煤礦井下排水控制系統的應用設計

李 冰

（山西新元煤炭有限責任公司，山西 壽陽 045400）

引言

在煤礦開采過程中經常會有大量的地下水涌出，若地下水位超過一定的安全閾值，不僅會使井下工作面出現嚴重的積水現象，也極容易使煤礦開采設備出現漏電現象，這將給井下作業安全及煤礦開采效率造成嚴重影響[1]。據統計，國內每年約有15%的礦井都會出現一定程度的漏水現象[2]。目前，國內煤礦普遍采用的井下排水控制系統存在控制精度較低、系統響應較慢、智能化控制水平較弱等問題，無法滿足當前智能化井下排水遠程控制的使用需求[3]。因此，將更加先進的控制技術應用到井下排水控制系統中，實現井下排水控制系統的升級優化，是有效保障井下作業安全的重要方向。

1 目前井下排水控制系統存在的問題

通過對煤礦領域井下排水系統的綜合調研，結合新元煤礦主井中現有的排水控制系統特點，分析當前井下排水控制系統在使用過程中存在的諸多問題[3-4]，主要包括如下幾點：

1）僅實現了對水泵的現場控制，未有效將水泵作業狀態及相關參數通過通訊方式傳輸至相應的監控平臺上，整體自動化、智能化程度相對較低；

2）各類檢測傳感器精度相對較低，且為幾年前的產品，存在響應速度較慢、異常故障明顯、數據信息不準確等問題；

3）數據通訊接口是傳統的RS232，與RS485通訊接口相比，存在信息傳輸速度慢、信息傳輸量少等問題；

4）整個控制過程需手動操作控制，未實現對井下排水設備的自動化遠程控制，也無法實現對排水過程及狀態的實時監控和控制；

5）由于未實現智能化控制，導致排水過程的電量消耗相對較高。

為此，設計一套智能化井下排水控制系統，以提高井下排水效率及作業安全，降低企業的費用支出。

2 智能化井下排水控制系統總體框架的設計

以新元煤礦主井控制系統為基礎，進行升級優化設計。如圖1所示，整套控制系統包括執行層、運算層、監控層等。其中：執行層中檢測單元部分有液位傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、電流傳感器、流量傳感器、電壓傳感器等，可實現對井下排水過程的相關參數的實時數據采集[5]；執行單元主要由水泵電機、出水閥、真空閥、射流閥等組成，在接收來自PLC的執行命令后，執行相應的動作，實現對井下排水過程的相關控制操作；運算層包括PLC控制器、水泵調度和控制單元等，結合采集的相關信號，可完成排水過程的自動運行、模式切換、水泵自動輪換、水泵啟停等操作，對相關數據分析判斷處理后將其傳輸至監控平臺實時顯示，其中，PLC控制器為西門子S7-300，內部控制程序的編程設計軟件為STEP7，調度控制系統的控制器為KXJ600型礦用防爆型控制器，可有效保證整套系統的高效計算；監控層主要包括上機位PC主機、液晶顯示器、服務器等，對整套控制系統進行狀態顯示、數據分析及執行命令操作等。整套系統基于以太網和RS485進行數據信號的傳遞，可實現整個排水過程的自動化遠程操作。

圖1 排水控制系統總體框架圖

3 排水控制系統關鍵部分的設計

3.1 硬件部分的設計

硬件模塊是整個排水控制系統的基礎組成部分，如圖2所示，包括檢測單元、水泵控制單元、PLC控制器、通訊線路等。硬件模塊中的PLC為西門子S7-300型控制器，可有效保證整套系統高效穩定運行，并提高系統數據的計算速度。檢測單元包括GUCS10型液位傳感器、PT-100溫度傳感器、GYD10壓力傳感器、JSZW3-10電壓互感器等檢測元件，具有采集精度高、性能穩定可靠、抗爆性較高等特點，能實現對井下關鍵參數的實時數據采集，通過RS485通訊接口和以太網方式將數據傳輸至PLC進行分析判斷處理[6]，PLC經過分析處理后，將相關信息通過交換機傳輸至地面監控中心，地面監控中心根據實際情況發出相應的控制命令，PLC則經過分析轉換后發出電機啟停、報警、復位、控制方式等相關執行控制命令，以實現對執行機構的操作控制。

圖2 控制系統硬件模塊框架圖

3.2 監控模塊的設計

監控模塊是整個系統的重要組成部分，對井下排水過程及設備運行狀態進行實時監控。如圖3所示，此監控模塊的開發設計軟件為iFix組態軟件，其功能主要包括系統管理模塊、實時監控模塊、報表模塊、歷史數據查詢模塊等。其中，實時監控模塊主要對水泵的運行狀態、排水中相關參數等進行遠程監控，通過PLC進行數據的分析處理和以太網的數據信號傳輸后，將監控數據信息傳輸至監控中心，供操控人員通過監控界面對井下排水狀態進行實時遠程監測和操作控制，同時生成年/月/日的報表，并對相關數據進行存儲，以便后期對數據進行查詢。

圖3 監控模塊結構框架圖

3.3 水泵控制模塊的設計

水泵是實現井下水的快速排放并將其控制在安全范圍內的重要設備。因此，對水泵的運行進行控制模塊設計。在此控制模塊中，分為參數顯示、控制模式的顯示及啟停控制等部分。其中：參數顯示部分主要對水泵運行過程中的電流、電壓、流量、出水口壓力等參數進行檢測及界面顯示，當某一個參數超過相應閾值時，該控制模塊則會發出相應的報警提示和異常情況顯示，以供相關人員根據報警提示對水泵進行有針對性的檢查和維修；控制模式部分則主要對水泵進行手動或自動控制，并通過界面進行控制模式顯示；啟停控制部分對手動控制模式下水泵的每一步操作進度以綠燈方式進行狀態顯示。

3.4 傳感器屏蔽模塊的設計

由于井下環境復雜，會經常出現某一個指標雖超過相應閾值但不會影響控制系統的整體性能，此時，可對相關傳感器進行屏蔽操作，而傳感器閾值的設置一般是二級閾值設置。在進行傳感器屏蔽功能設計時，主要是對傳感器的檢測參數進行一級閾值屏蔽，包括電壓、電流、電機軸承溫度、排水量、井下水位等參數，需人員進行判斷后手動屏蔽，但此時系統仍會發出一級聲光報警提示。此功能不僅可實現整套系統的預警提示，也可保證排水過程不間斷操作，提高排水效果。

4 系統測試的評價

為進一步驗證所設計的井下排水控制系統的綜合性能，在新元煤礦主井進行了現場應用驗證，測試周期為6個月。經過對該系統的現場應用測試，表明該排水控制系統運行良好，各項數據檢測功能、數據顯示及分析功能等均正常，能清晰、高精度地實時顯示井下排水過程的相關參數，當井下水位超過閾值或水泵出現異常現象時，該系統也能夠及時發出相應的聲光報警提示，并執行相應的控制操作命令，并通過顯示界面顯示所有異常現象類型及發生位置，有關人員只需通過顯示界面提示，有針對性地對井下異常情況進行檢查、維修等操作，正常排水過程無需人工干預和操作。由此實現了整個排水過程的自動化遠程控制，大大提高了井下作業的安全性，降低了人員的作業危險程度。顯然，該系統具有重要的實踐應用價值。