智能化、自動化控制技術在煤礦井下主排水系統中的應用

曹帥 湯家府 劉正軍

摘要：煤礦井下主排水系統結構較復雜，利用計算機網絡技術、數據庫、現場總線分布技術實現對井下基礎設施的自動化改造，使其在無人監管的情況下實現系統自動化操作和獨立偵察功能，同時選用工業控制計算機、自動操縱水泵、電磁閘閥、傳感器等設備，確保系統的穩定運行。本文針對現階段煤礦井下主排水系統常用排水泵的性能特征及其測控技術，分析以可編程邏輯控制器（PLC）為核心，能應用在煤礦井下的一種智能化自動化排水控制系統的工作原理和結構組成相關內容，以此提升煤礦井下主排水系統在遠程監控、網絡化控制、自動化、智能化方面的綜合管控水平，增強系統的可靠性和安全性。

關鍵詞：控制技術；煤礦；主排水系統

DOI：10.12433/zgkjtz.20231935

目前，我國多數大中型煤礦企業的井下主排水系統依然采取人工手動控制模式，系統的操作流程趨于模式化，容易出現管理漏洞，此環節信息傳遞速度明顯降低，導致礦山整體數字化、自動化管理目標未能落實。通過大量查閱相關案例文獻資料，結合現場調研所得基礎信息，與煤礦井下主排水系統智能化自動化發展的行業趨勢，基于煤礦企業井下主排水系統的自動化控制管理發展現狀，綜合考慮實際功能指標需求，研究設計出一套可行性較強的系統總方案，構建起以PLC為核心，同時結合視頻通訊、傳感器技術、網絡監控技術、語音報警、自動啟停水泵和切換故障機組等多項功能為一體的智能化、自動化主排水控制系統，包含地面信息監控中心、井下監控分站兩個據點，實現對主排水系統運營的全方位、全過程監控。

一、遠程集中控制系統的相關技術要求

（一）保護功能技術要求

遠程集中控制系統對煤礦井下主排水系統具備的保護功能包括水位突變報警功能保護、水位超限功能保護、傳感器故障功能保護、溫度異常報警功能保護、排水量異常報警功能保護，當系統在運營狀態中，功能保護參數一旦超過設定值最高范圍，就會自動觸發系統的水泵停止功能，系統自動發出語音報警，傳達至井下監控分站點和地面信息監控中心，由技術工作人員進一步了解報警裝置的詳細功能環節，以便采取針對性措施解決問題，保障系統的穩定運行，讓井下作業生產操作具備充足的安全性。

（二）數據采集、檢測功能技術要求

利用PLC和多項智能化信息技術搭建而成的井下遠程集中控制系統具備遠程采集數據信息，完成設備功能檢測的功能，因為煤礦井下主排水系統結構組成較復雜，電機使用時的溫度、水泵吸水狀態下的真空度、泵體運行溫度、水位水倉指標、電動閘閥運行時的開合及其工作狀態，需要技術人員詳細記錄參數，確保遠程集中監控系統各項數值參數的真實性，促使設計出更加切實可行的遠程集中監控軟件。此外，為滿足煤礦企業對井下主排水系統遠程集中控制技術的實際應用需求，需要技術人員在設計智能化、自動化主排水系統方案之初，綜合考慮數據采集、功能檢測方面內容的合理性，對系統電機運行狀態的影響性，保證水泵電機的可靠性，一旦發現水泵電機出現高壓啟動柜故障或分閘現象，必須記錄在案，并分析問題產生的具體原因，及時采取解決措施，完善系統方案。

（三）控制功能技術要求

煤礦井下主排水系統遠程集中控制系統的主要控制功能包括自動控制、自動檢修控制、半自動控制、手動控制四項。該系統在日常運行過程中，經常處于智能化自動管控模式，所以上述四項均為系統的正常操作狀態，多方兼顧才能確保系統在特殊情況、實際情況狀態下，都能實現對井下主排水系統的高效控制和故障處理。其中的自動檢修控制模塊具備自主診斷系統各項故障的功能，可以第一時間判斷故障發生時電機進出口的壓力值及電流量參數，分析故障的具體產生原因，進行語音報警提示，確保地面信息監控中心可以獲得主排水系統運營相關參數及故障成因，提高技術人員處理系統故障的實效性。利用以太網搭建的內部自動化綜合網絡技術平臺，可進一步修復和完善遠程集中控制系統和遠程通訊設備，借助視頻監控模式，將井下主排水系統的現場運行情況實時傳遞給技術人員，全程監控水位上漲速度，在滿足井下排水作業要求的基礎上，監測水泵的平均備用時間，進而實現井下安全生產。

