煤礦井下水泵自動化控制系統設計與應用

謝兆豐，長孫佳慶

（陜西彬長礦業集團有限公司，陜西 咸陽 712000）

在煤炭礦井等井下活動中，最重要的施工工程是排出井下涌水，這要求排水系統必須萬無一失、可靠和安全，能順利、完全地將地下水排出地面[1]。水泵控制系統作為井下排水系統不可或缺的系統，關系到后面對煤礦井的開采，其技術亟需提高，以提高總體礦井的開采速率和效率[2]。而老式傳統井下水泵仍然以人工為主，使用的控制系統復雜紛繁、功能損耗大，不僅僅不能有效提高效率，而且提高了開采的成本，不利于礦井科技的發展。因此，井下水泵系統亟需向自動化、去人工化靠攏發展。

1.煤礦井下排水系統概述

煤炭井下排水系統作為煤礦的六大系統之一，為煤礦開采打下了重要基礎，同時也是井下系統運行過程中的“保衛兵”。研究表明，井下液體主要成分包括地表水和地下水，包括了降雨積水、水庫積水、礦井積水、江河水和地下層水等水分。如果在排水過程中導致地層水進入礦井或者礦井內積水，很有可能拖慢開采進度，嚴重將影響井下工作人員的生命健康，帶來不必要的危險和傷害。故而，排水系統是保障礦井安全運作的一個大系統，舉足輕重。

國外礦井排水系統非常成熟且早期進步飛快，對現場總線監控系統的使用方式也非常成熟，國際上普遍認可并利用。1990年代中期，排水系統開啟方式由俄羅斯專家通過一臺功率為2千瓦到3.5千瓦的電機所實現，并由此發現了雙電機的優勢，同時也巧妙處理了高揚程雙電機的問題，并處理了現場會產生的實際問題，大大提升了礦井排水系統的發展程度。

在富礦國家，自動化智能技術也得到了充足的發展，煤炭生產也實現了去人工化。利用網路信息實時監控相應操作，并實時檢修儀器設備。盡管有些國家的對于開發煤炭礦井排水系統并沒有花大量的精力，但是在總體上煤炭礦井技術還是大部分實現了自動化。

隨著煤炭行業的發展，中國也開始重視煤礦排水系統方面的發展，投入了較大的資金和精力在排水系統的研發中。人工方式的排水和自動化排水使用的都是離心機，但是人工排水只能以來與技術人員的個人經驗和及時發現，來啟動和停止水泵。人工操作的具體步驟是，技術人員發現水倉水位較高，及時將排水系統中的閘閥關閉，然后開啟射流泵，通過射流泵對管道進行真空處理，在同時觀察壓力表和氣壓表，符合一定的壓力后開啟水泵。在這個過程中要求技術人員及時處理、對突發情況要鎮靜處理，但是這樣對技術人員要求過高且更容易發生事故，自動化系統的引進不僅能夠解放人工，更能夠保障礦井的安全，節省時間。目前，中國在煤炭排水系統中取得了長足的進步，自動化程度在排水系統的操縱和優化排水以及管道修復和安置中得到了較大的提高，另外，在操縱給排水系統中運用了先進的算法和模糊控制，使得排水系統更加易于操控，并且提高了系統對工作的精度和反饋迅速程度。

2.自動化控制系統原理與組成

煤礦井下水泵控制系統不僅需要人工控制，更需要時時刻刻有自動監測等的功能。在整一個自動化控制系統內，最重要的是PLC控制器。它能夠對煤礦井下所有數據進行監控管理，并自動分析然后依據結果對水泵運行發布命令。該可編程邏輯控制器不僅僅能夠發出與控制臺相同的指令，也能對其他有關設備進行遠程網絡控制，并通過以太網把具體數據與狀況反饋到監控中心，與監控中心鏈接。

地面控制中心：設置在調控中心內部的地面控制中心是自動化排水系統的核心，它選擇工控機作為操控臺，不僅僅接收數據并對礦井下有關設備進行監控，而且負責向控制器中傳輸相關的數據和具體狀態。

通過以太網，地面控制中心能實現與其他網絡控制中心或監測分站實現控制與鏈接。在中國一些礦井中的以太網絡中心高效且快速，已到達千兆以上，完美適應了數字化礦山的開拓概念。

水倉監測監控系統：按照類型劃分，我國煤礦井排水水倉類型可以劃分為小型水倉和中轉水倉。小型水倉與中轉水倉連接，當小型水倉的積水達到閾值之后，小型水倉中的積水將會通過水泵排到中轉水倉之中，當中轉水倉的積水達到閾值之后，又將通過水泵把中轉水倉中的水抽向主水倉。

3.煤礦井下水泵控制系統結構

井下水泵控制系統結構包括的設備有：離心泵、射匱泵、閘閥、止回閥、管道和壓力表等，本部分將主要介紹上面所說的設備。

離心式水泵：我國礦井離心式水泵運用較為普遍，主要工作原理是水泵葉片在電動機的帶動之下高速旋轉，并將礦井下的水通過排水管排出來。開動電機之后由于葉片開始做高速旋轉運動，高速運動將井下液體離心帶出甭提，并在最后出水口導出。

