礦井主要水泵房水泵運行智能控制系統研究

賈藝棟

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司雙柳煤礦， 山西 柳林 033300）

引言

現階段礦井排水系統受到設備自動化程度較低限制，存在故障率高、無法聯機運行以及控制系統落后等問題[1-2]。為此，眾多的研究學者對礦井水泵運行控制展開研究，其中史麗萍等對礦井水泵智能控制系統展開研究，通過引起模糊控制，提高了井下水泵運行可靠性以及應急能力；寇彥飛等基于傳感器、微處理技術等設計一種排水控制系統，該系統綜合水位變化、水倉容積、電力載荷等對水泵自動運行井下控制，在滿足井下排水需要可降低電力消耗，實現了水泵經濟高效運行[3-4]。

文中就以山西某礦中央水泵房安裝的離心泵為研究對象，提出一種智能控制系統，以便提高礦井排水智能化水平。

1 礦井排水系統分析

礦井井下排水量由煤炭開采強度、采掘范圍以及采掘深度等因素有關，現階段礦井排水方式多使用多水平逐級排水、多水平集中排水、多水平獨立排水方式。山西某礦設計生產能力為300 萬t/年，礦井開采區域內水文地質條件簡單，井下排水采用多水平獨立排水方式，即每個生產水平均布置有水泵房負責將本水平內積水排出至地面。井下各采區內涌水匯聚至各采區中央水泵房，并通過離心泵將水倉內積水排出至地表。礦井使用的離心泵結構主要組成包括有控制閥門、泵軸、葉輪以及泵殼等。

2 水泵智能控制系統設計

中央水泵房水泵智能控制系統結構包括有遠程視頻監控系統、現場操控平臺、監控上位機、水泵運行控制單元等構成，具體智能監控系統結構見圖1所示。

圖1 智能監控系統結構

1）視頻監控單元。智能監控系統中視頻監控單元硬件結構包括有防爆攝像機、光端機等，通過攝像頭可實時監測水泵房內設備運行情況。

2）現場操控平臺。現場操控平臺結構有指示燈、觸摸屏以及物理按鈕等構成。物理按鈕主要用以現場控制，指示燈用以指示各個設備運行狀態；觸摸屏顯示水泵房內各設備運行參數。

3）控制單元。水泵智能控制系統核心組件為PLC 空盒子器，具體有兩個控制策略：實現多水平控制策略動態規劃；運行控制策略基于“避峰調谷”實現。經過PLC 控制器中內置邏輯運算算法即可實現PLC 運行控制，從而實現水泵運行的只能控制。

4）上位機監控。上位機監控組成單元包括有監控顯示屏、關端機，運行程序采用iFix 組態軟件編寫。

3 智能排水系統功能及排水單元設計

3.1 系統功能

礦井智能排水系統主要功能單元包括有智能控制、水泵自動換輪、多水平協同控制、多樣控制等，具體系統功能見圖2 所示。

圖2 智能排水系統功能圖

1）故障報警，當傳感器監測到異常數據或者PLC 設備運行存在異常時，智能控制系統內置的報警指示燈以及電鈴等會發出聲光報警信號，從而提醒值守人員及時處理。

2）視頻監控，在井下主要水泵房中均安裝有高清防爆攝像頭，將水泵房內水泵運行、水位等畫面經過井下工業以太網環網實時傳輸給地面上位機。

3）數據采集及顯示，在礦井主要水泵房內安裝有各類的傳感器，傳感器監測數據實時傳輸給PLC控制器進行數據分析。

4）水泵自動換輪。根據傳感器監測獲取到的水泵使用數據，智能控制系統會自動對水泵運行進行調整，確保水泵房中兩個水泵使用壽命、使用時間等均可合理安排。

3.2 排水單元

水泵房中排水單元硬件結構主要包括有檢測儀表、排水管道、驅動電機、離心泵、閥門等，具體排水單元結構組成見圖3 所示。

圖3 排水單元結構組成

1）閥門主要有出水閥門以及逆止閥門等構成，離心水泵的排水量以及揚程主要通過調整出水閥門的開合角度實現；逆止閥安裝在出水閥上側，主要功能是防止水流逆流，當離心泵電機、水泵葉輪或者水閘閥等設備出現故障時，逆止閥會自動啟動，從而避免逆流情況發生。

2）檢測儀表主要由壓力表、真空表等組成，其中壓力表布置在出水口側，主要用以監測出水口壓力，當監測到出水口壓力滿足要求時出水閥可開啟；真空表布置在泵體吸水管上用以監測泵體真空度，當泵體內真空度達到要求時基泵可正常啟動。

3）射流體系是通過吸力將真空泵內空氣排出，確保泵體處于真空狀態，在大氣壓力作用下把水引入到泵體內。

具體控制流程為：首先PLC 控制器向離心泵發出啟動指令，相關設備進入到泵啟動狀態；當壓力傳感器監測到壓力值達到設計值時，關閉真空閥以及射流閥，隨后開啟水閥排水；在排水過程中當檢測到水倉水位達到停泵條件時，PLC 控制器發出停泵指令，離心泵停機運行。

4 結語

設計的水泵智能控制系統可根據布置的傳感器監測結果自動調整水泵運行，不僅可滿足井下排水需要，而且可實現水泵房內水泵自動切換，避免單一水泵長時間、高負載運行出現故障。