煤礦井下排水智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

煤炭工業(yè)合肥設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 王 瑄

一、前言

煤礦井下環(huán)境及地質(zhì)情況復(fù)雜，井下涌水是非常危險(xiǎn)的一項(xiàng)因素。如果發(fā)生透水除影響生產(chǎn)外，還可能造成淹井事故發(fā)生，對(duì)人員生命安全造成危險(xiǎn)。因此，井下的排水泵就非常重要，其可靠性、安全性影響著礦井生產(chǎn)的效率、安全。當(dāng)前，許多礦井水泵房排水自動(dòng)化水平不高，應(yīng)急能力差，存在很大的安全隱患，為避免事故發(fā)生采用半自動(dòng)化加傳統(tǒng)的人工操作方式管理。本系統(tǒng)針對(duì)目前礦井排水系統(tǒng)存在的問(wèn)題，利用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了排水系統(tǒng)自動(dòng)化及通訊水平的極大提高。具有較高的智能化自動(dòng)化控制水平、先進(jìn)完善的檢測(cè)手段和較高的安全性、可靠性。系統(tǒng)投入使用取得了減員增效的目的，已取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

二、項(xiàng)目概況

謝橋煤礦-610m井底車(chē)場(chǎng)設(shè)有中央水泵房，-720m水平井底車(chē)場(chǎng)設(shè)有輔助排水泵房，-720m井底車(chē)場(chǎng)排水進(jìn)入-610m井底車(chē)場(chǎng)水倉(cāng)，再由-610m排水系統(tǒng)經(jīng)副井排至工業(yè)場(chǎng)地礦井水處理站。

-610m水平中央主排水泵房設(shè)有5臺(tái)礦用耐磨泵，配套電機(jī)1400kW、6kV；2臺(tái)真空泵,配套電機(jī)：11kW、660V；泵房?jī)?nèi)設(shè)有1套液壓站及15臺(tái)液壓閘閥，在真空管路上配置電動(dòng)球閥9個(gè)。布置三趟主排水管路，設(shè)有主、副水倉(cāng)各1個(gè)。

-720m主排水泵房?jī)?nèi)設(shè)有3臺(tái)礦用耐磨泵，配套電機(jī)：160kW，660V；2臺(tái)真空泵，配套電機(jī)：11kW、660V；泵房?jī)?nèi)設(shè)有1套液壓站及6臺(tái)液壓閘閥，在真空管路上配置電動(dòng)球閥7個(gè)。布置兩趟主排水管路，設(shè)有主、副水倉(cāng)各1個(gè)。

-747m水平的泵房設(shè)有2臺(tái)潛水泵，配套電機(jī)：37kW、660V，設(shè)有兩趟排水管路，水倉(cāng)1個(gè)。

-610m、-720m兩泵房原有控制系統(tǒng)只可通過(guò)操作臺(tái)手動(dòng)操作實(shí)現(xiàn)各自水泵的開(kāi)停及對(duì)水泵運(yùn)行狀況、數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。控制系統(tǒng)存在系統(tǒng)老舊不穩(wěn)定、功能缺陷等問(wèn)題，另一方面該系統(tǒng)操作程序繁瑣，故障率高，且相關(guān)設(shè)備、備件都難以購(gòu)買(mǎi)；一旦出現(xiàn)故障無(wú)法進(jìn)行更換修復(fù)，系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行存在隱患。

本次設(shè)計(jì)對(duì)-610m及-720m水平水泵房電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行及遠(yuǎn)控功能。建設(shè)以無(wú)人值守為目標(biāo)的集中控制與監(jiān)視系統(tǒng)，提高自動(dòng)控制水平，并納入礦井自動(dòng)化控制系統(tǒng)，減少崗位人員，提高生產(chǎn)效率。

三、系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用分布式控制結(jié)構(gòu)，包括井下控制系統(tǒng)、地面控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及通信系統(tǒng)。井下與地面設(shè)交換機(jī)，通過(guò)光纖以太網(wǎng)方式通訊，并留有與礦井綜合自動(dòng)化系統(tǒng)通訊的接口。實(shí)現(xiàn)井下排水系統(tǒng)的全方位集中監(jiān)控、監(jiān)視和通信，具有較強(qiáng)的智能化自動(dòng)化水平。

首先在-720m泵房設(shè)置一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，由1套PLC控制主站、1套防爆計(jì)算機(jī)，1臺(tái)集中操作臺(tái)及5臺(tái)就地控制箱組成，分別對(duì)-720m泵房水泵及配套設(shè)備和-747m井底泵房潛水泵進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、顯示記錄、保護(hù)及報(bào)警。該系統(tǒng)可將所有監(jiān)測(cè)、控制信息通過(guò)通訊口上傳至-610m中央泵房，實(shí)現(xiàn)在-610m中央泵房進(jìn)行集中控制。

