煤礦井下自動(dòng)排水系統(tǒng)

吳紅磊

【摘要】本文主要描述PLC控制井下大泵房實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)排水，可根據(jù)情況對(duì)泵房用電實(shí)行避峰谷，利用各個(gè)傳感器進(jìn)行故障判斷、水位監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)報(bào)警音響和視頻對(duì)泵房水倉(cāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，水泵需要開(kāi)啟與停止時(shí)可根據(jù)傳感器自動(dòng)判斷，并通過(guò)地面遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及報(bào)表分析等功能最終實(shí)現(xiàn)井下泵房的無(wú)人值守。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)排水；遙測(cè)、遙控；泵房無(wú)人值守

中圖分類號(hào)：TD2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0278（2015）04-094-02

一、系統(tǒng)概述

中國(guó)平煤神馬能源化工集團(tuán)有限責(zé)任公司六礦年產(chǎn)量400萬(wàn)噸，為達(dá)到全國(guó)礦井自動(dòng)化數(shù)字化建設(shè)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)井下排水系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，要求井下四個(gè)泵房實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，每個(gè)泵房?jī)蓚€(gè)運(yùn)行泵，一臺(tái)備用泵進(jìn)行改造，改造后的泵房排水系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠、利用率高，并對(duì)煤礦安全、高效、節(jié)能生產(chǎn)打好堅(jiān)定的基礎(chǔ)，最終達(dá)到節(jié)能降耗、無(wú)人值守、遙測(cè)、遙控的目標(biāo)。

該排水系統(tǒng)采用西門子PLC S7-300系列，主要對(duì)排水系統(tǒng)設(shè)備的控制、傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集，傳感器狀態(tài)位，遠(yuǎn)程控制時(shí)故障顯示、實(shí)時(shí)報(bào)警并記錄等功能。

二、原有排水系統(tǒng)概述

目前，中國(guó)平煤神馬能源化工集團(tuán)有限責(zé)任公司六礦井下水泵房使用的仍然是傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng)，以離心式水泵系統(tǒng)為主。這種排水系統(tǒng)的操作以離心式水泵的工作特性為基礎(chǔ)，泵站的起停時(shí)間判斷，完全依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)和已有的操作規(guī)程。當(dāng)水倉(cāng)水位到達(dá)設(shè)定的高水位時(shí)，工人打開(kāi)射流泵（或真空泵），為水泵抽真空，同時(shí)觀測(cè)真空表的讀數(shù)。真空度達(dá)到要求后，起動(dòng)水泵機(jī)組，使水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)水泵出水口壓力表讀數(shù)達(dá)到要求時(shí)，開(kāi)起閘閥進(jìn)行排水，同時(shí)關(guān)閉抽真空的射流泵（或真空泵）。

停泵過(guò)程要進(jìn)行相反的操作。當(dāng)水倉(cāng)積水降至低水位時(shí)，先將閘閥關(guān)死，再停水泵機(jī)組。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)涌水量的不同，工人還要判斷同時(shí)投入幾臺(tái)水泵工作，以便于既能及時(shí)排出積水，又能使泵站合理使用，避免過(guò)度頻繁的起停。

其存在的問(wèn)題有如下幾點(diǎn)：

1.效率低、可靠性差。這種排水系統(tǒng)的工作流程完全由手工完成，工人按部就班的完成各個(gè)執(zhí)行件的操作。另外，對(duì)水位、涌水量大小等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的判斷依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)。作業(yè)過(guò)程比較復(fù)雜，要求工人具有很強(qiáng)的責(zé)任心，否則可能出現(xiàn)誤操作，甚至發(fā)生大的事故。

2.工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。人工操作無(wú)法避免高強(qiáng)度的勞作。尤其是閘閥的操作，勞動(dòng)量最大。而且，水泵房要時(shí)時(shí)有人值守，以便在發(fā)生異常情況時(shí)，及時(shí)報(bào)警檢修。

