淺析煤礦井下主排水自動控制系統的應用

楊振興 翟德華

摘 要 由于煤炭開采的快速發展和煤炭開采水平的不斷提高，在復雜的地下環境中進行良好的防水和排水非常重要。在新時代，自動化技術在煤礦井下排水中的應用價值已得到重要體現，主要依靠自動排水實現井下作業的自動管理。基于此，本文將討論煤礦自動排水系統的設計。

關鍵詞 地下排水引流;設備設計;自動排空

引言

隨著我國煤炭開采工作的不斷深入，地下水流入和蓄積問題變得越來越嚴重。目前，地下排水仍具有廣泛的積水點，實現遠距離井下排水自動控制是煤礦智能化建設的重要內容，而傳統PLC控制監測系統控制簡單、智能化不足，不便于進行數據處理和遠距離操作控制，難以應對煤礦積水廣泛的特點，并難以滿足煤礦自動化和現代化的快速發展需求[1]。

1現有排水控制系統的研究現狀和存在的問題

礦井排水系統是保證煤礦安全生產的重要環節。隨著煤炭工業技術的不斷進步，行業內相關學者和研究機構也不斷對礦井排水系統進行設計、優化和升級，提高了井下排水控制系統的自動化程度，例如：對排水泵的更換，硬件的優化升級。還有應用于排水系統的先進控制技術，包括神經網絡技術，模糊算法，以及改進的排水系統控制，排水管道的合理布局，其他排水設備的改造等。

但是，在礦井排水控制系統的實際應用中，仍然存在理論和實踐應用無法有效匹配的問題。以某礦井的排水系統為例，主要體現在以下幾個方面。首先，排水系統設備無法以最大的效率和最大的功率運行，某些設備處于靜態或閑置狀態，并且設備未得到充分利用。其次，排水系統中的排水設備，例如排水泵，閥門等，仍然大部分是手動操作的。盡管部分設備采用了自動控制，但是還存在諸如系統運行不穩定、信號響應速度慢和使用信息錯誤等問題[2]。

2煤礦井下自動排水裝置設計分析

2.1 合理設計井下排水控制系統結構

煤礦井下排水系統是基于計算機技術，智能控制技術，通信技術等技術設計的，井下排水系統設計為三層結構，包括地下監控系統，網絡傳輸系統和地面遠程監控系統。 井下監控系統主要由傳感器、電動閘閥和控制站組成。各傳感器主要負責水位監控、設備狀態監測、排水泵壓力、流量監測，將監控信息傳輸到控制站;電動閘閥主要控制水泵流量的自動開啟與關閉。控制站主要由智能控制裝置、供電電源、水泵啟動設備、現場通信設備組成。主要實現本地設備的數據采集和自動化控制，并通過傳輸網絡將其所采集的水泵、閥門等設備狀態上傳給地面監控系統。地面監控系統主要包括數據存儲服務器、視頻服務器、計算機工作站、報警設備等，主要負責數據處理和地下排水系統的控制，采用組態軟件對采集數據進行綜合運算、分析、界面展示，實現水泵運行自動優化、故障診斷、安全管理。

2.2 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，采用歐姆龍生產的CJ1系列PLC控制器結合了排水系統的操作特性，包括模擬輸入/輸出模塊、數字輸入/輸出模塊、通訊模塊、CPU模塊。其中，模擬量輸入模塊采用24V電源設計，可以由CPU的電壓直接供電，多個輸入點主要用于將排水系統中的水位信號、電機溫度信號、流量信號，負壓信號等，以及以電流形式輸入的信號，實現模擬量數據采集和數字轉換;開關量輸入模塊采用IA201模塊，輸入電壓為AC100～120V，電流為12mA，32點開關量輸入主要接收真空泵開關量信號、液位開關信號、閘閥開關信號、球閥位置信號等。模塊內部濾波電路可以有效地分離外部干擾信號。整個PLC控制器具有較高的控制性能，可以更好地滿足對井下排水系統的有效控制，確保井下作業環境的安全。

2.3 主控功能設計

整個井下控制器通過微機控制和計算機技術，實時監測和收集井下排水系統的數據并將其傳輸到中央控制單元。由主控制單元、數字輸入模塊、模擬輸入模塊、通訊單元、輸出單元進行硬件組態。主控制器分析排水過程的數據參數，實現排水泵工藝過程控制，實現排水泵自動監控、自動切換、故障保護和事故預警。

（1）排水系統工藝過程控制功能設計。水泵的工藝過程控制包括自動注水、閘閥控制、水位自動檢測與控制、故障保護與報警。即根據水泵有無底閥采用不同的控制過程。對于有底閥水泵，在啟動前，以排水管路中的壓力水為水源向泵體內灌水。對于無底閥水泵，控制噴射泵或真空泵采用抽真空注水啟動。主要實現水泵在啟動前的真空度監測、旁路電動球閥控制、主回路電動閘閥控制、出水壓力監測。實現在水泵啟動過程中的水泵空轉保護、電動閥與閘閥故障保護、水倉缺水保護與報警。

（2）水泵合理調度功能設計。它可以自動檢測水箱的水位及相關參數，實現自動泵控制，及時啟動，自動旋轉，遠程監控和及時報警。對于單泵控制，相關的軟件設計主要基于單泵的排水原理和工藝流程，實現了單泵的自動啟停和運行過程的自動保護。控制多臺泵需要各種優化的控制策略，包括水泵切換和管道切換等控制策略。實現水泵的自動運行。

2.4 控制系統監控界面的設計

由于監控界面是整個排水控制系統的重要組成部分，因此我們使用MCSG工業控制組態軟件來執行排水控制系統的監控界面設計。通過該界面，可以直觀地顯示井下水管，各種壓力，每個開關的狀態，每個閥門的啟動和停止，并且與現有界面相比，新的顯示界面中已添加了記錄顯示功能。整個排水控制系統的運行時間，設備的運行狀態，錯誤的積累和其他信息都可以實時記錄并可視化顯示。另外，整個顯示界面顯示更加流暢，報警功能更加全面，操作員可以直接實時掌握整個排水系統的運行情況，并通過顯示界面可以準確控制設備的運行狀態，及時發現系統故障。

3結束語

在煤礦生產中，排水系統的自動控制對于提升礦山的現代化、信息化和數字化程度意義重大，不僅可以確保礦山生產的安全，而且可以提高采礦作業的效率。井下泵房自動排水系統的設計與應用，不僅實現了井下泵房的自動排水，而且減少了井下作業人員和操作人員的數量，保證了整個排水系統的平穩正常運行，提高了礦山生產的安全系數與礦山的經濟效益。

參考文獻

[1] 蓋明哲，唐松.礦井排水自動化控制研究[J].內蒙古煤炭經濟，2019（16）：47-48.

[2] 張鵬.煤礦井下排水系統效率分析及節能途徑研究[J].山東煤炭科技，2019（7）：198-200.