同時(shí)在-610m泵房也設(shè)置一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，由2套PLC控制主站、2套防爆計(jì)算機(jī)，2臺(tái)集中操作臺(tái)及7臺(tái)就地控制箱組成，可分別對(duì)-610m泵房水泵及配套設(shè)備、-720m和-747m泵房水泵及配套設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制、顯示記錄、保護(hù)及報(bào)警，并通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)接口與設(shè)在礦井生產(chǎn)調(diào)度指揮中心的操作站進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)在調(diào)度指揮中心對(duì)泵房的遠(yuǎn)控，即無(wú)人值守，達(dá)到管控一體化。

現(xiàn)場(chǎng)配置防爆網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，并裝設(shè)防爆網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)圖像監(jiān)控上傳功能。

四、主要設(shè)備和檢測(cè)傳感器

1、系統(tǒng)主站采用隔爆兼本安型可編程控制箱，內(nèi)置S7系列PLC，電源、輸入、輸出、模擬量采集、通訊等模塊，接受水泵就地控制箱內(nèi)部的PLC信號(hào)。

2、本安型操作臺(tái)做為集中控制系統(tǒng)的集控操作臺(tái)，其面板上面鑲嵌真彩觸摸屏，可以手動(dòng)或以自動(dòng)方式操控水泵及配套排水設(shè)備，可以直觀的了解水泵運(yùn)行情況及各個(gè)設(shè)備工作狀態(tài)、各類(lèi)儀表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄水泵運(yùn)行參數(shù)。

3、就地控制箱安裝在每臺(tái)水泵旁，作為單臺(tái)水泵就地檢修控制箱，箱體面板上布置有水泵啟動(dòng)、停止，電動(dòng)閘閥打開(kāi)、關(guān)閉、停止，電動(dòng)球閥打開(kāi)、關(guān)閉等操作按鈕和指示燈，方便檢修人員就地操作水泵及附屬設(shè)備。箱體面板上集成液晶顯示屏，內(nèi)部配置S7系列PLC，可采集與本臺(tái)泵相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀況、水泵壓力、溫度、水倉(cāng)水位等參數(shù)，發(fā)出控制指令，并與系統(tǒng)主站進(jìn)行通訊，將單臺(tái)泵的運(yùn)行信息上傳。

4、每臺(tái)水泵吸水管位置和出水管位置安裝礦用本安型壓力傳感器用于檢測(cè)水泵真空度和出水壓力。每臺(tái)水泵射流排真空部分安裝兩臺(tái)礦用隔爆型電動(dòng)球閥，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程射流排真空控制。每個(gè)水倉(cāng)安裝一臺(tái)超聲波水位傳感器，用于檢測(cè)水倉(cāng)水位。每條主管路安裝一臺(tái)礦用本安型超聲波流量傳感器，用于檢測(cè)主管路水流量。

五、系統(tǒng)功能

系統(tǒng)采集-610m、-720m及-747m泵房數(shù)據(jù)。在集控臺(tái)上既可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)水泵控制，又可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵智能優(yōu)化控制；可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水倉(cāng)水位、流量、壓力、真空度、電機(jī)繞組、電機(jī)及水泵軸承溫度等一系列參數(shù)及水泵、閘閥等設(shè)備工況；可手動(dòng)、自動(dòng)啟動(dòng)或停止水泵的運(yùn)行，開(kāi)、關(guān)閘閥；具有短路過(guò)載等各種保護(hù)。系統(tǒng)配帶光接口交換機(jī)及工業(yè)以態(tài)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議模塊，可與礦井綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，在礦井調(diào)度中心相應(yīng)工作站上對(duì)系統(tǒng)工藝及電氣參數(shù)、設(shè)備工況、各類(lèi)故障實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視。

系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)工藝流程畫(huà)面、設(shè)備工況、工藝及電氣參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)各參數(shù)及設(shè)備開(kāi)停工況的實(shí)時(shí)及歷史趨勢(shì)顯示。并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理、記錄、查詢(xún)等。

控制系統(tǒng)設(shè)置遠(yuǎn)程、集中、就地控制方式，每臺(tái)水泵設(shè)置工作、備用和檢修三種工作方式。

六、系統(tǒng)特點(diǎn)

1、組網(wǎng)功能

本系統(tǒng)PLC控制器提供TCP/IP 的RJ45接口可掛接在礦井的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)上，通過(guò)交換機(jī)與全礦綜合自動(dòng)化系統(tǒng)連接，并通過(guò)點(diǎn)表直接同上位機(jī)進(jìn)行通訊完成遠(yuǎn)程控制功能以實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守”。

2、口令保護(hù)

