礦井自動排水系統(tǒng)綜述

植海深 盧德明 張應(yīng)紅 徐晉勇 侯原亮

（1.廣西右江礦務(wù)局，廣西 田東 531501；2.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林541004）

礦井自動排水系統(tǒng)綜述

植海深1盧德明2張應(yīng)紅2徐晉勇2侯原亮2

（1.廣西右江礦務(wù)局，廣西 田東 531501；2.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西 桂林541004）

敘述礦井自動排水系統(tǒng)的組成和工作方式，介紹了礦井自動排水系統(tǒng)的分類和某些系統(tǒng)硬件的安裝及作用，講述大多數(shù)礦井自動排水系統(tǒng)具備的特點，最后分析系統(tǒng)中PCL的可靠性及其解決辦法。

PLC；自動排水系統(tǒng)；可靠性

井下排水系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)中四大系統(tǒng)之一，它承擔著排出井下積水的重要任務(wù)，是礦井安全生產(chǎn)的保障。目前煤礦井下主排水系統(tǒng)仍多采用繼電器控制，水泵的開停及選擇切換均由人工完成，然而隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的進步，尤其是微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展及其在各行各業(yè)中的滲透，使現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)備的安全可靠性、經(jīng)濟性都得到很大的提高。傳統(tǒng)的礦井排水系統(tǒng)已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代煤礦企業(yè)的管理和操作，而需要一種新的自動化排水系統(tǒng)來保障煤炭開采工作的安全高效性。井下自動排水系統(tǒng)就是為了實現(xiàn)排水系統(tǒng)的安全性、可靠性及經(jīng)濟性而設(shè)計開發(fā)的一種自動化系統(tǒng)。井下自動排水系統(tǒng)在傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)和檢測裝置，實現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動化。并且延伸其功能，使井下水泵房在實現(xiàn)無人化運行的同時，能夠根據(jù)井下具體情況和要求，選擇最佳運行方案，為井上監(jiān)控系統(tǒng)提供有用的數(shù)據(jù)資料。

1 系統(tǒng)硬件組成

1.1 系統(tǒng)組成分類

井下自動排水系統(tǒng)可以分為控制、檢測、執(zhí)行三大部分。

（1）控制部分：控制所用的電氣設(shè)備需要滿足礦下使用電氣設(shè)備的一般要求。由于系統(tǒng)控制流程復(fù)雜，井下現(xiàn)場環(huán)境惡劣，需要選擇可靠性較好的控制器，因此選用高性能可編程序控制器（PLC）較為適宜。其它控制部分包括電動閘閥等設(shè)備的礦用一般型控制柜、控制箱。

（2）檢測部分由2部分組成：模擬量檢測部分，其主要由水位傳感器（有投入式和超聲波式兩種）、流量傳感器、壓力傳感器、真空壓力表、溫度傳感器、電流變送器、功率變送器等組成；開關(guān)量檢測部分，包括水泵電機、電抗器、電動閘閥、真空泵電機等設(shè)備的運行狀態(tài)檢測。

（3）執(zhí)行部分由水泵電機、電動閘閥、電磁閥、真空泵電機等被控對象組成[1]。這個部分通過管道連接起來就形成圖1中的水泵管路系統(tǒng)示意圖[1]。

1.2 系統(tǒng)一些硬件的安裝和作用

井下排水系統(tǒng)一般采用離心式水泵，一些小型煤礦或淺水井的排水系統(tǒng)也采用潛水泵。離心式水泵排水系統(tǒng)主要由離心式水泵、驅(qū)動電動機、起動設(shè)備、儀表、管路及管路附件等組成。

（1）濾水器和底閥

濾水器安裝在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于0.5米，其作用是防止井底沉積的煤泥和雜物吸入泵內(nèi)，導(dǎo)致水泵被堵塞或被磨損。在濾水器內(nèi)裝有舌型底閥，其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水，以及停泵后的存水不會漏掉?，F(xiàn)在的排水系統(tǒng)中，為了提高排水效率，減小水泵腐蝕，一般不用底閥，而用射流泵或真空泵為水泵和吸水管注水。

（2）閘閥

調(diào)節(jié)閘閥安裝在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止閥的下方。其作用主要有：

① 調(diào)節(jié)水泵的流量和揚程；

② 起動時將它完全關(guān)閉，以降低起動電流。

調(diào)節(jié)閘閥的優(yōu)點是流動阻力和關(guān)閉壓力較小，安裝時無方向性，能夠方便地來調(diào)節(jié)水泵的流量和揚程等。其缺點是密封面容易擦傷，檢修較為困難，高度尺寸較大，在安裝位置受到限制時，安裝不便，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價格較高。放水閘閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥上方的排水管路的放水管上，其作用為檢修排水管路時放水用。

