關于煤礦井下排水控制系統(tǒng)的設計研究

甄紅強

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦， 山西 方山 033100）

1 現(xiàn)有排水控制系統(tǒng)的研究狀況及存在問題

隨著國家研發(fā)能力的逐漸增強，為進一步解決礦井中排水問題，國家相關學者及研究機構也加大了對礦井排水系統(tǒng)的相關設計及優(yōu)化升級設計，主要包括：排水泵的更換、排水系統(tǒng)控制的改進、排水巷道的合理布局、其他排水設備的改造等[1-3]，并將當下更加先進的控制技術應用到排水系統(tǒng)中，如：神經(jīng)網(wǎng)絡技術、模糊算法等，通過這次硬件的優(yōu)化與軟件算法的改進，達到礦井排水系統(tǒng)的最優(yōu)控制的目的。但礦井排水控制系統(tǒng)在實際應用中仍存在理論與實際無法有效匹配的應用問題，以木瓜煤礦中的排水系統(tǒng)存在問題為例進行分析，主要體現(xiàn)在如下幾個方面[4]：

1）排水系統(tǒng)中的設備無法最大效率、最大功率地運轉，部分設備處于靜置或閑置狀態(tài)，未實現(xiàn)設備的充分利用；

2）排水系統(tǒng)中的排水設備，如排水泵、閥等，大部分仍采用手動方式進行控制，暫未實現(xiàn)設備的遠程及自動化控制，即使部分設備實現(xiàn)了自動化控制，但在使用中仍存在系統(tǒng)運行不穩(wěn)定、信號響應速度慢、信息易誤報等問題；

3）現(xiàn)有的排水控制系統(tǒng)對信號的采集種類相對較少，顯示界面的功能也相當單一，控制中心的運行速度相對緩慢，部分信號仍需采用現(xiàn)場收集儀表信息，再輸入至上機位控制軟件中進行信息分析處理，造成了整個排水控制系統(tǒng)的自動化、遠程化控制功能未得到有效實現(xiàn)。

2 排水系統(tǒng)結構的組成分析

結合木瓜煤礦中排水系統(tǒng)的結構組成特點，首先對其結構組成進行分析。該排水系統(tǒng)主要包括吸水井、排水泵、止回閥、閘閥、排水管路等硬件設備，而此些設備則主要通過排水控制系統(tǒng)來進行運行控制[5]。其中，止回閥安裝在排水管道上，可防止排出的水出現(xiàn)倒流現(xiàn)象，而排水泵、閘閥則采用了電動和手動方式進行控制；同時，在該系統(tǒng)中還包括了2個電動閥行程開關、2個轉矩開關等，可實現(xiàn)對排水過程中相關行程及轉矩的控制；在吸水井處設置的超聲波液位儀，可對井下水平情況進行檢測[6]。另外，也設計了各類傳感器、檢測設備等。由此，通過各種設備的相互連接及相關信號的通訊傳輸，形成了整套礦井排水系統(tǒng)。

3 排水控制系統(tǒng)總體方案的設計

井下排水控制系統(tǒng)是整個排水系統(tǒng)中的重要組成部分，也是影響整套排水系統(tǒng)是否正常運行的關鍵系統(tǒng)，其系統(tǒng)性能的好壞直接關系到井下水量的排出效果及井下作業(yè)安全。因此，以現(xiàn)有礦井中排水控制系統(tǒng)為設計基礎，對其進行了改進設計。新型排水控制系統(tǒng)采用了PLC控制器進行控制，配備了遠程控制模塊、各類液位儀、觸摸屏、行程開關、溫度傳感器、壓力傳感器等，通過PLC控制器中的數(shù)字量輸入模塊，可將水泵電機的開關信號、液位開關信號、真空泵球閥到位信號等進行匯總輸入，通過PLC中的模擬量輸入模塊，可將井下溫度傳感器、出口壓力傳感器、液位傳感器等設備采集的相關信號進行收集，通過在PLC控制器中的匯總、分析、處理后，將相關控制命令信號通過數(shù)字量輸出模塊輸送至聲光報警設備、水泵控制開關、水泵電機控制開關等設備上，實現(xiàn)對井下水量的檢測及實時控制，其中，整套系統(tǒng)采用了RS485通訊方式進行信號傳輸，大大保證了整套系統(tǒng)中信號的傳輸速度及信號質量。由此，通過檢測水泵及電機相關參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的報警及自動保護功能，根據(jù)水泵的吸水情況，實現(xiàn)水泵啟停及運行臺數(shù)的自動控制。改進后的礦井排水控制系統(tǒng)結構框架圖如下頁圖1所示。