多級(jí)口令保護(hù)可以使用戶(hù)高度、有效地保護(hù)其技術(shù)機(jī)密，防止未經(jīng)允許的復(fù)制和修改，操作口令加密分級(jí)保護(hù)，不同的用戶(hù)有不同的權(quán)限。

3、無(wú)人值守減員增效

將本機(jī)工作方式轉(zhuǎn)為“地面控制”或“自動(dòng)控制”時(shí)，各水泵由地面主機(jī)或PLC根據(jù)自身程序以安全為第一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，最終達(dá)到無(wú)人值守。

4、削峰填谷降低成本

地面計(jì)算機(jī)根據(jù)每天礦井的用電負(fù)荷情況，確定用電高峰、低谷時(shí)間，并將參數(shù)傳給本機(jī)，使水泵運(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)的時(shí)間；根據(jù)避峰填谷時(shí)間、水位、水位變化率完成自動(dòng)化排水，并能輪換工作水泵。

5、曲線(xiàn)式水位自動(dòng)控制

水位監(jiān)測(cè)一直是礦井排水參數(shù)中最重要的參數(shù)之一，過(guò)去常用做法是將水倉(cāng)水位分為五檔：低水位、正常水位、高水位、上限水位、危險(xiǎn)水位，通過(guò)水位傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷水位所處檔位后執(zhí)行相應(yīng)的控制。本系統(tǒng)將固定檔位式水位控制更改為曲線(xiàn)式控制，使PLC控制智能化。

6、涌水量增大早預(yù)警

根據(jù)水倉(cāng)內(nèi)的水位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水倉(cāng)水位，以時(shí)間、容積、水位相結(jié)合的方式測(cè)算出單位時(shí)間的涌水量，達(dá)到突發(fā)事故早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早排水的目的。

7、用水量監(jiān)測(cè)

通過(guò)模擬量水位傳感器監(jiān)測(cè)單位時(shí)間內(nèi)的上漲速度，測(cè)算出礦井的涌水量并結(jié)合水位高度確定控制動(dòng)作，提前了解事故情況，為緊急事故提前預(yù)知提前進(jìn)入緊急排水狀態(tài)。

8、一鍵起停操作簡(jiǎn)單

井下操作臺(tái)、地面調(diào)度均能實(shí)現(xiàn)一鍵開(kāi)停，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備順序自動(dòng)啟動(dòng)監(jiān)測(cè)各設(shè)備數(shù)值最后達(dá)到自動(dòng)排水的效果，操作難度下降并減少誤操作發(fā)生的概率。

9、故障直觀易于維護(hù)

在現(xiàn)場(chǎng)屏上可漢字顯示各故障信息并報(bào)警，在地面控制站上可顯示現(xiàn)場(chǎng)單元當(dāng)前的報(bào)警信息以及保存的報(bào)警記錄。當(dāng)運(yùn)行的水泵出現(xiàn)軸承超溫、高壓開(kāi)關(guān)故障、流量不夠、正壓過(guò)低、電流不正常時(shí)自動(dòng)停止運(yùn)行，并能確切的顯示故障位置和類(lèi)型且有聲光報(bào)警。

10、故障直觀易于維護(hù)

在現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏上可顯示故障信息，同時(shí)報(bào)警。在地面控制站可顯示現(xiàn)場(chǎng)單元報(bào)警信息，同時(shí)將這些記錄保存。當(dāng)水泵出現(xiàn)了如下故障，如電機(jī)超溫、高壓開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障、正壓太低、電流不正常等等，均會(huì)停止運(yùn)行，同時(shí)顯示出故障的位置并且報(bào)警。

七、結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)遵循高起點(diǎn)、高技術(shù)、高質(zhì)量、高效率和高效益原則。

做到技術(shù)先進(jìn)，可靠性高，擴(kuò)展與升級(jí)容易，具有故障自診斷功能；并充分利用現(xiàn)有資源，在技術(shù)先進(jìn)的基礎(chǔ)上，做到經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)控制、自動(dòng)監(jiān)測(cè)水平。通過(guò)智能化監(jiān)測(cè)控制手段，達(dá)到了自動(dòng)控制，減員增效的目的；達(dá)到了對(duì)事故早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早排水，降低了事故發(fā)生率；根據(jù)礦井的用電負(fù)荷情況，確定用電高峰、低谷時(shí)間，通過(guò)削峰填谷使水泵運(yùn)行在最經(jīng)濟(jì)的時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，提高了排水系統(tǒng)的效率和可靠性，并可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

與其他未投入本系統(tǒng)工程相比，本系統(tǒng)的投入及運(yùn)行，減少了運(yùn)行維護(hù)人員，可以做到井下無(wú)人值守；自動(dòng)化方式運(yùn)行，提高了生產(chǎn)效率和可靠性，降低生產(chǎn)成本，長(zhǎng)期運(yùn)行更能顯示出其顯著的經(jīng)濟(jì)效益。