綜采工作面排水泵電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

史華建

（山西陽(yáng)煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045300）

引言

煤礦安全生產(chǎn)一直以來(lái)都是備受關(guān)注的話題，影響綜采工作面安全生產(chǎn)的因素主要有瓦斯、粉塵以及地下水等。其中地下水主要通過(guò)采用高效的排水系統(tǒng)得以解決。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，由于其地層結(jié)構(gòu)被破壞，容易引發(fā)透水事故的發(fā)生，導(dǎo)致工作面的涌水量突然增加，嚴(yán)重威脅著綜采工作面的安全生產(chǎn)及其作業(yè)人員的人身安全[1]。而傳統(tǒng)排水泵采用繼電器的控制方法，其工作面的涌水量由工作人員監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致傳統(tǒng)排水系統(tǒng)存在排水不及時(shí)且排水不徹底、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。故，當(dāng)前急需對(duì)綜采工作面排水系統(tǒng)的控制方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其能夠達(dá)到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)涌水量等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)排水泵的自動(dòng)化控制。

1 工作面排水系統(tǒng)概況

綜采工作面排水系統(tǒng)主要由水泵房、水倉(cāng)、排水管道以及水泵等組成。其中，水泵房為安裝相關(guān)排水設(shè)備的場(chǎng)所；水倉(cāng)為地下水的貯存場(chǎng)所；排水管道為地下水的排除途徑；水泵為地下水至地面提供動(dòng)力[2]。水泵作為排水系統(tǒng)的核心設(shè)備，其機(jī)械性能直接決定綜采工作面的排水效果。

陽(yáng)煤寺家莊礦所采用的水泵類型為離心式水泵，且工作面排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

如圖1 所示，水泵由電機(jī)控制，當(dāng)水倉(cāng)內(nèi)水位達(dá)到限值時(shí)，系統(tǒng)需啟動(dòng)電機(jī)并控制水泵開(kāi)口的大小，以確保綜采工作面的安全生產(chǎn)。此外，為了避免地下水回流至水倉(cāng)內(nèi)，在管路中配置相應(yīng)的截止閥和射

流泵等裝置。本文所研究的排水系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)，除了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)外，還需對(duì)其關(guān)鍵的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而達(dá)到滿足實(shí)際生產(chǎn)需求的同時(shí)達(dá)到節(jié)能、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化控制的目的[3]。

圖1 工作面排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 排水泵控制策略的設(shè)計(jì)

排水泵控制策略設(shè)計(jì)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)為能否控制排水泵的開(kāi)機(jī)與停機(jī)及排水泵的開(kāi)口大小。本文基于“避峰填谷”思路對(duì)其控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。所謂“避峰填谷”策略指的是在用電高峰期時(shí)盡可能地減少排水泵的工作，使水倉(cāng)水位在最高水位附近；在用電低谷時(shí)動(dòng)作盡可能多的水泵，騰空水倉(cāng)以備用電高峰期儲(chǔ)水。經(jīng)對(duì)工作面所在不同時(shí)段電費(fèi)不同得出如表1 所示的統(tǒng)計(jì)表。

表1 電費(fèi)統(tǒng)計(jì)表

綜合考慮工作面水位及其水位變化率的情況，設(shè)計(jì)如下頁(yè)表2 所示的工作面排水系統(tǒng)控制策略。

如表2 所示，n/（n+1）表示：當(dāng)水倉(cāng)內(nèi)水位變化率超過(guò)正常水位變化率時(shí)，需同時(shí)啟動(dòng)n+1 電機(jī)；若水倉(cāng)內(nèi)水位變化率維持正常值時(shí)，需同時(shí)啟動(dòng)n臺(tái)電機(jī)即可。

3 排水泵電控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

工作面排水泵電控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要對(duì)其自動(dòng)化電控系統(tǒng)中關(guān)鍵硬件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，主要包括有PLC 控制器以及各類功能性傳感器的選型設(shè)計(jì)。

