煤礦井下排水系統(tǒng)自動(dòng)控制分析

摘 要：煤礦井下排水系統(tǒng)是決定煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，既往使用的人工排水控制系統(tǒng)，不僅操作工序十分繁瑣，同時(shí)也存在著耗能大以及控制效率低等問(wèn)題，給煤礦的安全生產(chǎn)留下了一定的隱患。自動(dòng)控制系統(tǒng)采用以PLC為控制核心，配以各種末端傳感設(shè)備的控制方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下排水泵、排水管道的自動(dòng)化控制以及水泵運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。本文筆者結(jié)合自身多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)介紹自動(dòng)排水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能以及目前自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：煤礦井下；排水系統(tǒng)；自動(dòng)控制；分析介紹

中圖分類號(hào)：TD744

煤炭作為我國(guó)主要能源之一，其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著不可替代的重要作用，而煤礦作為輸出煤炭能源的唯一途徑，其安全生產(chǎn)不僅關(guān)乎到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)也關(guān)乎著社會(huì)的和諧和穩(wěn)定，排水系統(tǒng)作為決定煤礦安全生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)之一，一直以來(lái)都受到了業(yè)內(nèi)人士的普遍關(guān)注，提高排水系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要保證，目前國(guó)內(nèi)使用的排水系統(tǒng)多半還是采用人工控制的方式，這種控制方式對(duì)于操作和控制人員的要求很高，水泵操作人員要依靠目測(cè)的方式來(lái)判斷水位的高低，從而決定水泵的停啟，但是這種控制方式在遇到水位劇烈變化時(shí)，操作復(fù)雜和應(yīng)變能力低的問(wèn)題就充分的暴露出來(lái)。另外水泵耗能不容小覷，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年的水泵耗用電能約占到電能總消耗量的20%左右，占到水費(fèi)成本的60%以上，人工控制的方式不僅效率低，同時(shí)也存在著能源和資源浪費(fèi)的問(wèn)題。

近年來(lái)排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的使用收到了非常良好的控制效果，不僅水泵排水效率大大提高，同時(shí)在能源節(jié)約方面也取得了顯著的成效，自動(dòng)控制系統(tǒng)以PLC作為控制核心，利用安裝在各排水管道中和水泵電機(jī)上的感應(yīng)設(shè)備采集控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于水泵運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行過(guò)程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化控制。

1 自動(dòng)化排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹

目前國(guó)內(nèi)普遍采用的煤礦井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)、隔爆型PLC控制箱、礦用耐磨離心式水泵、真空傳感器、真空系統(tǒng)、流量傳感器以及壓力傳感器等部分組成。礦用耐磨離心水泵在排水工作之前要進(jìn)行抽真空處理，目前國(guó)內(nèi)一般都采用射流、水環(huán)真空泵、管道余水抽真空、水箱抽真空以及管道余水射流等方式。

采用射流方式一般需要用到射流管道控制閥門(mén)、射流總成以及真空管道控制閥門(mén)等設(shè)備，在壓力噴嘴部位利用高壓水流所產(chǎn)生的高速度，將水泵腔體內(nèi)部的空氣帶走，從而形成內(nèi)部的真空環(huán)境。

水環(huán)方式需要用到管道控制閥門(mén)、水環(huán)式真空泵以及真空管道控制閥門(mén)等設(shè)備，這種方式在選用時(shí)要注意估算待抽取的真空體積，以便確定真空泵的選用型號(hào)。

采用管道余水的方式進(jìn)行抽空要將管道內(nèi)的余水注入到水泵之內(nèi)，等到水泵上有水流出的時(shí)候，證明水泵腔體內(nèi)部已經(jīng)注滿，然后將放水閥門(mén)關(guān)閉，開(kāi)啟排水泵。

利用水箱抽真空的方式比較適用于自制水箱的煤礦，這種方式的抽真空方式類似于管道余水的抽真空方式，都是利用水泵的抽水作用將泵腔內(nèi)的水排干凈，從而形成真空的狀態(tài)。

管道余水射流的方式是將原排水管道中的余水進(jìn)行高壓處理，使這部分余水具有較高的速度，從而具備較高的動(dòng)能，在噴嘴部位能夠利用自身的動(dòng)能將周圍的空氣帶走，這樣泵腔之內(nèi)就形成了真空的環(huán)境。

2 自動(dòng)化排水系統(tǒng)功能分析

自動(dòng)排水控制系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)采集功能、系統(tǒng)控制功能、節(jié)能功能、故障診斷功能以及實(shí)時(shí)多任務(wù)功能。

2.1 數(shù)據(jù)采集功能需要控制系統(tǒng)通過(guò)安裝在管道以及水泵上的傳感器采集開(kāi)關(guān)量和模擬量。不同傳感器為控制系統(tǒng)提供不同的信號(hào)數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)通過(guò)安裝在水泵電機(jī)上的開(kāi)停傳感器傳輸開(kāi)停信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)的開(kāi)停狀態(tài)，通過(guò)安裝在水泵內(nèi)的壓力傳感器監(jiān)測(cè)水泵內(nèi)部的壓力情況，根據(jù)壓力監(jiān)測(cè)值控制水泵開(kāi)停狀態(tài)。在水泵開(kāi)啟之前要進(jìn)行吸水管路的真空度，通過(guò)安裝在吸水管路內(nèi)的真空壓力感應(yīng)器監(jiān)測(cè)管路內(nèi)部的真空度，控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)值控制電動(dòng)機(jī)的開(kāi)停狀態(tài)。液位傳感是控制系統(tǒng)通過(guò)液位感應(yīng)器監(jiān)測(cè)水倉(cāng)內(nèi)部的水位變化情況，根據(jù)水位高低決定水泵開(kāi)停狀態(tài)。