（3）逆止閥

逆止閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥的上方，其作用是當水泵突然停止運轉(zhuǎn)(如突然停電)時，或者在未關(guān)閉調(diào)節(jié)閘閥的情況下停泵時，能自動關(guān)閉，切斷水流，使泵體不致受到水力沖擊而遭到損壞。

（4）壓力表

壓力表安裝在水泵的排水接管上，為檢測排水管中壓力大小用。真空表安裝在水泵的吸水接管上，為檢側(cè)吸水管的真空度（負壓）用。

（5）離心式水泵

離心式水泵在起動前必須將吸水管和泵腔內(nèi)注滿水才能進入運行狀態(tài)，否則水泵轉(zhuǎn)動時將無法吸水，形成“干燒” ，嚴重影響水泵的使用壽命。在無底閥的排水系統(tǒng)中，水泵每次起動都要灌水，這一工作由抽真空設(shè)備完成，一般使用射流泵或真空泵。它們的工作原理不同，但都能在系統(tǒng)中使水泵工作腔達到一定的真空度，保證系統(tǒng)正常工作。

圖1 水泵工作管路示意圖

2 系統(tǒng)軟件組成

2.1 工作方式選擇

在自動排水系統(tǒng)主控制程序中有自動、半自動、手動三種工作方式可以選擇[4]。控制系統(tǒng)對排水設(shè)備進行控制前，可以利用PLC進行各種檢查，首先先對可編程控制器進行檢查，其中包括對程序的檢查及接線的檢查，如果PLC有故障就轉(zhuǎn)為手動控制;然后對排水設(shè)備進行檢查，如果有故障也轉(zhuǎn)為手動控制，并對故障進行診斷排除。如果各個設(shè)備均無故障，可以由工作人員操作控制柜上的按鈕來選擇任意一種工作方式。在自動或半自動方式下，PLC按要求完成自己的控制功能。而手動方式在所有控制方式中有優(yōu)先權(quán)。工作方式控制的流程圖如圖2所示[3]。

2.2 水泵開啟數(shù)量

通過確定開泵數(shù)量的程序以及水泵輪換工作模塊，就可以確定開哪幾臺水泵。滿足開泵條件的水泵進人自動開啟程序。根據(jù)“避峰就谷”的原則：當水位上升到上限水位時，如處于用電“谷段”或“平段”，計算距“峰段”開始的時間t，進而算出排水量Q和需開水泵的臺數(shù)n。如處于用電“峰段”，計算該“峰段”結(jié)束前的涌水量Q，并與水倉允許最大容水量Vm ax比較，若Q≤Vmax ，進人“谷段”或“平段”后再開動水泵；若Q＞Vmax ，則應(yīng)開動水泵，以免發(fā)生水倉溢水。為節(jié)省用電，“峰段”結(jié)束前只要保持水位不超過Vmax所對應(yīng)的水位即可[3]。

2.3 自動轉(zhuǎn)換工作

（1）水泵輪換工作

利用兩個數(shù)據(jù)寄存器，分別存放每臺泵的運行時間和運行次數(shù)。根據(jù)最優(yōu)化原則，每次自動啟動運行時間最短的無故障水泵。當兩臺水泵的運行時間相近且最少時，則啟動運行次數(shù)較少的水泵。寄存器能夠自動累加水泵的排水時間和排水次數(shù)。

圖2 工作方式選擇流程圖

（2）管路轉(zhuǎn)換工作

當啟動某臺水泵時，在和它相連的N條排水管路中，選用工作時間最短的一條管路，如果兩條管路工作時間相近，則選工作次數(shù)最少的管路。

2.4 上位機監(jiān)控部分

系統(tǒng)可以采用亞控組態(tài)王6.53實現(xiàn)人機對話界面。在組態(tài)軟件的監(jiān)視畫面上，以動畫顯示報警處理、流程控制、實時曲線、歷史曲線和報表輸出等，工作人員可以方便地了解系統(tǒng)的工作情況。

3 系統(tǒng)特點

一般情況下自動排水系統(tǒng)都能在當運行的水泵、閥門或管路發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠自動發(fā)出聲光報警，記錄事故發(fā)生時間及位置，將故障泵或管路自動撤出工作，其余各個泵和管路按一定順序自動輪換工作。在考慮企業(yè)成本的情況下，系統(tǒng)實現(xiàn)“避峰就谷”，能夠節(jié)約企業(yè)開支。所謂的“避峰就谷”就是在用電“谷段”和“平段”時間之間合理開啟水泵，將水倉水位降至設(shè)定的低位，以便水倉能夠騰出盡可能大的容積，減少在“峰段”開動水泵的時間，以節(jié)約用電。