二、煤礦井下智能化、自動化主排水系統的工作原理及結構組成

（一）工作原理

第一，利用水位傳感器可以實時監測水倉內部的水位情況，如果水倉水位值達到系統設計的峰值，水位傳感器就會搜集此狀態下的數據值，將參數信息第一時間上傳到PLC控制柜裝置上。

第二，由PLC控制柜及時分析和處理接收到的水倉水位信息數據，將結果傳送至監控主水泵（1號機位）PLC控制器內，直接利用PLC控制器的遠程監控作用，操作打開主水泵完成排水處理。

第三，直到水倉水位排放至系統設計峰值范圍內，水位傳感器就會再次啟動水位數據信息傳送功能，將此狀態下的水位信息參數傳送至PLC控制柜，經信息數據分析處理上傳至監控主水泵的PLC控制器內，再利用PLC控制器的遠程監控作用，完成切斷主水泵電源的操作，實現遠程控制水泵停止排水的功能。

第四，煤礦企業井下智能化、自動化主排水系統在實際運行過程中，如果出現主水泵故障，需要及時監控主水泵的PLC控制器以及故障信號，第一時間傳送給監控副水泵（2號機位）的PLC控制器內，以此確保PLC控制器接收信號的有效性和及時性，讓系統啟動應急預案，打開副水泵完成排水及后續相關工作。

第五，遠程集中控制系統調動水泵PLC控制器完成水倉水位數據信息分析處理工作后，要及時將產生的數據信息結果傳輸給井下交換機，利用工業以太網技術將其上傳至井口光端子機，最后借助工業局域網將結果傳送至地面控制中心操控室的主機系統中，經由主機系統內設置的STEP7邏輯編程軟件，直觀顯示井下的水倉水位真實情況、水泵運行工作狀態、設備故障點及處理方案等，以便技術人員參考這些數據信息，及時控制系統各項參數，確保井下主排水系統的穩定運行。

（二）結構組成

礦區采用的智能化、自動化主排水系統由PLC控制柜、局域網、連鎖開關、井下交換機、溫度傳感器、地面監控中心、遠程操控臺、水泵系統登錄、超聲波流量計、超聲波液位計、視頻監控裝置以及光纖電纜等結構共同組成，其中的井下交換機和井上光端子機通過工業局域網完成各項數據消息的傳輸，相較于傳統井下主排水系統的布線方式，無線數據在信息傳播速度、布線工序、線路損壞等方面更具優勢，可直接攻克煤礦企業以往在井下主排水系統控制方面存在的線路損壞、布線復雜、信息數據傳輸過慢等技術難題，提升井下主排水系統相關裝置運行參數的動態監測水平。地面監控中心包括打印機、顯示器、上位機等裝備，上位機內部安裝了可以與S7－300相匹配的STEP7邏輯編程控制軟件，呈現井下的實際水位情況、排水系統的真實運行狀態、系統的故障情況等，便于指揮中心操控人員借助顯示界面遠程監督井下主排水系統。

PLC控制柜一共連接三臺設備，其中一臺主需要連接溫度傳感器，用來搜集水位水倉數據信息，完成調度工作，兩位兩臺連接主泵和副泵，用來控制井下水泵的啟動、停止操作動作，需要注意的是，所有與PLC控制柜相連接的設備必須同步連接好井下交換機，以此實現對井下主排水系統智能化、自動化運營數據的實時傳輸。

三、煤礦井下智能化、自動化主排水系統軟件的功能應用

（一）設計總方案

智能化、自動化煤礦井下主排水系統在規劃設計總方案時，要綜合考慮自動化控制體系、排水體系、中央泵房設計三項重點內容，由PLC控制柜和遠程集中控制系統，控制井下自動排水體系，中央泵房設計控制為整個系統的CPU重點模塊，系統整體屬于全自動控制管理狀態，無需工作人員值守，因此，還要加強半自動系統控制模式下的井下排水實時監控操作功能，確保此運行狀態下不會耽誤系統的數據傳輸速度與準確性，真正實現對井下智能化、自動化排水的動態實時監控，提升井下排水作業的效率。

