興隆莊煤礦中央泵房自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

駱秀生

（兗礦集團(tuán) 興隆莊煤礦，山東 兗州272102）

井下中央泵房承擔(dān)著礦井的主要排水任務(wù)，對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)起著舉足輕重的作用。 對(duì)該中央泵房各排水泵實(shí)行全方位自動(dòng)監(jiān)控，及時(shí)掌握其礦井涌水情況，具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義，自動(dòng)排水系統(tǒng)的研究，在礦業(yè)企業(yè)中已成為一個(gè)重要的研究課題。

1 現(xiàn)狀和存在問(wèn)題

1.1 現(xiàn)狀

興隆莊煤礦中央泵房設(shè)在副井井底車房，與中央變電所同一硐室相互隔離。礦井中央泵房包括外環(huán)、內(nèi)環(huán)主副兩個(gè)水倉(cāng)、主排水大泵房和排水管路組成。 中央泵房擔(dān)負(fù)井下排水任務(wù)。 標(biāo)高－349.4m， 容積4227.43m3。 管道傾角27°，全長(zhǎng)25m，寬3.5m，高3.1m，內(nèi)分布三路排水管路，管子道中間開(kāi)有一電纜通道，下井四個(gè)回路的電纜經(jīng)副井和電纜通道進(jìn)入中央變電所。 泵房?jī)?nèi)原設(shè)計(jì)安裝了5 臺(tái)沈陽(yáng)產(chǎn)250D×60×8 型多級(jí)分段式離心泵，進(jìn)水口直徑250mm，每級(jí)揚(yáng)程60m，共8級(jí)進(jìn)水段，總揚(yáng)程480m，流量420m3/h，每臺(tái)水泵自重3t。

1.2 存在問(wèn)題

興隆莊煤礦中央泵房仍然使用傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng)，這種排水系統(tǒng)由于自動(dòng)化程度低，應(yīng)急能力差，還做不到根據(jù)水位或其它參數(shù)自動(dòng)開(kāi)停水泵，這將嚴(yán)重影響井下主排水泵房的管理水平和經(jīng)濟(jì)效益的提高，存在很大的安全隱患。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

從兗礦集團(tuán)興隆莊煤礦自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，針對(duì)現(xiàn)有排水系統(tǒng)存在的弊病，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和控制理論，開(kāi)發(fā)適于煤礦井下使用的自動(dòng)排水系統(tǒng)利用工業(yè)專用測(cè)控保護(hù)器和液位檢測(cè)裝置，組成自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)水倉(cāng)水位變化情況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

1）系統(tǒng)滿足“煤礦安全法規(guī)”、“煤礦井下排水泵站及排水管路設(shè)計(jì)規(guī)范”，和其它有關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)的安全性、穩(wěn)定性和可靠性為基本原則；

2）通過(guò)總線和以太網(wǎng)控制，地面監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)連接到Internet；

3）所選設(shè)備的系統(tǒng)工作安全可靠、實(shí)用、充分考慮技術(shù)進(jìn)步；

4）系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作靈活、維修方便的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 系統(tǒng)組成與工作原理

2.2.1 系統(tǒng)組成

本控制系統(tǒng)以PLC 作為控制核心，觸摸屏和上位機(jī)為顯示和主要操作設(shè)備，通過(guò)PLC 檢測(cè)水泵設(shè)備和傳感器的信號(hào)，控制水泵、真空泵等設(shè)備和電動(dòng)閥門、電磁閥等執(zhí)行器。 系統(tǒng)主要包括：遠(yuǎn)程主站（上位機(jī)）、集中控制臺(tái)、傳感器和執(zhí)行器等四部分。 系統(tǒng)示意圖如下圖1。