2.2 信息管理功能。井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)PLC的編程能夠?qū)崿F(xiàn)水位信號(hào)的自動(dòng)收集和識(shí)別功能，根據(jù)實(shí)時(shí)收集的水位信號(hào)，通過(guò)既定的計(jì)算程序計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)不同水位段的水位上升速率，并且通過(guò)各個(gè)部位傳感器采集的壓力、流量、溫度、電流、電壓等數(shù)據(jù)，綜合分析排水系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并對(duì)各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中管理和處理，同時(shí)還會(huì)對(duì)整個(gè)排水系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的記錄，供檢修或故障檢查時(shí)使用。

2.3 自動(dòng)排水控制系統(tǒng)的控制功能可以分為遠(yuǎn)控、手動(dòng)以及集控三種方式，采用手動(dòng)的方式是在水泵房的幾種控制平臺(tái)上，操作人員根據(jù)實(shí)際情況控制每個(gè)水泵的開(kāi)停順序以及相關(guān)設(shè)備的工作情況。集控方式同樣也是在水泵房的操作平臺(tái)之上實(shí)現(xiàn)控制操作，但是控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的開(kāi)停水泵條件，決定水泵的開(kāi)停狀態(tài)。遠(yuǎn)控方式對(duì)于水泵及其關(guān)聯(lián)設(shè)備的開(kāi)停控制則是在上位機(jī)水泵監(jiān)控界面上完成，系統(tǒng)可根據(jù)操作人員的配置設(shè)置控制權(quán)限。

2.4 故障診斷功能是自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)各個(gè)感應(yīng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)于各個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，查找運(yùn)行故障。當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)水位監(jiān)測(cè)情況開(kāi)啟水泵的時(shí)候，控制系統(tǒng)會(huì)在此之前提前啟動(dòng)射流泵或者是真空泵，對(duì)管路內(nèi)的真空壓力進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)壓力值符合開(kāi)啟要求時(shí)則開(kāi)啟水泵電動(dòng)機(jī)，同時(shí)將真空管路的閥門(mén)關(guān)閉。如果在水泵開(kāi)啟之后的一段時(shí)間之內(nèi)，排水管路壓力監(jiān)測(cè)情況不滿足測(cè)定值要求時(shí)，這時(shí)控制系統(tǒng)就會(huì)關(guān)閉排水泵，并發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)。

2.5 報(bào)警保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)的故障保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障的時(shí)候，報(bào)警保護(hù)功能在發(fā)出警報(bào)的同時(shí)也會(huì)采取相應(yīng)的措施保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備。

（1）超溫保護(hù)。排水泵在運(yùn)行一段時(shí)間之后會(huì)出現(xiàn)主軸承溫度升高的情況，當(dāng)溫度升高到高于設(shè)計(jì)允許值的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出故障警報(bào)，操作人員會(huì)及時(shí)采取措施，避免由于溫度升高而對(duì)控制模塊產(chǎn)生危害。

（2）流量保護(hù)。流量保護(hù)主要是通過(guò)對(duì)于涌水量的監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行水泵的開(kāi)啟數(shù)量，如果涌水量達(dá)到一定值，控制系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)的水泵臺(tái)數(shù)全數(shù)開(kāi)啟，當(dāng)水流量逐漸下降的時(shí)候，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際的水流量和涌流部位決定控制該部位排水的水泵停止運(yùn)行，從而避免水泵空轉(zhuǎn)，既保護(hù)電機(jī)同時(shí)又降低不必要的能耗。

（3）電動(dòng)機(jī)故障保護(hù)。電動(dòng)機(jī)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)是排水系統(tǒng)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，對(duì)于電動(dòng)機(jī)故障的監(jiān)測(cè)和保護(hù)將會(huì)對(duì)整個(gè)排水體統(tǒng)的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。提供PLC會(huì)通過(guò)安裝在水泵電動(dòng)機(jī)上的感應(yīng)器實(shí)時(shí)監(jiān)控電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，一旦電動(dòng)機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常，系統(tǒng)PLC則會(huì)及時(shí)發(fā)出停止指令，并發(fā)出警報(bào)告知操作人員，操作人員會(huì)采取相應(yīng)的措施及時(shí)進(jìn)行處理，避免電動(dòng)機(jī)帶病作業(yè)，影響電動(dòng)機(jī)正常使用壽命。

3 結(jié)束語(yǔ)

煤礦排水系統(tǒng)是決定煤礦安全生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)之一，對(duì)于排水系統(tǒng)的控制將會(huì)對(duì)整個(gè)煤礦的安全生產(chǎn)帶來(lái)十分現(xiàn)實(shí)的意義。而傳統(tǒng)的人工排水系統(tǒng)控制方法不僅操作繁瑣，并且對(duì)于操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)要求過(guò)高，同時(shí)也會(huì)給操作人員和控制人員的工作增加很多壓力。采用自動(dòng)化的控制系統(tǒng)不僅有效的避免了這些問(wèn)題，同時(shí)還大大的提高了控制效率，另外自動(dòng)化的控制系統(tǒng)通過(guò)PLC以及各個(gè)設(shè)備上的感應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)排水系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、檢查、數(shù)據(jù)收集和管理以及故障報(bào)警和保護(hù)等功能，降低了排水系統(tǒng)運(yùn)行成本和工作人員的工作強(qiáng)度，提高了排水系統(tǒng)的運(yùn)行效率，確保了煤礦安全生產(chǎn)工作。

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作者單位：徐礦集團(tuán)新疆公司，烏魯木齊 830000