基于安全節能的礦井自動化排水控制系統設計

彭中衛

（內蒙古上海廟礦業有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 016200）

相對于其他國家，由于我國煤田普遍具有地質條件復雜的特征，通過長期對煤礦資源開采過程的觀察，發現在工作環節中受水量因素影響的煤礦比例占總量的三成左右，是否能夠合理排除煤礦積水已經逐漸成為影響工作人員工作狀態與生命健康安全的主要因素。但與此同時，很多地方性的小煤礦在設計排水系統時由于沒有考慮到設備的長期使用需求與更換周期，在實際應用時不僅導致電機在長期使用下耗能量逐漸增長，同時由于排水系統設計環節不夠完善大大降低了使用效率[1]。因此，需要針對當前應用礦井自動化排水控制系統時存在的主要問題進行深入分析，并對其中的系統應用環節進行持續優化，以達到延長設備使用壽命、降低勞動強度的根本目的。

1 目前我國煤礦井下排水系統存在的主要問題

很對地方小煤礦由于受條件所限，為盡量降低工作成本，在排水控制方面依然選擇人工控制為主要方式，不僅工作強度大，同時工作效率與可靠性均達到不到預期工作標準。

（1）設備無法集控。排水相關設備無法集控是煤礦排水系統在應用時存在的主要問題，對應的礦井的設備實際運行情況以及與之相關的實時數據反饋也不夠及時，一旦出現故障不能保障問題解決的及時性，并不符合現代化煤礦的管理要求。

（2）控制策略仍處于落后狀態。傳統排水系統應用過程中是完全依照人工經驗判斷排水時機與各種系統應用因素，但由于設備對應的環節繁多，導致人工操作方面需要掌握大量的復雜操作過程，操作人員承擔著極大的責任與工作壓力[2]。若是工作人員沒有足夠的工作責任心，很容易會因為馬虎大意導致操作不及時甚至設備損壞，井下的安全生產活動無法保證。

（3）水泵啟動失敗率較高。水泵干燒現象是影響水泵使用壽命的關鍵因素，為了盡量避免此種現象出現，當前采用的大多數排水系統均采用具有無底閥特性的抽水方式為水泵的主要注水過程。但完全依靠人工經驗判斷臨空真空度是否達到系統規定的啟動標準的方式卻很容易出現失誤，最終導致水泵電機開啟不及時或是相關數據讀數不精準等問題。

（4）系統運行效率過低。作為煤礦生產活動的高耗能設備，提高水泵的運行效率是降低工作成本以及緩解能源緊張問題的基礎條件。但由于當前我國多數煤礦的節能意識并不強，對應的排水系統的控制方法極為落后，設備維護成本逐漸上升的同時工作效率卻不能得到保證，尤其是設備在長期使用的條件下勢必會出現老化磨損等問題，如果沒有一套切實可行的安全節能方案與之相匹配，對于實際的生產生活將產生極大的不良影響。

2 控制系統方案設計

本方案設計以生產能力在140萬噸的中小型煤礦為背景，結合煤礦所處地理環境與新老豎井自動排水系統的應用特性，對其中央泵房以及井下排水系統環節中出現的各種問題進行優化，并制定出一套切實可行的安全節能排水系統設計方案。

2.1 離心式水泵排水系統

水泵是排水的主體設備，其主要由軸承、支架、泵殼葉輪等組成，而離心式水泵由于構造較為簡單、維護方便等優勢更是被廣泛應用在生各大產領域。其工作原理是在泵腔充滿液體的情況下啟動葉輪旋轉將會帶動水做離心運動，并利用水壓將液體排放至管道中。之所以水在啟動的狀態下會進入到泵腔內部，是因為電動機在啟動時高速旋轉，在大氣壓力的輔助下礦井下積水將會被快速排出。

2.2 排水系統組成

通常情況下以離心式水泵為主體的排水系統在應用時需要根據煤礦所在的區域環境選擇合適的注滿泵體液體的方法，常見的有真空泵、射流抽真空以及射流泵等，其系統主要由電機、閥門、離心式水泵、啟動設備以及管路附件等組成。

（1）閥門。閥門的使用優勢為阻力小、方便調節流量等，但其在長期使用下極其容易磨損，后期的維修維護過程也過于復雜；逆止閥具有方向性，其主要作用為在水泵故障的情況下避免水逆流的情況出現，降低水倉水溢出事故的發生風險。

（2）真空表與壓力表。真空表主要用于檢測泵體內部真空度，只有真空度足夠水泵電機才能啟動，減少了電機干燒現象的出現。而壓力表通常接在排水管路上，緊鄰水泵出水口，從而檢測水壓力以判斷是否需要打開出水閘閥，降低水錘事故的發生風險。

