礦井排水設(shè)備自動化控制改造實踐*

李慧東

(西山煤電集團有限責(zé)任公司馬蘭礦，山西 太原 030053)

0 引 言

隨著煤炭需求量日益增高，開采技術(shù)逐步精進，礦井的開采深度不斷加深，各煤礦企業(yè)在井下作業(yè)時，會安裝大量排水設(shè)備，以保證煤炭開采作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。

聯(lián)動體系不完備，井下排水設(shè)備控制不理想等是目前排水設(shè)備運行的主要現(xiàn)狀。排水設(shè)備及其控制體系在人工維護現(xiàn)狀下，存在設(shè)備不必要的運行中斷及能源浪費、不能及時處理突發(fā)情況的問題，傳統(tǒng)的控制體系滿足不了如今煤礦機電設(shè)備自動化的需要。

筆者通過對礦井排水設(shè)備控制體系的原理分析，探索排水系統(tǒng)改造方案的可能性，提出一種煤礦井下自動排水設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計方案。通過對比改造前后系統(tǒng)監(jiān)測所得數(shù)據(jù)的方式以及精度，驗證該系統(tǒng)不僅能保障煤礦開采有序、高效的運行，更能有效實現(xiàn)節(jié)能減排，延長設(shè)備連續(xù)運行時間。

1 礦井排水設(shè)備控制系統(tǒng)方案

1.1 煤礦排水設(shè)備組成

煤礦排水設(shè)備由井下泵房自動控制單元和地面檢測控制中心兩部分組成。傳感器、控制箱、離心泵共同構(gòu)成用來控制以及檢測井下排水設(shè)備的井下泵房自動控制單元。有關(guān)操作的設(shè)備、顯示器、多功能計算機共同組成可反映排水設(shè)備狀況以及重要參數(shù)的地面檢測控制中心，具備收集對應(yīng)檢測設(shè)備的各類數(shù)據(jù)功能，是控制排水設(shè)備的操作依據(jù)。

1.2 煤礦排水設(shè)備中PLC技術(shù)應(yīng)用

可編程邏輯控制器(PLC)是在工業(yè)環(huán)境下自動化控制設(shè)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)。PLC由內(nèi)部CPU、數(shù)據(jù)存儲器、輸入輸出單元、電源模塊、數(shù)字模擬等部分組成，該控制器可通過數(shù)字式或模擬式的輸入輸出來實現(xiàn)控制各種類型機電設(shè)備或控制系統(tǒng)。

PLC技術(shù)廣泛應(yīng)用在煤礦井下排水設(shè)備控制體系的中央處理系統(tǒng)[1]，其借助IP/TCP通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，提高了井下排水裝置與地面檢車控制中心之間的信息交流效率。煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)控制原理如圖1[2]。

圖1 煤礦井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)控制原理

借助PLC的中央處理器，煤礦井下排水裝置的自動化控制可以匯集和檢測各個排水裝置及系統(tǒng)的信息和參數(shù)。借助于種類繁多的微控制器以及傳感器，系統(tǒng)將井下積水面積、深度、水量、水質(zhì)等信息轉(zhuǎn)化成電信號，通過模擬信號或數(shù)字信號經(jīng)由放大電路等過渡電路傳輸至PLC，在煤礦井下排水裝置的自動控制系統(tǒng)中，大部分信號均是以此方式進行傳輸。

不同種類的傳感器可以傳輸不同類別的信號，例如，壓力傳感器可以將排水裝置壓力轉(zhuǎn)變的電信號傳輸至PLC，流量傳感器則能收集與排水裝置排水流量相關(guān)的信息。為實現(xiàn)井下排水系統(tǒng)的正常運行，獲取準(zhǔn)確的信息，選取更加規(guī)范、高精度、長壽命的處理器以及傳感器是關(guān)鍵。同時，獲取信息的及時性也十分重要，因此系統(tǒng)刷新頻率必須達(dá)到秒量級甚至毫秒量級，這對PLC性能有更高的要求。

1.3 煤礦排水設(shè)備控制形式

系統(tǒng)控制水泵的形式根據(jù)距離和方式大致可以分為四種，中遠(yuǎn)距離自動控制、中遠(yuǎn)距離手動控制、就近自動控制、就近手動控制。

中遠(yuǎn)距離自動控制操作方便，可根據(jù)煤礦排水需要設(shè)置對應(yīng)程序控制水泵的開關(guān)。此類控制方式重點在于程序設(shè)計必須合理且嚴(yán)謹(jǐn)，嚴(yán)格設(shè)置水泵的開關(guān)條件。借助于傳感器傳輸?shù)男盘?，判斷是否需要開關(guān)水泵，以及需要開關(guān)水泵的數(shù)量。例如井下水位急劇上升，傳感器檢測到水位高度以及上升的速度，傳輸給PLC，借助已經(jīng)編寫好的程序自動計算水泵開關(guān)要求，自動控制水泵的開關(guān)以快速消除安全隱患，調(diào)整井下水位情況。

中遠(yuǎn)距離手動控制則是指工作人員定期對水位狀況進行檢測，根據(jù)人為的判斷通過排水系統(tǒng)控制臺進行對水泵的開關(guān)。此方式和中遠(yuǎn)距離自動控制相比，人工成本大且處理突發(fā)情況反應(yīng)慢，經(jīng)濟效益和安全保障均不及中遠(yuǎn)距離自動控制。