三、自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用“PLC主站+顯示屏+操作按鈕箱”模式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“地面主控、井下輔控”控制模式。系統(tǒng)采用自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)三種控制模式，其中自動(dòng)和半自動(dòng)分為兩種：井下操作臺(tái)自動(dòng)/半自動(dòng)集控和地面調(diào)度室自動(dòng)/半自動(dòng)集控。三種控制模式可以自由切換，在自動(dòng)控制方式下可實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水倉(cāng)水位，自動(dòng)啟停水泵，故障自動(dòng)報(bào)警等。系統(tǒng)可分為地面控制平臺(tái)、工業(yè)千兆以太網(wǎng)、泵房?jī)?nèi)主控制系統(tǒng)。（見(jiàn)圖1）

地面控制平臺(tái)：一主一備工控機(jī)，打印機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控組態(tài)界面功能可顯示水泵開(kāi)停過(guò)程、水倉(cāng)液位、傳感器狀態(tài)位、流量和電流電壓，報(bào)警提示音響和攝像儀畫(huà)而顯示。

工業(yè)千兆以太網(wǎng)：工程師站一臺(tái)交換機(jī)、井下環(huán)網(wǎng)平臺(tái)、利用100/1000M工業(yè)以太網(wǎng)，將PLC控制臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至地面工程師站，工程師站發(fā)出的命令經(jīng)過(guò)環(huán)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)時(shí)發(fā)送至PLC控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換。

泵房?jī)?nèi)主控制系統(tǒng)：井下PLC控制臺(tái)、井下集中控制操作臺(tái)、本安型爆攝像儀、泵房?jī)?nèi)設(shè)備及傳感器等，通過(guò)PLC控制臺(tái)對(duì)泵房?jī)?nèi)設(shè)備及傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與控制，井下操作臺(tái)可顯示水泵運(yùn)行狀態(tài)，故障指示，水泵開(kāi)停過(guò)程、水倉(cāng)液位、傳感器狀態(tài)位、流量和電流電壓，操作臺(tái)具有遠(yuǎn)控/近控、自動(dòng)/手動(dòng)/檢修模式旋鈕可對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程/現(xiàn)場(chǎng)操作轉(zhuǎn)換。

四、系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)有地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控工程師站、井下集中控制平臺(tái)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和水泵流程顯示及設(shè)備保護(hù)狀態(tài)位等主要功能。

1.地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控工程師站：工程師站具有密碼確認(rèn)功能，不同的人員具有不同的賬號(hào)密碼與操控權(quán)限，操作員只具有對(duì)泵房軟件的監(jiān)控，故障查詢，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能；軟件維護(hù)員權(quán)限是最高權(quán)限，除具有操作員所有功能外，還具有軟件編譯、升級(jí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備更改后的重新組態(tài)等功能。（見(jiàn)圖2）

2.實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可對(duì)水泵的運(yùn)行狀態(tài)、電流、電壓、水倉(cāng)水位、管道流量、閘閥開(kāi)度、正壓、負(fù)壓、電機(jī)溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)畫(huà)面顯示；并實(shí)時(shí)顯示水泵各類故障、報(bào)警和報(bào)警查詢：當(dāng)有報(bào)警發(fā)生時(shí)，軟件的實(shí)時(shí)報(bào)警會(huì)在報(bào)警音響上語(yǔ)音提示，可提醒操作員水泵的故障原因，并將故障存儲(chǔ)于報(bào)警系統(tǒng)中，維護(hù)人員可通過(guò)報(bào)警查詢查詢到當(dāng)前報(bào)警和歷史報(bào)警記錄。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬顯示，采用圖形、趨勢(shì)圖和數(shù)字形式直觀地顯示趟管路的瞬時(shí)流量及累計(jì)流量、水泵軸溫、電機(jī)溫度等動(dòng)態(tài)值，超限報(bào)警，自動(dòng)記錄故障類型、時(shí)間等歷史數(shù)據(jù)。

圖形曲線顯示：在地面控制站上應(yīng)可實(shí)時(shí)顯示各設(shè)備運(yùn)行圖。并提供開(kāi)放式的圖形制作軟件，用戶可隨心所欲描繪各種動(dòng)態(tài)圖形、靜態(tài)圖形，同時(shí)支持多種圖形格式，圖形畫(huà)面具有鏈接功能，可以很方便的切換其它畫(huà)面顯示?？娠@示實(shí)時(shí)曲線。