（3）射流系統。為避免電機干燒等不良現象的出現，啟動前給水泵腔體注水是常規操作，采用的方法普遍為射流抽真空與真空泵注水法。射流泵在真空環境下能夠將水吸入，同時具有空間利用率高、維修量小等優勢，被廣泛應用于自動化排水系統設計環節中。

2.3 系統整體設計方案

控制系統主要包括上位機與PLC控制柜兩大核心，根據此煤礦的現場情況可以將其分為井下現場下位機與地面監控上位機。具體如圖1所示。

（1）地面監控上位機。想要達到在地面對井下排水情況進行監控的效果，需要設置地面監控系統（工業電視系統、光刻機以及工控機等），在構建上位機后能清楚地顯示井下的動態畫面與現場的數據變化，從而對井下的各種排水設備進行遠程控制。操作人員能夠通過實時反饋的水泵運行數據判斷井下情況，并能夠在水泵故障發生的第一時間發現從而保證問題解決的及時性，將問題損失降到最低。

（2）井下排水控制系統。現場控制井下設備主要通過PLC控制柜以及與之相配套的各種傳感器實現控制功能，通過安裝網絡攝像頭能夠對中央泵房的具體情況進行實時監控。PLC控制柜主要由各種電氣設備以及S7-300PLC組成，其中的PLC部分組成由輸入輸出模塊、數字量輸入輸出模塊、CPU以及電源模塊組成，能夠對設備的發出信號進行收集與判斷，從而自動判斷設備的環節操作狀態，在與就地操作箱結合使用后能夠顯示自由控制水泵狀態。

（3）控制系統主要功能。①排水系統自動化控制。在將自動化排水系統安裝完成后真正實現了無人值守功能（保留手動控制模式），能夠通過控制系統對水泵等各種設備進行遠程操控，從而降低人工操作成本，減少了操作失誤所帶來的一系列問題。②控制方式多樣化。為了能夠根據現場的具體情況自由選擇操控模式，在對設備進行自動化控制的基礎上，仍然保留手動控制模式，并增加遠控、近控以及檢修三種模式。自動模式下全程不需要人工參與就可實現整個流程的自動化控制；遠控模式下需要操作人員操作計算機下發水泵的開啟與停止指令，具體操作在PLC系統的協助下進行；近控模式是工作人員在井下通過就地操作箱對水泵等設備進行操作，其余操作仍需在PLC輔助下完成；檢修模式主要用于水泵等設備發生故障的情況下，在故障發生后機組設備報警，維修人員趕到現場設置為檢修模式，并在故障處理完成后調回自動化運行狀態。③系統優化。通過設定自動化控制程序系統實現了水泵的自動輪換功能，并能夠自動收集水泵工作信息建立對應的工作模型，從而選擇最為符合工作實際情況的啟停水泵與排水管路，以最大程度的延長水泵使用壽命。一旦發現系統在運行過程中存在故障，在通過系統確定故障水泵位置后需要取消該水泵的工作輪換狀態，直至修復后方可重新取用，這種系統優化方案的優勢在于降低了某些水泵的長時間工作壓力，避免頻繁使用出現老化現象，同時也減少了其他水泵機組長時間閑置對于實際工作效率的影響，有效減少了由于排水系統應用不當所帶來的安全隱患。④系統保護。為提高設備工作的安全穩定性、降低工作人員的井下生產工作安全風險，系統設計了各種保護功能，包括真空度檢測、電流、超溫、電機參數以及PLC故障保護等。在保護功能啟用后，一旦系統中的某些部分發生故障就會自動報警，同時能夠根據設置的不同報警信號第一時間判斷出故障類型。對于排水系統來說，若是真空度不能達到規定數值就將電機啟動很容易出現干燒現象從而導致水泵啟動失敗。而通過增加的真空表與壓力傳感器能夠清楚地顯示出實時壓力數值，一旦沒有在啟動時達到規定數值就會報警，有效保證了問題解決的及時性；對電流進行監測，發現電流過低或過高能夠第一時間報警，以降低干燒現象的發生頻率；超過規定溫度運行水泵電機將會極大減少其工作壽命，因此需要對溫度進行監控以便在溫度過高時及時停止電機工作以保護內部電路；系統能夠根據電機的各種參數判斷電機的工作狀態，一旦發現參數與預先設定標準值區間不符，將會自動執行設定操作并發出故障報警；PLC由于其結構特殊性，難免會在長時間使用時出現死機或是觸電老化現象，一旦出現此種情況將會立即發出故障報警，并自動將控制方式轉為手動以免影響其后續的工作狀態。

3 結語

綜上所述，為提高煤礦井下工作安全等級以達到安全節能的工作目標，設計一套切實可行的自動化排水控制方案是極其重要的。這套方案在應用后不僅能夠滿足現場的生產工作需要，還能夠根據不同種情況切換不同的工作模式，為提高工作安全性、持續提高經濟效益打下了堅實的基礎。