2.2.2 系統(tǒng)工作原理

數(shù)據(jù)自動(dòng)采集主要由PLC 實(shí)現(xiàn)，PLC 模擬量輸入模塊通過(guò)傳感器連續(xù)檢測(cè)水倉(cāng)水位，將水位變化信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，控制排水泵的啟停。電機(jī)電流、水泵軸溫、電機(jī)軸溫和定子溫度、排水管流量，等傳感器與變送器，主要用與監(jiān)測(cè)水泵、電機(jī)的運(yùn)行情況，超限報(bào)警，以避免水泵和電機(jī)損壞。PLC 的數(shù)字量輸入模塊將各種開(kāi)關(guān)量信號(hào)采集到PLC 中作為邏輯處理的條件和依據(jù)，控制排水泵的啟停。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)具有手動(dòng)、集控、遠(yuǎn)控三種操作方式，其中集控和遠(yuǎn)控方式還分別分為集控手動(dòng)、集控自動(dòng)和遠(yuǎn)控手動(dòng)、遠(yuǎn)控自動(dòng)兩種方式，因此也可以將操作方式分為手動(dòng)（即純手動(dòng)，就地操作）、集控手動(dòng)、遠(yuǎn)控手動(dòng)、自動(dòng)四種。

1）手動(dòng)：既保持現(xiàn)有的操作方式，整個(gè)系統(tǒng)完全脫離控制器，手動(dòng)單臺(tái)就地操作各個(gè)設(shè)備，作為檢修或控制系統(tǒng)出故障時(shí)應(yīng)急的操作方式。

2）集控手動(dòng)：該操作方式需要由操作人員根據(jù)水倉(cāng)的水位確定需要開(kāi)啟水泵的臺(tái)數(shù)，然后人工在PLC 控制柜上啟停水泵，當(dāng)需要開(kāi)啟（關(guān)閉）某臺(tái)水泵時(shí)，只需按下PLC 控制柜上的啟動(dòng)（關(guān)閉）按鈕，系統(tǒng)將自動(dòng)完成抽真空、開(kāi)關(guān)閥門、運(yùn)行參數(shù)判斷、報(bào)警、停機(jī)等步驟，實(shí)現(xiàn)單臺(tái)水泵的一鍵開(kāi)啟（關(guān)閉）。

3）遠(yuǎn)控手動(dòng)：既地面控制室遠(yuǎn)程啟停設(shè)備并監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及各個(gè)運(yùn)行參數(shù)變化趨勢(shì)。 在遠(yuǎn)程啟停某臺(tái)設(shè)備時(shí)，其操作步驟和集控手動(dòng)類似，操作人員只需按下監(jiān)控軟件上的開(kāi)啟（關(guān)閉）按鈕即可。

4）自動(dòng)方式：即根據(jù)液位高低、上水與否和峰谷電價(jià)時(shí)段等因素自動(dòng)啟停水泵，閥門與水泵之間聯(lián)鎖起停，并實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，發(fā)生故障自動(dòng)停機(jī)并報(bào)警。 此方式下可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

3 結(jié)論

煤礦礦井排水是煤礦安全生產(chǎn)的重要組成部分，地下排水系統(tǒng)好壞嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。本系統(tǒng)進(jìn)行了分析，提出了本課題，本文完成了井下水泵房集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。 主要包括以下幾個(gè)方面：

1）改變落后的井下排水系統(tǒng)，集中控制系統(tǒng)的概念的映入，提高了工作效率和可靠性。

2）系統(tǒng)配備以太網(wǎng)，將上傳操作狀態(tài)中央水泵房和水泵機(jī)組參數(shù)信息到地上控制室通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)， 通過(guò)礦井地面控制室的局域網(wǎng)（LAN），然后向有關(guān)部門發(fā)布信息，授權(quán)管理人員能掌握地下排水系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程啟停裝置。

3）傳統(tǒng)排水泵組和輔助設(shè)備磨損快，提出了“新的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)”。排水系統(tǒng)的能量消耗太大，我們提出了“避峰填谷”的新設(shè)計(jì)思想。

4）通過(guò)人機(jī)交互界面，工作狀態(tài)數(shù)據(jù)、文本、圖像直觀的反應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)反映系統(tǒng)和相應(yīng)的參數(shù)。