此外，設計總方案還包括硬件設計和軟件設計兩個部分：

第一，硬件設計。主要包括PLC選型和應用，由于PLC控制器存在較大的邏輯編程空間，需要技術人員根據智能化、自動化煤礦井下主排水系統的真實排水量，選擇較佳硬件裝置完成系統的科學配置，確保系統全部設備的遠程集中控制系統的穩定運營，保障系統的安全性和可靠性，實現井下水泵使用情況、水倉水位情況相關信息的實時傳遞。

第二，軟件設計。包括水泵啟動、停止設計、操作方式設計、水泵數量設計等，操作方式設計必須滿足井下智能化、自動化系統的運行狀態，還要具備多種操作模式自由切換的功能。井下排水量存在較大的變動性，因此在設計水泵數量時，要結合礦井實際需求排水量，科學設置水泵數量及啟動和停止參數。

（二）功能應用

煤礦井下智能化、自動化主排水系統軟件必須具備的關鍵功能包括：

第一，可視化控制功能。確保地面監控中心操控室的操控工作人員可以直觀通過系統界面相關參數的調動、修改，對井下主排水系統實施高效的遠程集中監控手段，實現井下排水作業無人值守、自主操控的目標。

第二，多運行模式自由切換功能。系統設計時，必須滿足現場控制＞遠程控制、手動控制＞自動控制的雙效系統運行管理控制模式。在日常系統正常運行情況下，四項控制模式之間相互獨立、互不影響，以自動化控制、遠程智能化控制為主；但在運行過程中，一旦發生不可抗力因素的影響，系統突發故障，要以手動控制、現場控制為主。不管采取何種控制方式，以確保主排水系統穩定運行為準則，最大程度上保證井下生產作業的安全性為基本原則。

第三，系統保護功能。該系統具備絕對的自動性和智能性，具有技術成熟的設備故障自檢功能，以便設備在運行過程中出現故障時，及時利用PLC控制器上傳故障源、故障點等內容，便于控制中心操作人員及時檢查和修復系統，確保系統的穩定運行。

第四，水泵啟動、停止自動控制功能。利用傳感器完成對井下水倉水位的實時數據搜集工作，根據系統設計峰值，自動控制井下水泵的啟動排水、停止切斷電源等，既能降低工作人員的勞動強度，又能避免以往人工無數據參考頻繁啟動、停止水泵而造成的系統多發故障，攻克井下排水效率較差的技術難題。

第五，數據的自動采集和顯示功能。借助系統動態監測功能，可以提升井下主排水系統運行數據采集的真實性與準確性，系統分析各項數據的潛在信號，確保地面控制中心操控室接收的信息參數準確顯示在上機位中。

第六，水泵自動輪換使用功能。監控系統全程監管各項設備的運行狀態及使用壽命，以便系統合理安排主、副水泵，確保每個水泵不會長期處于閑置無用狀態和持續運行狀態，以此增加每個水泵的使用壽命，提升排水系統的運行可靠性。

（三）應用實效

經調研，某礦于2020年3月中旬安裝并應用智能排水控制系統，對井下主排水進行自動化遠程集中控制，截至同年10月中旬的應用實效看，采用此系統后，取消了該煤礦井下排水泵房司機，運行過程中未出現任何系統故障，既節省了人力投入資源，又實現了高效的井下自動排水控制目的，應用效果顯著。

四、結語

綜上所述，煤礦井下主排水系統作為煤礦企業基礎設施裝置的一種，運行穩定性直接決定著生產作業的可靠性和安全性，但現階段多數煤礦企業仍采取人工控制方式實現對水泵的啟、停控制，未應用自動化智能化控制手段遠程監控水泵，沒有搜集水泵的實時監測數據和運營狀態的遠程管理。基于此，煤礦企業要保證開采作業效率的基礎上，確保排水穩定性，必須加大對主排水系統的集中統一控制力度，積極改造自動化智能化控制裝備，盡早實現對主排水系統的無人值守和全過程監控。煤礦企業通過優化設計主排水系統智能化、自動化應用水平的方式，可以實現企業對供排水系統的實時監測，既能解放操作人員的雙手，減少工作量，提升排放效率，又能增強泵房運營的穩定性和安全性，縮減泵房和主排水系統的設備維護成本，延長設備的使用壽命。

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作者簡介：曹帥（1995），男，山東省鄒城市人，本科，助理工程師，技術員，從事煤礦機電技術工作，主要研究方向為礦井主提升、主通風、主排水系統。