自動排水系統(tǒng)一般都具有手動、半自動和全自動三種工作方式。故障檢修和手動試車時使用手動方式，通過就地控制箱來實現(xiàn)對水泵的操作;半自動工作方式時，由操作人員選擇哪幾臺水泵投人工作，由PLC自動完成已選水泵的啟停;全自動方式時，由PLC接收各傳感器檢測到的信號，通過相關(guān)程序自動完成各水泵的運行，不需人工參與。

此外，自動排水系統(tǒng)都可在上位機上用組態(tài)軟件（例如：組態(tài)王6.53）動態(tài)監(jiān)控水泵及其附屬設(shè)備的運行狀況，實時顯示水位、流量、壓力、溫度、電流、電壓等參數(shù)，提供各種運行及故障信息，超限報警，還可以打印各類運行報表、歷史數(shù)據(jù)、事故記錄、統(tǒng)計報表等[3]。

4 系統(tǒng)可靠性

4.1 PLC控制系統(tǒng)的主要干擾源

（1）空間電磁輻射干擾?？臻g電磁場主要是在電力網(wǎng)絡(luò)、電器設(shè)備通斷電瞬間或無線電、高頻加熱設(shè)備工作時產(chǎn)生。

（2）PLC外部接線引入的干擾。PLC外部接線引入的干擾通常是由十工作人員在工作中選擇、安裝設(shè)備不合理或現(xiàn)場布線不規(guī)范造成的，這種干擾在工業(yè)控制現(xiàn)場普遍存在，其干擾源主要來自以下三個方面：①供電電源干擾，②信號采集線路引入的干擾，③接地線引入的干擾。

（3）PLC控制系統(tǒng)的內(nèi)部干擾。這種干擾通常是由于PLC內(nèi)部電路及元件相互之間產(chǎn)生電磁輻射引起的，它主要與可編程控制器生產(chǎn)廠家設(shè)計的設(shè)備內(nèi)部電磁兼容性有關(guān)。

4.2 PLC控制系統(tǒng)的抗干擾措施

提高PLC控制系統(tǒng)的抗干擾能力，需要從兩方面著手。一方面需要生產(chǎn)廠家制造出抗干擾能力較高的產(chǎn)品，另一方面需要工程設(shè)計者根據(jù)控制現(xiàn)場的實際情況設(shè)計出合理的抗干擾方案，以提高系統(tǒng)的電磁兼容性和運行可靠性。具體的抗干擾措施應(yīng)從以下幾方面進行設(shè)計：

（1）抗供電電源的干擾。（2）合理布線。（3）抗電弧干擾措施。（4）接地抗干擾措施。（5）軟件設(shè)計方面的抗干擾措施[5]。

5 結(jié)束語

自動排水系統(tǒng)需要從硬件和軟件兩大方面進行設(shè)計，其組成原理大致上都是一樣的。硬件的好壞能夠影響系統(tǒng)運行的準確性、穩(wěn)定性和耐久性（零件壽命長短），而軟件則能影響系統(tǒng)整體工作流程的順利與否，好的軟件系統(tǒng)甚至能大幅度減少硬件的使用次數(shù)，這樣就變向地使硬件的耐久性增加。可見無論是硬件還是軟件都是組成排水系統(tǒng)的必備條件。只有合理設(shè)計硬件和軟件才能更好的讓系統(tǒng)穩(wěn)定運行。而系統(tǒng)的可靠性也很重要，設(shè)計的系統(tǒng)需要具備一定的抗干擾能力，這樣必要的抗干擾措施必須具備。

[1] 陳子春,劉向昕.井下中央泵房水泵自動化控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].工礦自動化,2007(2).

[2] 趙鑫,煤礦自動排水系統(tǒng)的應(yīng)用[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2011(25).

[3] 程高新,李敬兆.基于 PLC 的礦井自動排水系統(tǒng)設(shè)計[J]. 煤礦機電,2009(3).

[4] 李澤松.井下水泵房自動排水系統(tǒng)研究[D].太原:太原理工大學,2005.

[5] 李杰.煤礦井下排水系統(tǒng)運行可靠性研究與控制系統(tǒng)研制[D].太原:太原理工大學,2010.

Mine Automatic Drainage System Review

This paper describes the composition and the work of mine automatic drainage system, and introduces classification of the mine automatic drainage system, some system hardware installation and the role of automatic drainage system; the majority of mine have the characteristics, finally analysis PLC reliability of the mine automatic drainage system and its solutions.

PLC; automatic drainage system; reliability

TD63

A

1008-1151(2012)06-0120-03

2012-04-18

廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術(shù)重點實驗室建設(shè)項目(09-007-05_006) 、(09-007-05_013)

盧德明（1986－），男，廣西岑溪人，桂林電子科技大學機電工程學院碩士研究生，研究方向為井下中央泵房自動排水系統(tǒng)。