基于安全節(jié)能的礦井自動化排水控制系統(tǒng)設計

彭中衛(wèi)

（內(nèi)蒙古上海廟礦業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 016200）

相對于其他國家，由于我國煤田普遍具有地質(zhì)條件復雜的特征，通過長期對煤礦資源開采過程的觀察，發(fā)現(xiàn)在工作環(huán)節(jié)中受水量因素影響的煤礦比例占總量的三成左右，是否能夠合理排除煤礦積水已經(jīng)逐漸成為影響工作人員工作狀態(tài)與生命健康安全的主要因素。但與此同時，很多地方性的小煤礦在設計排水系統(tǒng)時由于沒有考慮到設備的長期使用需求與更換周期，在實際應用時不僅導致電機在長期使用下耗能量逐漸增長，同時由于排水系統(tǒng)設計環(huán)節(jié)不夠完善大大降低了使用效率[1]。因此，需要針對當前應用礦井自動化排水控制系統(tǒng)時存在的主要問題進行深入分析，并對其中的系統(tǒng)應用環(huán)節(jié)進行持續(xù)優(yōu)化，以達到延長設備使用壽命、降低勞動強度的根本目的。

1 目前我國煤礦井下排水系統(tǒng)存在的主要問題

很對地方小煤礦由于受條件所限，為盡量降低工作成本，在排水控制方面依然選擇人工控制為主要方式，不僅工作強度大，同時工作效率與可靠性均達到不到預期工作標準。

（1）設備無法集控。排水相關設備無法集控是煤礦排水系統(tǒng)在應用時存在的主要問題，對應的礦井的設備實際運行情況以及與之相關的實時數(shù)據(jù)反饋也不夠及時，一旦出現(xiàn)故障不能保障問題解決的及時性，并不符合現(xiàn)代化煤礦的管理要求。

（2）控制策略仍處于落后狀態(tài)。傳統(tǒng)排水系統(tǒng)應用過程中是完全依照人工經(jīng)驗判斷排水時機與各種系統(tǒng)應用因素，但由于設備對應的環(huán)節(jié)繁多，導致人工操作方面需要掌握大量的復雜操作過程，操作人員承擔著極大的責任與工作壓力[2]。若是工作人員沒有足夠的工作責任心，很容易會因為馬虎大意導致操作不及時甚至設備損壞，井下的安全生產(chǎn)活動無法保證。

（3）水泵啟動失敗率較高。水泵干燒現(xiàn)象是影響水泵使用壽命的關鍵因素，為了盡量避免此種現(xiàn)象出現(xiàn)，當前采用的大多數(shù)排水系統(tǒng)均采用具有無底閥特性的抽水方式為水泵的主要注水過程。但完全依靠人工經(jīng)驗判斷臨空真空度是否達到系統(tǒng)規(guī)定的啟動標準的方式卻很容易出現(xiàn)失誤，最終導致水泵電機開啟不及時或是相關數(shù)據(jù)讀數(shù)不精準等問題。

（4）系統(tǒng)運行效率過低。作為煤礦生產(chǎn)活動的高耗能設備，提高水泵的運行效率是降低工作成本以及緩解能源緊張問題的基礎條件。但由于當前我國多數(shù)煤礦的節(jié)能意識并不強，對應的排水系統(tǒng)的控制方法極為落后，設備維護成本逐漸上升的同時工作效率卻不能得到保證，尤其是設備在長期使用的條件下勢必會出現(xiàn)老化磨損等問題，如果沒有一套切實可行的安全節(jié)能方案與之相匹配，對于實際的生產(chǎn)生活將產(chǎn)生極大的不良影響。

2 控制系統(tǒng)方案設計

本方案設計以生產(chǎn)能力在140萬噸的中小型煤礦為背景，結合煤礦所處地理環(huán)境與新老豎井自動排水系統(tǒng)的應用特性，對其中央泵房以及井下排水系統(tǒng)環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的各種問題進行優(yōu)化，并制定出一套切實可行的安全節(jié)能排水系統(tǒng)設計方案。

