煤礦井下自動(dòng)排水裝置設(shè)計(jì)

田 峰

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，太原 030006）

0 引言

隨著我國(guó)煤礦開(kāi)采力度不斷加大，井下巷道涌水、積水問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重[1-2]。目前井下巷道排水仍存在積水點(diǎn)廣泛、距離遠(yuǎn)并且靠人工操作水泵的方式進(jìn)行啟停[3-5]，而傳統(tǒng)PLC控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)過(guò)于龐大且價(jià)格高并在數(shù)據(jù)處理與控制操作不方便，難以應(yīng)對(duì)煤礦積水廣泛的特點(diǎn)，這一狀況難以應(yīng)對(duì)煤礦的自動(dòng)化和現(xiàn)代化的高速發(fā)展需求[6-8]。本文設(shè)計(jì)一套以DSP數(shù)字處理器為核心的井下自動(dòng)排水裝置，通過(guò)對(duì)井下布置的各類(lèi)型傳感采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，DSP主控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理與識(shí)別控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)排水的自動(dòng)化過(guò)程。

1 井下自動(dòng)排水總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)排水系統(tǒng)工作原理與模式

利用液位傳感器檢測(cè)水位實(shí)時(shí)高度變化，當(dāng)水位高度達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，中央處理器根據(jù)控制策略控制輸出端口信號(hào)完成對(duì)射流泵的電動(dòng)球閥的線圈開(kāi)啟，使得水泵入口處的真空度提升，同時(shí)中央處理器會(huì)根據(jù)接收的真空度信號(hào)決定是否開(kāi)啟水泵。水泵的運(yùn)行過(guò)程主要是通過(guò)主控制器對(duì)各種傳感器的信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)，如水泵入口真空度值、出口壓力值、電機(jī)運(yùn)行電流電壓、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)信號(hào)，根據(jù)傳感器傳回的信號(hào)判斷運(yùn)行是否正常，假如根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判定水泵運(yùn)行異常則進(jìn)去停泵階段。水泵的停止階段則根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)將其分為兩種狀態(tài)。若水位在水泵的作用下降低，直至到達(dá)所需關(guān)閉水泵水平時(shí)，則在正常狀態(tài)下停止水泵，水泵閘閥會(huì)逐漸關(guān)閉；若在排水過(guò)程中水泵意外掉電，屬于非正常停止水泵過(guò)程，此時(shí)則虛在水泵減速的過(guò)程中迅速關(guān)閉閘閥，盡量避免發(fā)生做泵的危險(xiǎn)。

考慮到井下實(shí)際水泵運(yùn)行面臨的復(fù)雜情況，將自動(dòng)排水系統(tǒng)分為自動(dòng)控制、半自動(dòng)控制、手動(dòng)控制3種模式，井下工作人員可以通過(guò)設(shè)置完成水泵運(yùn)行方式的設(shè)定。自動(dòng)模式下，系統(tǒng)則完全依靠所安裝各類(lèi)傳感器對(duì)水位信號(hào)與水泵運(yùn)行狀態(tài)信息等信號(hào)的采集，通過(guò)采集的信號(hào)經(jīng)中央處理器的判別、計(jì)算與故障監(jiān)測(cè)的處理，實(shí)現(xiàn)排水工作的自動(dòng)化和遠(yuǎn)程操控功能；半自動(dòng)模式下，井下操作人員在通過(guò)人工對(duì)水位情況的判定下，手動(dòng)完成水泵的開(kāi)啟，在水泵開(kāi)啟運(yùn)行后，則由中央處理器控制的水泵單元完成水泵在運(yùn)行過(guò)程中的電動(dòng)閘閥、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制過(guò)程；手動(dòng)模式，該控制模式主要是應(yīng)對(duì)在檢修、手動(dòng)測(cè)試以及控制系統(tǒng)故障時(shí)應(yīng)急操作，此時(shí)，井下操作人員可以根據(jù)以往控制經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)操作任何一臺(tái)水泵，當(dāng)人工檢修完成并試驗(yàn)沒(méi)有故障時(shí)，該水泵便可以再次參與整個(gè)排水工作。