圖1 礦井排水控制系統(tǒng)結構框架圖

4 排水控制系統(tǒng)主要分系統(tǒng)的設計

4.1 PLC控制器的匹配設計

PLC控制器是整個排水系統(tǒng)的控制核心，故結合排水系統(tǒng)的工作特點，選用了歐姆龍公司生產(chǎn)的CJ1系列PLC控制器，其結構包括模擬量輸入/輸出模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、開關量輸入/輸出模塊、通訊模塊、CPU模塊。其中，模擬量輸入模塊采用了24 V電源設計，可直接通過CPU中的電壓進行供電，且在其模塊上設置了多個輸入點，主要用于接收排水系統(tǒng)中的液位信號、溫度信號、水泵信號、流量信號、負壓信號等，并以電流形式進行信號輸入；而開關量輸入模塊選用了IA201模塊，其輸入電壓為AC 100～120 V，電流為12 mA，并設置了32個點數(shù)，主要用于接收真空泵的開關信號、液位開關信號、閘閥開關信號、球閥到位信號等，其端子的接線圖如圖2所示，同時，其內(nèi)部的濾波電路，可對外部干擾信號進行有效隔離。整個PLC控制器具有較高的控制性能，能較好地滿足井下排水系統(tǒng)的有效控制，保證井下作業(yè)環(huán)境的安全。

圖2 IA201開關量輸入模塊端子接線圖

4.2 控制系統(tǒng)各類傳感器的匹配設計

雖整個排水控制系統(tǒng)是排水系統(tǒng)的分系統(tǒng)，但其系統(tǒng)結構也相對復雜，需設計多種傳感器來完成井下不同參數(shù)的信號采集與檢測。故結構排水控制系統(tǒng)的功能特點，配備了流量檢測器、壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器等，以分別實現(xiàn)對排水系統(tǒng)中不同信號參數(shù)的檢測。其中，流量檢測采用了西門子的MAG3100型，主要用于檢測排水管道中的水流量情況，該元件可檢測0.3～20 m/s范圍內(nèi)的流速，具有較強的抗干擾性及穩(wěn)定性。溫度傳感器選用了ZN17-BKGWD型，主要用于檢測井下水泵電機的工作溫度，以保證設備的安全運行；該設備中配備了pt100的鉑熱電阻，具有較高的防爆性能。而液位傳感器則采用了SITRANS型超聲波液位計，其檢測頻率為50～60 Hz，可完成對井下水位的檢測。另外，壓力傳感器則采用了GYD60型號，主要用于檢測出水管道處的壓力大小，其工作電壓為24 V DC，可準確地檢測進水管和排水管處的壓力變化。由此，完成了排水控制系統(tǒng)中關鍵檢測設備的匹配選型。

4.3 控制系統(tǒng)監(jiān)控界面的設計

監(jiān)控界面是整套排水控制系統(tǒng)的重要組成部分，故采用MCSG組態(tài)軟件，開展了排水控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面的設計。通過該界面可將井下水管、各處壓力、各開關狀態(tài)、各閥的啟停等狀態(tài)進行直觀顯示；同時，與傳統(tǒng)界面相比，在新的顯示界面上增設了記錄顯示功能，通過該按鈕可將整個排水控制系統(tǒng)的運行時間、設備運行狀態(tài)、故障累計情況等信息進行實時記錄和直觀顯示，其監(jiān)控界面如圖3所示。另外，整個顯示界面顯示更加流暢、報警功能更加全面，操作人員能直接通過顯示界面，對整個排水系統(tǒng)的運行情況進行信息的實時掌握和設備運行狀態(tài)的準確把控，并能及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障的發(fā)生位置和采取相應的故障解決措施，由此大大提高了排水監(jiān)控系統(tǒng)的智能化、遠程化控制程度。

圖3 礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控界面圖

5 排水控制系統(tǒng)應用情況的分析

結合前文分析，完成了礦井中排水控制系統(tǒng)的改進設計。為進一步驗證該系統(tǒng)的綜合性能，將其在木瓜煤礦中進行了應用驗證，主要是基于木瓜煤礦現(xiàn)有的排水監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化造測試。測試結果表明，改進后的排水控制系統(tǒng)各項功能運行正常，與原來系統(tǒng)相比，能更加準確、全面地將井下排水中的壓力、溫度、流量、設備啟停狀態(tài)等信號進行檢測，并通過顯示界面進行直觀顯示，同時，操作人員也能在監(jiān)控室對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。據(jù)現(xiàn)場人員介紹，改進后的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和信號檢測精度更高，預估可使排水系統(tǒng)的工作效率提高30%左右，排水系統(tǒng)故障檢修時間縮短50%左右，得到了操作人員的一致好評，這對提高井下作業(yè)環(huán)境的安全性起到重要的保障作用。

6 結論

1）改進后的排水控制系統(tǒng)功能更加全面、控制精度更高，能檢測和控制的參數(shù)也有所增加；

2）改進后的排水控制系統(tǒng)顯示界面更加直觀，操作人員可更加方便地對系統(tǒng)運行狀態(tài)及發(fā)生的故障問題進行及時監(jiān)控和故障解決；

3）改進后的排水控制系統(tǒng)使整套排水系統(tǒng)的工作效率提高了將近30%，故障檢修時間縮短了50%左右，并得到人員的一致好評；

4）該研究對提高井下排水控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及作業(yè)安全具有重要作用，也為后期開展系統(tǒng)的進一步改進設計提供了參考。