閘閥：位于止回閥的下方，閘閥是排水的重要設備，閘閥的主要作用為：計算并監測、控制通過離心泵排出的水的有關數值；在開啟離心泵是，保證閘閥處于關閉狀態。閘閥的優點是，在安裝過程中無需判斷方向問題，也不存在安裝反向的問題，非常簡單盛世，還可以根據需要調節相關量度。但是，閘閥存在的缺點是，由于體積較大，閘閥內部存在的問題難以解決，需要的維修成本較高。

止回閥：止回閥的作用在于它能夠有效防止水泵被破壞。在水流下落過程中，通常會由于水流速度過快，對水泵和管道產生很大的沖擊力，這對水泵和管道有一定的壓力，若出現水泵在流水過程中突然停轉，止回閥能夠迅速感應到并關閉閘閥，防止管道中的水流形成高壓，對水泵造成二次破壞。

壓力表與真空表：壓力表顧名思義是監測排水管道中的水壓，并反饋到控制中心。安裝在水泵和吸水管上為真空表，監測排水系統的真空度。

射流泵和真空泵：排水系統進行排水時，應當把泵腔和吸水管中灌滿水才能開始離心，保證水流能夠正常啟動，其工作原理是利用管道、泵腔和外界的壓強差將水從井下抽出。若沒有灌滿水，則管道和泵腔都存在空氣，吸水管中水壓大，井下的水不會被壓入管道內部，水泵運行將會出現水流不足的現象，該過程產生的熱能不能被利用，直接影響了水泵的正常使用，并且縮短了水泵的壽命。射流泵的作用在于帶動水流流入吸水管和泵腔內部，利用射流泵帶動泵內的空氣流動形成虹吸。

4.自動化系統控制設計方案

4.1 系統控制設計方案

排水系統監控自動化系統：排水監控自動化系統的運行借助于以太網實現。半自動化控制、就地控制與全自動控制三種控制方式都運用到PLC控制系統。第一種半自動控制系統，是在系統運作的時候采取半自動調控和半自動觸屏對系統進行有效操控，第二種是就地控制，這種方法能夠對排水系統進行全面的保護，并有可能將排水系統的危險程度降到最低。第三種是全自動控制系統，這種方式全面以來PLC技術，對井下系統進行全面的保護和控制，不耗費人工，降低了礦井的人工成本。

中央泵房設計：中央泵房是井下控水系統的最核心部分，它的存在為井下排水系統提供了充足的動力，同時，中央泵房能否正常、安全地運行，關系到整個礦井的運行，是整個礦井工作的重大基礎。我國礦井多數選擇單臺水泵設計的中央泵房，選擇單臺水泵是避免在前期安裝的過程中，出現了多臺水泵不匹配、不協調的情況，運作起來將會出現非常多的疏忽，另外我國在中央泵房的附近也要求安裝壓力表等壓力測試設備以監測壓力大小，并根據壓力大小調整中央泵房的壓力。

4.2 系統功能設計

系統框架如上文設計完后，應當確定系統的各項功能，本文列出了其中不同的煤礦井下排水自動化系統的主要功能。

多種運行模式切換：由于水泵可能出現不同的狀況，所以要應對不同的狀況設計不同的運行模式，本系統設置了三種不同的運行模式，這三種運行模式不交叉，在出現狀況是能夠互相切換，幫助水泵調節不同的壓力。同時，為了系統的檢修，本方案將設置現場控制模式優先于自動控制模式。

可視化控制：從地面控制中心能夠實時監測中央泵房的各項情況，實現系統的遠程操控。

水泵啟停自動化模式：水泵啟停自動化有利于水泵在緊急情況下自行啟停。

系統保護模式：有利于出現緊急情況后對系統起保護作用。

排水系統自動運行模式：通過智能調度實現系統自行運作，提高系統運行效率，加快進程。

水泵自動輪換模式：通過系統對每個水泵的參數設定，決定水泵運作時間，平衡每個水泵運作時間，延長整個系統壽命，減少出錯。

數據自動采集模式：自動儲存數據，有利于對以后水泵參數的調節，也有利于研究收集數據。

4.3 排水系統自動化設計

井下排水系統自動化軟件設計：

軟件設計操作方式：由于煤礦是全自動化設計，故對軟件設計要求較高，需要萬無一失的設計。本文采用的設計方案是PLC系統，OLC設計應當符合井下排水系統的設計，并結合煤礦井下的情況，具體問題具體分析，要求在操作時候能夠根據具體情況作出不同的回應。應當注意的是，在設計該軟件系統時候，只有水泵處于停運的狀態，即水泵無法工作狀態，才能更換其他操作方式，若在水泵沒有停運的時候便更換其他操作方式，該系統應該及時提醒警示工作人員操作方式的變換，再進行下一步的操作，防止對水泵造成更大的傷害。

井下排水自動化系統硬件設計：

煤礦井下排水系統的硬件設計沒有軟件設計那么復雜，首先對PLC進行選型應用，應該根據井下情況對PLC類型進行選用。其次，要確保傳感器分配設計有效，傳感器對井下自動排水具有較大的影響，好的傳感器能提高排水系統的效率。

5.結語

煤礦企業應該根據具體情況選擇PLC技術和自動化控制理念，最大程度提高排水系統效率并保證煤礦生產的安全。