接到工控機，通訊介質采用礦用通信阻燃光纖纜。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。

2.3 中轉水倉系統運行

自動啟動停止：水泵水位控制器根據浮球液位開關的狀態自動啟動停止排水系統，如圖2所示。低液位、高液位同時有信號時啟動主排水泵，并打開其電動閥，液位低于低液位探頭時停止排水系統，并關閉電動閥。低液位超高位同時有信號時啟動主、副套排水系統，并打開其電動閥，當液位低于低液位時停止所有排水系統。當主系統有故障時自動向副系統切換。水泵、電動閥、流量計、水位傳感器、水泵控制器等設備通過光纜將數據傳至地面集控室。

圖2 水倉設備總線

實時監控：如圖3所示，上位機集中監控人機界面可對井下中轉水倉運行狀態進行實時監控，對設備運行方式寫入，對運行數據導出，對故障信息記錄和復位。

圖3 上位機集中監控畫面

3 結語

大柳塔煤礦中轉水倉的自動化改造是神東礦井持續推進智能化無人化礦井建設的一部分。中轉水倉在煤礦井下分布范圍較廣，給排水工作帶來較大困難，需要消耗大量的人力資源。中轉水倉在自動化改造后，實現了上位機的集中監控，大幅減員增效，提高了礦井安全生產能力。上位機采集各個中轉水倉運行數據并記錄，為綜合分析礦井涌水量提供數據基礎，為生產指揮與管理決策提供依據，為礦井智能化無人化發展奠定基礎。