KJ472排水監控系統在井下礦山的應用

吳已成，王先敏，賴武衛，唐強武，杜志國

（江西銅業集團有限公司 武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

某礦是一座井采礦山，在井下礦石的開采過程中，會聚集礦層涌水以及大量的地下水[1-3]。不同的深層以及季節的差異性，導致井下涌水量不斷的變化，多達17m3/s~20 m3/s及以上。當涌水量急劇的匯集增長時，會超出排水系統的上限范圍，儲水倉爆滿導致突水事故的發生，嚴重威脅武山銅礦的安全生產。

早期的井下排水系統采用簡單的PLC控制模塊對液位進行粗略的判斷，存在控制不變，信號反饋不及時等問題，需要操作人員24小時在井下實時盯梢液位的情況。某礦所管轄南-210的KJ472排水監控系統采用S7-1200型號西門子作為核心設備，選取溫度、壓力、水位高度傳感器分布在井下相應位置，對排水系統的參數進行實時的監控。將從傳感器中獲取到的數據通過模擬量傳輸給PLC，然后PLC控制系統根據先前調節好的閾值對現場的水位進行實時采樣監測與控制。

排水系統運轉時，先通過探測液位的傳感器測出水域的高度及水位變化的速度，得到的模擬量數據傳輸給PLC[4-6]。系統將得到的水位高度和變化速度數據與事先設定好的閾值進行對比，以此確定是否啟動水泵進行作業。設置不同的擋位，根據擋位的不同來確定開啟水泵的臺數。當水域的液位高度或者液位下降的速度滿足低于閾值時，排水系統會逐漸的減少作業水泵的臺數及水泵的運行功率。按需進行排水調控，既能保障排水的安全，又能節約能源，大大提高了排水系統的穩定性和經濟性。

1 KJ472排水監控系統的工作原理

1.1 運行主界面及控制面板

在圖1畫面中會動態反饋每臺水泵的出水壓力、真空壓力、電機電流、管路流量、電機溫度、水泵溫度、水泵振動、泵組效率、運行時間以及主排水泵的運行狀態，水倉的液位情況等。操作人員可以根據該主界面實時的觀測排水系統是否正常運作，如有數據發生異常，可及時做出處理，保障排水的工作效率。

圖1 運行主界面

在圖2所示畫面中，操作人員通過點擊“一鍵啟動”按鈕，可將處于“投入”狀態的主排水泵起動、排水閘閥打開；當水泵啟動完成后，可根據水域液位高度情況按“一鍵停止”按鈕，一鍵關閥，停泵。不需要人工手動運行，達到了精準啟動與停泵的水平。該排水監測系統同時具有故障監測和應急處理功能，當所反饋的數據超出所設置的閾值時，判斷運行異常，控制系統迅速下達停機指令。為了避免機組突然停止運行導致系統內出現“水錘”沖擊現象，系統在控制停機時首先逐步降低排水泵的運行轉速，實現柔性停機，確保排水泵的運行安全。

圖2 水泵控制面板

1.2 參數設置

在圖3所示的參數設置畫面中，可以對水泵運行模式，液位檢測信號來源，避峰填谷功能，真空泵投切、高壓補水閥與水箱補水閥的手動/自動模式進行相應的切換操作。

圖3 參數設置

其中高壓補水閥處于自動模式時，當1-6#泵組任一臺泵處于引水步時，且高壓水壓力所設定的低壓下限值17bar，系統會自動打開高壓補水閥補水，當高壓水壓力高于所設定的高壓值23bar，系統會自動關閉高壓補水閥。

水箱補水閥處于自動模式時，浮球開關處于高位，會自動關閉補水閥；當浮球處于低位，會自動打開補水閥。

真空泵1與真空泵2必須有1臺處于投入狀態，系統默認2#真空泵處于投入狀態，若需將2#真空泵切除，需先將1#真空泵切至投入狀態，真空泵2方能切除成功。不論投切狀態，當一臺真空泵跳閘時，系統自動將備用真空泵投入。

如圖4所示畫面，可對系統運行的各泵組參數進行設置。其中真空補償壓力是自動根據所設定的真空壓力與水倉水位進行補償計算后所需要達到的數據。參數的設定根據現場情況可適當調整。

