PLC 控制系統在煤礦井下排水系統中的應用

樊智強， 孟嘉楠

（1.晉能控股煤業集團大斗溝煤業公司， 山西 大同 037003； 2.浙江今飛汽摩配技術研究院有限公司，浙江 金華 321000）

1 項目概況

某礦副立井井深545 m，井筒內安裝兩趟Φ325排水管，井底設主副水倉，主水倉容積為2 200 m3，副水倉容積為1 300 m3，積水通過多級離心泵排至地面污水井內。整個礦井分為主井、大巷、中央變電所以及水倉區。其中水倉的作用是儲存礦井涌水和沉淀雜質，采用雙水倉結構，分為主水倉和副水倉。在采礦過程中，井下各處的積水通過大巷水溝及盤區排水管路流至主副水倉，由主排水泵房的水泵主體通過連軸器連接于主電機，水泵冷缸通過管路連接于射流泵。當水倉的水位達到排水要求時，射流泵首先工作，抽掉冷缸中的空氣，使冷缸處于充水狀態；接著主電機工作，帶動水泵開始抽取水倉中的水，如圖1 所示。

但是由于礦井內排水系統采用傳統人工開啟控制方式，而且部分排水設備自動化水平相對落后，導致礦井在生產過程中排水系統經常出現故障，不僅降低了排水系統的工作效率，而且很容易引發重大煤礦水害事故，對此某礦通過技術研究，在井下排水系統中采用了一套PLC 控制系統。

2 PLC 控制系統應用分析

2.1 PLC 控制原理分析

PLC 可編程控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計。它采用可編程序的存貯器來在其內部存貯執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令，并通過數字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程[1-2]。

2.2 PLC 系統安裝

圖1 某煤礦井下排水工序示意圖

井下排水系統改造主要涉及高壓水泵、控制閘閥、設備控制柜、排水管等相關設備。技術人員通過安裝PLC 控制柜完成機電線路鋪設工作，同時安裝調試礦井下真空引水裝置、控制閘閥以及水泵排水管等。

2.3 PLC 排水系統控制過程

2.3.1 PCL全自動工作模式

1）當超聲波水位傳感器檢測到水倉內水位超過閾值時，會將報警信號通過就地箱傳給主控系統[3]；主控判斷需要抽水，打開相應電動球閥，并向就地箱發出信號，就地箱啟動射流泵，抽掉冷缸內的空氣。

2）當冷缸內充滿水時，傳感器識別負壓信號，傳給主控，主控關閉射流泵，同時打開一拖一軟起動，主水泵開始抽水[4]。

3）當水倉水位下降至安全閾值，超聲波水位傳感器向主控發出信號，主控停止抽水。

2.3.2 PCL半自動工作模式

半自動需要技術人員在控制顯示臺上通過相應的情況去控制射流泵、閥門和主水泵的啟停。

2.4 PLC 排水系統的保護功能

1）流量保護：當水泵啟動后或正常運行時，如流量達不到正常值實現報警，超過設定時限后自動停泵。

2）壓力異常保護：排水壓力、吸水真空度出現異常時實現報警，排水壓力、吸水真空度達不到設定值自動停泵。

3）水位超限及水位傳感器故障報警：設置報警水位，水位超過最高報警水位或最低報警水位，系統報警。

4）水位突變及排水量異常報警：水位增長速度超過正常水位增長速度，系統報警。泵房排水流量與礦井涌水量差值小于水位應下降速度，系統報警。有電機運行的曲線圖可隨時根據排水量監控電機的工作效率。

3 設備優化及改造

3.1 射流泵的優化及應用

1）水泵房共有三個吸水井，相互串聯，但水倉水位較低時，吸水井的水位也相對較低。在使用靜壓水管射流排真空時，無法達到預定負壓值，無法正常開泵，導致無法正常排水。當水位較高時水倉會覆頂造成盲巷[5]。

2）為解決該問題，我們通過測試當水位在1 m以下時負壓值需要達到0.034 MPa，靜壓水出水壓力只能達到負壓0.028 MPa 就無法再排出真空了。為此我們將風管接入射流泵內，風管內的壓力達到0.8 MPa，流量在80 m3/min，風管內的風流帶動負壓管內的引水壓力很快達到0.040 MPa，解決了在低水位情況下靜壓水壓力不足時無法正常排水的難題。

3.2 自動閘閥放逆轉裝置的配備

1）由于水泵開啟運用PLC 技術實現自動化，容易導致供電線路相序發生變化，從而誘發因電機反轉損壞設備的機電事故。

2）為了避免這一事故的發生，在自動閘閥啟動開關內裝設一只型號為TVR-2000B 的相序保護器，同時裝設一只660/220 的三相電壓互感器為相序保護提供監測及工作電壓。將開關內接觸器線圈與相序保護5、6 腳串聯后接入控制電路中，若相序發生錯誤與原來相序不符，相序保護5、6 腳觸點斷開，接觸器無法吸合，從而有效保障自動閘閥電機正轉運行，避免反轉損壞設備。

3.3 水位監測裝置的優化

水泵房自主研發浮球式水位報警裝置，由32D-A 型液位指示控制儀和VHGG-31A-G 型浮球電感式傳感器組合而成，其主要用途是通過設定水位高度，達到監測的作用，如圖2 所示。

圖2 浮球式水位報警裝置結構示意圖

4 應用效果

通過實際應用效果來看，井下排水系統采用PLC 控制系統后大大提高了排水系統自動化水平，降低了排水設備故障率，保證了井下排水系統安全穩定運行，取得了顯著的應用成效。