2.1 離心式水泵排水系統(tǒng)

水泵是排水的主體設備，其主要由軸承、支架、泵殼葉輪等組成，而離心式水泵由于構造較為簡單、維護方便等優(yōu)勢更是被廣泛應用在生各大產(chǎn)領域。其工作原理是在泵腔充滿液體的情況下啟動葉輪旋轉(zhuǎn)將會帶動水做離心運動，并利用水壓將液體排放至管道中。之所以水在啟動的狀態(tài)下會進入到泵腔內(nèi)部，是因為電動機在啟動時高速旋轉(zhuǎn)，在大氣壓力的輔助下礦井下積水將會被快速排出。

2.2 排水系統(tǒng)組成

通常情況下以離心式水泵為主體的排水系統(tǒng)在應用時需要根據(jù)煤礦所在的區(qū)域環(huán)境選擇合適的注滿泵體液體的方法，常見的有真空泵、射流抽真空以及射流泵等，其系統(tǒng)主要由電機、閥門、離心式水泵、啟動設備以及管路附件等組成。

（1）閥門。閥門的使用優(yōu)勢為阻力小、方便調(diào)節(jié)流量等，但其在長期使用下極其容易磨損，后期的維修維護過程也過于復雜；逆止閥具有方向性，其主要作用為在水泵故障的情況下避免水逆流的情況出現(xiàn)，降低水倉水溢出事故的發(fā)生風險。

（2）真空表與壓力表。真空表主要用于檢測泵體內(nèi)部真空度，只有真空度足夠水泵電機才能啟動，減少了電機干燒現(xiàn)象的出現(xiàn)。而壓力表通常接在排水管路上，緊鄰水泵出水口，從而檢測水壓力以判斷是否需要打開出水閘閥，降低水錘事故的發(fā)生風險。

（3）射流系統(tǒng)。為避免電機干燒等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)，啟動前給水泵腔體注水是常規(guī)操作，采用的方法普遍為射流抽真空與真空泵注水法。射流泵在真空環(huán)境下能夠?qū)⑺耄瑫r具有空間利用率高、維修量小等優(yōu)勢，被廣泛應用于自動化排水系統(tǒng)設計環(huán)節(jié)中。

2.3 系統(tǒng)整體設計方案

控制系統(tǒng)主要包括上位機與PLC控制柜兩大核心，根據(jù)此煤礦的現(xiàn)場情況可以將其分為井下現(xiàn)場下位機與地面監(jiān)控上位機。具體如圖1所示。

（1）地面監(jiān)控上位機。想要達到在地面對井下排水情況進行監(jiān)控的效果，需要設置地面監(jiān)控系統(tǒng)（工業(yè)電視系統(tǒng)、光刻機以及工控機等），在構建上位機后能清楚地顯示井下的動態(tài)畫面與現(xiàn)場的數(shù)據(jù)變化，從而對井下的各種排水設備進行遠程控制。操作人員能夠通過實時反饋的水泵運行數(shù)據(jù)判斷井下情況，并能夠在水泵故障發(fā)生的第一時間發(fā)現(xiàn)從而保證問題解決的及時性，將問題損失降到最低。

（2）井下排水控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場控制井下設備主要通過PLC控制柜以及與之相配套的各種傳感器實現(xiàn)控制功能，通過安裝網(wǎng)絡攝像頭能夠?qū)χ醒氡梅康木唧w情況進行實時監(jiān)控。PLC控制柜主要由各種電氣設備以及S7-300PLC組成，其中的PLC部分組成由輸入輸出模塊、數(shù)字量輸入輸出模塊、CPU以及電源模塊組成，能夠?qū)υO備的發(fā)出信號進行收集與判斷，從而自動判斷設備的環(huán)節(jié)操作狀態(tài)，在與就地操作箱結合使用后能夠顯示自由控制水泵狀態(tài)。