圖1 系統(tǒng)平臺(tái)架構(gòu)圖

1.2 主排水系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是對(duì)井下排水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化再設(shè)計(jì)與改造，整個(gè)系統(tǒng)分為井上的地面調(diào)度中心和井下水泵機(jī)房的自動(dòng)控制系統(tǒng)兩大部分組成。圖1所示為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的排水平臺(tái)構(gòu)架圖。

由圖1可以看出，整個(gè)系統(tǒng)井上地面調(diào)度中心主要由工業(yè)計(jì)算機(jī)、交換機(jī)等設(shè)備組成，各設(shè)備之間課通過(guò)本地局域網(wǎng)實(shí)施監(jiān)督查看井下水泵運(yùn)行狀態(tài)，并將運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示，方便井上操作人員的調(diào)度。井下水泵機(jī)房主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)編譯的主控器控制箱、井下水倉(cāng)、吸水管路、排水管路、射流泵、離心水泵、傳感器等設(shè)備，井下設(shè)備完成對(duì)排水系統(tǒng)的自動(dòng)化控制功能。

1.3 排水系統(tǒng)網(wǎng)管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)井下的實(shí)際調(diào)研與排水需求考察，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)排水系統(tǒng)井下配有4臺(tái)離心式水泵和2個(gè)總管路進(jìn)行排水，并且每個(gè)水泵都將與排水管路相連接以保證在工作時(shí)，水泵可以根據(jù)需求選擇其中任何一個(gè)管路進(jìn)行排水。這4臺(tái)離心式水泵均為10 kV高壓水泵，功率為800 kW，每臺(tái)的排水量為280 m3/h，其中2臺(tái)工作，2臺(tái)備用，2臺(tái)檢修。整個(gè)排水系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)中，分別設(shè)計(jì)有水泵機(jī)組、閘閥、止回閥、射流泵、正負(fù)壓傳感器等單元。水泵機(jī)組為整個(gè)排水系統(tǒng)的核心組成，由防爆電機(jī)和水泵組成，將水泵淹沒(méi)在水中，啟動(dòng)后可以將水倉(cāng)中的水抽排至網(wǎng)管中；閘閥作為安裝在排水網(wǎng)管的入口和出口的排水系統(tǒng)關(guān)鍵輔助器件，它控制射流泵的抽真空和水泵的排水功能；止回閥安裝在排水系統(tǒng)的出水閘閥上方，主要是防止水泵的突然停轉(zhuǎn)時(shí)能自動(dòng)關(guān)閉，從而使水泵不受水流的較大沖擊而損壞；射流泵安裝在水泵的最高處，主要作為離心式水泵的引水設(shè)備；正負(fù)壓傳感器安裝于入水口處，用于檢測(cè)射流泵在注水時(shí)的真空度，幫助主控器完成判別控制水泵電機(jī)的啟動(dòng)與排水功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)采用微機(jī)控制與計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)井下排水系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與采集，并將其數(shù)據(jù)傳輸至中央控制單元，圖2所示的系統(tǒng)主控硬件結(jié)構(gòu)圖，整個(gè)井下控制器主要由數(shù)字輸入模塊、模擬量輸入模塊、主控單元、通信單元、按鍵模塊、顯示模塊以及輸出單元構(gòu)成。主控制器在分析排水過(guò)程的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)、多臺(tái)水泵的自動(dòng)控制與切換、報(bào)警等功能；模擬量輸入模塊與數(shù)字量輸入模塊與各類(lèi)型傳感器相配合，不斷采集水倉(cāng)、電壓電流、水泵運(yùn)行狀態(tài)等變化情況，將其傳輸給主控單元進(jìn)行處理，信息采集的準(zhǔn)確性為整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵；本系統(tǒng)通過(guò)設(shè)計(jì)顯示電路與通信子系統(tǒng)完成地面監(jiān)測(cè)中心和井下操作人員實(shí)時(shí)對(duì)水位、水壓、排水流量、電機(jī)狀態(tài)等參數(shù)的顯示管理，同時(shí)通過(guò)井下以太網(wǎng)技術(shù)使得這些信息可以通過(guò)交換機(jī)連接井下與井上地面監(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)井上和井下的命令上傳下達(dá)的可靠性與及時(shí)性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)主控硬件結(jié)構(gòu)