近地自動控制和近地手動控制均需要人工定期對礦井井下水位情況進行檢測，兩者相比，自動控制僅需要人工進行系統(tǒng)控制操作臺上水泵啟動按鈕的開關(guān)，手動控制則需要手動開啟閘門和水泵電機。

由以上對比，中遠(yuǎn)距離自動控制是一種較為理想的排水系統(tǒng)控制方式，其自動化，智能化水平高，系統(tǒng)編寫則需要更加嚴(yán)謹(jǐn)，細(xì)致，對PLC、傳感器等的要求也較高[3]。

2 礦井排水設(shè)備自動化控制系統(tǒng)改造的實現(xiàn)

2.1 改造目標(biāo)

此次改造排水設(shè)備控制系統(tǒng)的關(guān)鍵集中在傳感器、基于PLC的控制系統(tǒng)，通過多線共行、特殊情況特殊處理、極端情況全力對待的三類應(yīng)對措施，提高排水設(shè)備自動化控制水位處理的水平，提高自動化控制的靈敏度，保障安全生產(chǎn)。

2.2 改造措施

2.2.1 傳感器

提高自動化控制靈敏度問題，需要多方面綜合分析地形、井深等環(huán)境因素，通過采用多個傳感器協(xié)同合作的方法，將井下積水區(qū)按照水深等距劃分多個采樣點，最低采樣點對應(yīng)最低水位線，最高采樣點對應(yīng)最高水位線，而最佳水位線則保持在中間傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)。對多個傳感器傳輸?shù)男盘?，以及各個傳感器對應(yīng)截面的面積不同，需要綜合考慮排水水泵的開啟臺數(shù)，以及開啟功率。傳感器并入井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)示意圖如圖2。

圖2 傳感器并入井下排水設(shè)備控制系統(tǒng)示意圖

2.2.2 PLC系統(tǒng)

除了參考水位，系統(tǒng)還需要考慮到水位不同時段的上升速率。對于每個礦井水下排水的不同情況，設(shè)定程序時，需要先通過計算以及檢測，大致推算出礦井水位上升的最高速率，并按照排水功率設(shè)定水位最快速率時各個排水水泵在保障安全排水、節(jié)能前提下的最高效的排水方案。對于不同的礦井，以及不同的積水區(qū)，可采用建模仿真的方式獲取水位上升速率最快時、水位上升正常速率時、水位維持不變時幾種特殊情況所需要排水水泵排水參數(shù)的設(shè)置方案。同時將這些特殊情況編入程序中，以應(yīng)對非常規(guī)水位變化情況的出現(xiàn)[3]。

除了設(shè)定以上方案，重要的是系統(tǒng)還需對排水設(shè)備設(shè)置“危險紅線”。在出現(xiàn)高水位同時水位上升速度又達(dá)到最高點時，必須強制開啟所有排水水泵，全速進行排水工作，以確保井下積水在高危狀態(tài)下能夠高效迅速的回歸正常[4]。

3 礦下排水系統(tǒng)應(yīng)用成效

改造后的系統(tǒng)應(yīng)用于源鑫公司排水設(shè)備中，將水泵以及其附屬設(shè)備均安裝基于PLC的控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)實際運行中，利用光纖將傳感器檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鏅z測控制中心，自動檢測運行參數(shù)，實現(xiàn)動態(tài)顯示、實時報警顯示。該系統(tǒng)利用實時監(jiān)測到的液位、溫度、水流量等參數(shù)如表3，經(jīng)過系統(tǒng)智能分析，自動決策排水設(shè)備的運行狀態(tài)，達(dá)到智能控制排水設(shè)備的效果。

表3 主要監(jiān)測參數(shù)記錄

經(jīng)過一段時間的數(shù)據(jù)采樣分析，改造后系統(tǒng)能后實時且精確的監(jiān)測井下排水相關(guān)信息，加快排水設(shè)備的調(diào)配速度。對比改造前后礦井排水設(shè)備的能耗信息，如表4，采用礦下排水設(shè)備自動化控制系統(tǒng)能夠為礦井節(jié)約14.1%的能耗，節(jié)約了人工成本。根據(jù)調(diào)用畫面響應(yīng)時間以及實時數(shù)據(jù)刷新時間的測量精度可知，在應(yīng)對模擬的高水位急劇上升特殊情況時自動化控制系統(tǒng)反應(yīng)速度極快，是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的8倍左右。礦下排水設(shè)備自動化控制系統(tǒng)從能耗、成本、安全性上均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)[5]。

表4 優(yōu)化前后用電量統(tǒng)計表

4 結(jié) 語

工業(yè)發(fā)展日新月異，煤炭需求量增大，自動化水平騰飛的當(dāng)下，礦井井下排水設(shè)備的控制系統(tǒng)技術(shù)改造勢在必行?；谂潘O(shè)備自動化控制系統(tǒng)的構(gòu)造方案提出多線共行、特殊情況特殊對待、極端情況全力對待的三類應(yīng)對措施，增強了排水設(shè)備自動化控制水位處理的水平。改造后的排水控制系統(tǒng)全面提升了系統(tǒng)在檢測、控制、應(yīng)變等方面的能力，在降低人工成本的同時，節(jié)能減排也為企業(yè)帶來了不容小覷的經(jīng)濟收益。由此可見，礦下排水系統(tǒng)自動化控制改造未來發(fā)展前景十分可觀。