（3）控制系統(tǒng)主要功能。①排水系統(tǒng)自動化控制。在將自動化排水系統(tǒng)安裝完成后真正實現(xiàn)了無人值守功能（保留手動控制模式），能夠通過控制系統(tǒng)對水泵等各種設備進行遠程操控，從而降低人工操作成本，減少了操作失誤所帶來的一系列問題。②控制方式多樣化。為了能夠根據(jù)現(xiàn)場的具體情況自由選擇操控模式，在對設備進行自動化控制的基礎上，仍然保留手動控制模式，并增加遠控、近控以及檢修三種模式。自動模式下全程不需要人工參與就可實現(xiàn)整個流程的自動化控制；遠控模式下需要操作人員操作計算機下發(fā)水泵的開啟與停止指令，具體操作在PLC系統(tǒng)的協(xié)助下進行；近控模式是工作人員在井下通過就地操作箱對水泵等設備進行操作，其余操作仍需在PLC輔助下完成；檢修模式主要用于水泵等設備發(fā)生故障的情況下，在故障發(fā)生后機組設備報警，維修人員趕到現(xiàn)場設置為檢修模式，并在故障處理完成后調(diào)回自動化運行狀態(tài)。③系統(tǒng)優(yōu)化。通過設定自動化控制程序系統(tǒng)實現(xiàn)了水泵的自動輪換功能，并能夠自動收集水泵工作信息建立對應的工作模型，從而選擇最為符合工作實際情況的啟停水泵與排水管路，以最大程度的延長水泵使用壽命。一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在運行過程中存在故障，在通過系統(tǒng)確定故障水泵位置后需要取消該水泵的工作輪換狀態(tài)，直至修復后方可重新取用，這種系統(tǒng)優(yōu)化方案的優(yōu)勢在于降低了某些水泵的長時間工作壓力，避免頻繁使用出現(xiàn)老化現(xiàn)象，同時也減少了其他水泵機組長時間閑置對于實際工作效率的影響，有效減少了由于排水系統(tǒng)應用不當所帶來的安全隱患。④系統(tǒng)保護。為提高設備工作的安全穩(wěn)定性、降低工作人員的井下生產(chǎn)工作安全風險，系統(tǒng)設計了各種保護功能，包括真空度檢測、電流、超溫、電機參數(shù)以及PLC故障保護等。在保護功能啟用后，一旦系統(tǒng)中的某些部分發(fā)生故障就會自動報警，同時能夠根據(jù)設置的不同報警信號第一時間判斷出故障類型。對于排水系統(tǒng)來說，若是真空度不能達到規(guī)定數(shù)值就將電機啟動很容易出現(xiàn)干燒現(xiàn)象從而導致水泵啟動失敗。而通過增加的真空表與壓力傳感器能夠清楚地顯示出實時壓力數(shù)值，一旦沒有在啟動時達到規(guī)定數(shù)值就會報警，有效保證了問題解決的及時性；對電流進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)電流過低或過高能夠第一時間報警，以降低干燒現(xiàn)象的發(fā)生頻率；超過規(guī)定溫度運行水泵電機將會極大減少其工作壽命，因此需要對溫度進行監(jiān)控以便在溫度過高時及時停止電機工作以保護內(nèi)部電路；系統(tǒng)能夠根據(jù)電機的各種參數(shù)判斷電機的工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)參數(shù)與預先設定標準值區(qū)間不符，將會自動執(zhí)行設定操作并發(fā)出故障報警；PLC由于其結構特殊性，難免會在長時間使用時出現(xiàn)死機或是觸電老化現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)此種情況將會立即發(fā)出故障報警，并自動將控制方式轉(zhuǎn)為手動以免影響其后續(xù)的工作狀態(tài)。

3 結語

綜上所述，為提高煤礦井下工作安全等級以達到安全節(jié)能的工作目標，設計一套切實可行的自動化排水控制方案是極其重要的。這套方案在應用后不僅能夠滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)工作需要，還能夠根據(jù)不同種情況切換不同的工作模式，為提高工作安全性、持續(xù)提高經(jīng)濟效益打下了堅實的基礎。