表2 工作面排水系統(tǒng)控制策略

3.1 PLC 的選型設(shè)計(jì)

結(jié)合排水系統(tǒng)的作業(yè)任務(wù)，選用三菱FX2N 系列的PLC 控制器。該P(yáng)LC 控制器的擁有24 個(gè)輸入接口，24 個(gè)輸出接口[5]。為了進(jìn)一步豐富該控制系統(tǒng)的功能，擴(kuò)展了一個(gè)模擬輸入模塊和一個(gè)數(shù)字量輸出模塊。模擬輸入模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)采集信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換；數(shù)字量輸出模塊的功能是增加系統(tǒng)的輸出點(diǎn)。控制系統(tǒng)的輸入輸出等數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3 所示。

表3 PLC 排水控制系統(tǒng)的輸入輸出量統(tǒng)計(jì)表

3.2 排水系統(tǒng)關(guān)鍵傳感器的選型設(shè)計(jì)

基于工作面排水系統(tǒng)各類傳感器對(duì)水位、溫度、流量、真空度以及出口壓力等參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集結(jié)果上傳至上位機(jī)，并由PLC 對(duì)采集到數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理分析，最終得出不同控制方式。該工作面排水系統(tǒng)各類參數(shù)傳感器的選型結(jié)果如表4 所示。

表4 傳感器選型結(jié)果

4 排水泵電控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

排水泵電氣控制系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)排水泵的節(jié)能生產(chǎn)，還能夠根據(jù)水倉(cāng)水位的變化情況控制水泵的開(kāi)啟與關(guān)閉，且明確需開(kāi)啟水泵的數(shù)量。因此，排水系統(tǒng)電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)需遵循“避峰就谷的原則”。本節(jié)著重對(duì)排水泵的輪換工作和水泵工作方式選取的軟件程度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 排水泵輪換工作軟件的設(shè)計(jì)

為延長(zhǎng)工作面排水泵的使用壽命，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)首先根據(jù)水倉(cāng)內(nèi)水位及其水位變化率的變化情況結(jié)合“避峰就谷”的原則確定需開(kāi)啟水泵的數(shù)量。若需開(kāi)啟水泵的數(shù)量大于當(dāng)前水泵的開(kāi)啟數(shù)量，系統(tǒng)應(yīng)開(kāi)啟運(yùn)行次數(shù)較少的水泵；反之，若需開(kāi)啟水泵的數(shù)量小于當(dāng)前水泵的開(kāi)啟數(shù)量，系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)關(guān)閉運(yùn)行次數(shù)相對(duì)較多的水泵。與上述控制策略對(duì)應(yīng)的程序流程如圖2 所示。

圖2 排水泵切換工藝流程圖

4.2 排水泵控制方式切換軟件的設(shè)計(jì)

為滿足綜采工作面排水系統(tǒng)的實(shí)際生產(chǎn)需求，其水泵可通過(guò)自動(dòng)、半自動(dòng)以及手動(dòng)方式完成對(duì)排水系統(tǒng)的控制。排水泵控制方式切換程序流程圖如圖3 所示。

圖3 排水泵控制方式程序流程圖

如圖3 所示，系統(tǒng)動(dòng)作前首先應(yīng)對(duì)PLC 性能檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)后若PLC 無(wú)故障則根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求選擇對(duì)應(yīng)的控制方式。

5 結(jié)語(yǔ)

排水系統(tǒng)作為綜采工作面的五大系統(tǒng)之一，其排水效果直接決定著綜采工作面的安全生產(chǎn)。為了實(shí)現(xiàn)綜采工作面排水系統(tǒng)節(jié)能、高效的生產(chǎn)，基于PLC 及各類傳感器設(shè)計(jì)了排水泵電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)；為達(dá)到節(jié)能的目的，將“避峰就谷”的控制策略應(yīng)用排水泵的電控系統(tǒng)中；最后，對(duì)排水泵的輪流切換以及其控制方式選擇的程序流程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，為提升排水泵在綜采工作面安全、穩(wěn)定、節(jié)能奠定了基礎(chǔ)。