2.2 主控器選型

本文設(shè)計(jì)的井下主控制箱中的控制器選用TI公司的DSP芯片TMS320VC5410，該控制芯片采用哈弗結(jié)構(gòu)具有先進(jìn)的集成電路技術(shù)，它的基本結(jié)構(gòu)分為CPU、存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)和專(zhuān)業(yè)硬件電路組成，還包括1個(gè)程序總線、3個(gè)數(shù)據(jù)總線和4個(gè)地址總線，并且具有良好的并行性。該控制器內(nèi)部集成有不同容量的儲(chǔ)存器以及眾多的串行接口，極大方便與外接設(shè)備的通信，同時(shí)內(nèi)部集成有完善的尋址方式和強(qiáng)大指令，它整體功耗低性能高，很適用于井下復(fù)雜工況環(huán)境。

2.3 穩(wěn)壓電路

為給控制系統(tǒng)提供一個(gè)安全穩(wěn)定的工作電壓，本系統(tǒng)采用NS公司的LM2576穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)，該開(kāi)關(guān)具有3 A的電流負(fù)載能力，輸出電壓可分為固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出且輸出電壓高達(dá)40 V。如圖3所示的為設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路圖，其中LM2576使用可調(diào)電壓模式，輸入引腳1端連接AC/DC電源模塊的24 V電壓端口；2號(hào)引腳為L(zhǎng)M2576的電壓輸出端；4號(hào)引腳是反饋端口，它與電阻R1、R2和Rp共同組成電壓反饋調(diào)節(jié)電路；5號(hào)引腳設(shè)為待機(jī)端，低電平時(shí)處于正常工作狀態(tài)，高電平時(shí)處于低功耗狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)需求本文設(shè)計(jì)的電阻R1=68 kΩ，R2=2.5 kΩ，電位器Rpmax=5 kΩ。在穩(wěn)壓器LM2576的輸入端外接1個(gè)續(xù)流二極管，且該二極管的導(dǎo)通電流需滿足是最大負(fù)載電流的1.5倍。

圖3 穩(wěn)壓電路示意圖

3 軟件程序設(shè)計(jì)

針對(duì)整個(gè)排水自動(dòng)給控制系統(tǒng)龐大，涉及啟動(dòng)模式、水位監(jiān)測(cè)、單臺(tái)水泵啟動(dòng)停、故障監(jiān)測(cè)和保護(hù)等多個(gè)軟件系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹單臺(tái)水泵自動(dòng)控制軟件流程設(shè)計(jì)。圖4所示的流程圖，在開(kāi)始階段開(kāi)啟射流管路和壓風(fēng)管路的電磁閥，有助于對(duì)泵進(jìn)行抽取真空，從而向離心泵中注水，因離心泵的吸水管和腔內(nèi)沒(méi)有住滿水其真空度不夠，便難以將誰(shuí)吸入泵內(nèi)，長(zhǎng)久以后易造成部件損壞。在注水階段若檢測(cè)到真空度不夠則進(jìn)行報(bào)警關(guān)閉閥門(mén)，若正常則水泵進(jìn)入排水階段。當(dāng)水泵在排水過(guò)程中水泵故障或水位降低至臨界，則控制器則關(guān)閉水泵電機(jī)使其進(jìn)行停機(jī)運(yùn)行。

圖4 單一水泵自動(dòng)控制流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)根據(jù)煤礦井下排水實(shí)際需求，設(shè)計(jì)一套井下自動(dòng)排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)水泵、水倉(cāng)水位等井下環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)完成對(duì)水泵的自動(dòng)啟停與運(yùn)行控制，并能將運(yùn)行控制情況實(shí)時(shí)傳輸給地面監(jiān)測(cè)中心，極大方便煤礦操作人員的操作。本文重點(diǎn)對(duì)自動(dòng)排水系統(tǒng)的核心控制器和單一水泵運(yùn)行軟件程序進(jìn)行說(shuō)明介紹，該系統(tǒng)在井下運(yùn)行穩(wěn)定，極大滿足了煤礦自動(dòng)化發(fā)展的要求。