實(shí)時(shí)報(bào)警/報(bào)警記錄：在地面控制站上可顯示現(xiàn)場(chǎng)單元當(dāng)前的報(bào)警信息以及保存的報(bào)警記錄。要具備各種保護(hù)功能，包括超溫、流量、電動(dòng)機(jī)故障、電動(dòng)閘閥故障等保護(hù)，同時(shí)具有語(yǔ)音提示功能。通過(guò)地面集控中心的工程師站客戶端能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)泵的啟?？刂?。

3.井下集中控制功能

系統(tǒng)有三種工作方式：自動(dòng)方式、半自動(dòng)方式和手動(dòng)方式。水泵系統(tǒng)的運(yùn)行控制方式是由泵房就地操作臺(tái)上面的方式開(kāi)關(guān)決定的。本路水泵系統(tǒng)的就地操作臺(tái)上的方式開(kāi)關(guān)有“近控”“遠(yuǎn)控”“半自動(dòng)”三擋；當(dāng)操作臺(tái)方式在“近控”位置，不管PLC方式在進(jìn)行什么操作，本路水泵系統(tǒng)為就地控制方式；操作臺(tái)方式在“遠(yuǎn)控”位置，則可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，具體操作由上位機(jī)選擇無(wú)人值守還是人工點(diǎn)擊鼠標(biāo)完成操作任務(wù)。半自動(dòng)時(shí)由就地操作臺(tái)上的按鈕選擇，這個(gè)時(shí)候?qū)儆谥悄芸刂疲恍枰粋€(gè)按鈕即可完成單臺(tái)水泵的流程控制。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與設(shè)備保護(hù)功能及水泵操作流程：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要有電機(jī)電流、電機(jī)溫度、水泵軸溫、閘閥開(kāi)度、正壓、水倉(cāng)水位、排水管流量、真空度；閘閥限位狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行反饋、故障點(diǎn)并帶有語(yǔ)音提示功能。

該系統(tǒng)設(shè)備保護(hù)有3種，電流保護(hù)在開(kāi)啟水泵時(shí)如果水泵電流超過(guò)限值，可立即將水泵停止運(yùn)行；失水保護(hù)在開(kāi)啟水泵時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)水泵不上水造成空轉(zhuǎn)水泵即可停止運(yùn)行；流量保護(hù)在水泵開(kāi)啟后，如果沒(méi)有流量或者流量小于程序設(shè)定的限值，水泵也會(huì)立即停止運(yùn)行。

五、總結(jié)

該集控技術(shù)在本礦成功研制和應(yīng)用，此次安裝具有設(shè)計(jì)，創(chuàng)新機(jī)電工程技術(shù)設(shè)計(jì)思路，減少管理環(huán)節(jié)，技術(shù)設(shè)計(jì)符合現(xiàn)場(chǎng)條件，運(yùn)行效果有較為明顯。投入運(yùn)轉(zhuǎn)以來(lái)，運(yùn)行基本正常。為集團(tuán)公司大力發(fā)展數(shù)字集控技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。證明此設(shè)計(jì)方案有很高的推廣使用價(jià)值。系統(tǒng)投入運(yùn)行至今，運(yùn)行非?？煽?，提升排水能力，降低了故障率，保證自動(dòng)排水系統(tǒng)運(yùn)行的連續(xù)性和可靠性，系統(tǒng)立足建設(shè)無(wú)人值守泵房的總目標(biāo)，同時(shí)提高節(jié)能效率和管理水平，減少操作人員和工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，為今后礦井生產(chǎn)綜合自動(dòng)化打下良好基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘峰，劉紅兵.西門子PLC控制技術(shù)實(shí)踐[J].中國(guó)電力出版社，2008.

[2]馬丁.西門子PLC200/300/400應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講[J].電子工業(yè)出版社.2008.

[3]姚福強(qiáng)，李世光，李曉梅，等.煤礦井下主排水泵房計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2004（1）.

[4]齊允平.礦山流體機(jī)械[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1990.