圖4 參數設定

1.3 全自動控制原則

（1）常規控制：此控制模式下，當液位超過“單泵液位”時，起動1臺水泵；當液位超過“雙泵液位”時,起動2臺水泵；當液位超過“極限液位”時，起動3臺水泵；當液位低于單泵液位時，只運行1臺水泵，當液位低于“停泵液位”時，會停止所有水泵。可通過設備液位參數進行模擬的方式試車。水泵啟動時，啟動近段時間內運行時間最短的水泵，停止近段時間內運行時間最長的水泵，運行時間在每個月的1號、11號、21號1點1分重新歸零。

（2）超限控制（液位超過“超限液位”）：起動能夠啟動的3臺水泵，當3臺啟動后，液位還在上漲，將再次啟動1臺。

1.4 參數曲線

如上圖5，可對排水流量、電機電流、電機定子溫度、排水壓力、真空壓力、電機前軸溫度、電機后軸溫度、泵組振動、水倉水位等參數進行歷史數據曲線查詢，歷史曲線可分泵組進行快捷查詢。

圖5 參數曲線

2 操作步驟及注意事項

2.1 一鍵啟停操作步驟

（1）將泵房現場電控柜面板上“就地/遠程”旋至“遠程”操作狀態，并在觸摸顯示屏上畫面確認相關柜體狀態。

（2）在“參數設置”頁面上確認“引水方式”為射流泵或真空泵，并確認所需要啟動的泵組處于投入狀態。

（3）點擊所需啟動的泵組，會彈出操作面板，點擊“一鍵啟動”系統會自動引水，自動啟動水泵，自動打開排水閘閥；點擊“一鍵停止”系統會自動關閉排水閘閥，自動停止水泵。

2.2 啟停過程中注意事項

（1）水泵抽真空過程：水泵抽真空時，真空泵或射流泵運行后，此時相應泵組的真空壓力會下降，下降至“真空初償壓力”數值并延時“真空延時時間”時間后，會自動啟動水泵。若真空泵組運行后，真空壓力數據沒有發生變化，可能是閥門故障，或有漏氣情況發生，系統會發出“引水失敗”的故障報警，需再次啟泵之前進行泵組檢修，排查泵組漏氣原因。

（2）水泵啟動過程中，觀察泵組的排水壓力與排水流量，泵組的排水壓力需大于“開閥出水壓力”才會自動打開排水閥門，若泵組在啟動過程中，排水壓力小于所設定的排水壓力下限，可能是泵組沒有上水，系統會自動停止泵組，需重新啟動泵組抽真空，若多次出現此情況，需對該泵組進行檢修或適當修改“真空設定壓力”數值并加大“真空延時時間”參數值。

2.3 系統聯鎖保護

系統運行過程中共有以下幾種情況會聯鎖保護停機：①電機定子溫度＞95℃ 、前軸、后軸溫度＞75℃。②水泵前軸、后軸溫度＞55℃ 。③真空壓力＞（0.85+液位補償值）。④電機電流＞50A。⑤電機電流＜30A。⑥水泵流量＜100m3/h。⑦排水壓力＜23bar。⑧排水壓力＞27bar。⑨水倉水位＜1.7m。⑩啟動柜故障。排水閘閥故障。運行信號丟失。

以上信號會引起水泵聯鎖故障停機，在試車過程中可通過調整保護參數設置的方式進行故障測試。

2.4 系統啟停泵保護

系統啟停泵過程中共有以下幾種情況會啟泵失敗：真空泵或射流泵運行后4分鐘內，真空還沒有達到“真空補償壓力”，系統會發出“抽真空失敗”報警。水泵啟動運行后50S內，沒有接收到電機所反饋的運行信號或排水壓力沒有達到“允許開閥壓力”，系統會發出“啟泵失敗”報警。在開閥或關閥命令發出后125S內，沒有接收到閥門相應的全開或全關信號，系統會發出“開閥失敗”或“關閥失敗”報警。在停泵命令發出后20S內，或還接收到電機所反饋的運行信號，系統會發出“停泵失敗”報警。

3 結語

介紹了KJ472排水監控系統在某礦井下-210的應用和使用注意事項：①該排水監測系統能夠通過井下水域的液位變化情況，自動調整水泵開啟的臺數。且能柔性停機，緩慢的降低水泵的功率，保護其使用壽命。②該排水系統能在保證安全生產的前提下，靈活的控制排水作業，降低了排水的成本費用，具有經濟性。③采用的液位傳感器，可靠性高、穩定性好，可實時監測水位變化情況。④該排水系統投入使用后，排水的耗電量及液位報警次數大大減少，未出現因排水不及時而導致的緊急撤離現象，確保了采礦、掘進作業的順利進行。