煤礦井下中央水泵房自動化排水系統(tǒng)優(yōu)化

李偉峰

(同煤國電同忻煤礦有限責(zé)任公司)

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煤礦井下中央水泵房自動化排水系統(tǒng)優(yōu)化

李偉峰

(同煤國電同忻煤礦有限責(zé)任公司)

摘要某礦原有中央水泵房排水系統(tǒng)自動化程度較低，隨著礦井開采強度的增加，已不能適應(yīng)礦井正常生產(chǎn)時的排水要求。結(jié)合實際情況，對中央水泵房排水系統(tǒng)進(jìn)行自動化優(yōu)化，使用1 a以來未出現(xiàn)任何故障，及時排出了礦井水，節(jié)省開支1 700萬元，性能穩(wěn)定、可靠，經(jīng)濟(jì)效果顯著，自動化程度進(jìn)一步提高，排水能力進(jìn)一步增強，滿足礦井正常生產(chǎn)時的排水要求和突發(fā)事故時的應(yīng)急要求。

關(guān)鍵詞中央水泵房排水系統(tǒng)自動化

在煤礦井下生產(chǎn)過程中，排水系統(tǒng)(尤其是中央水泵房系統(tǒng))安全高效運行對礦井正常生產(chǎn)具有十分重要的意義。排水系統(tǒng)的主要作用有以下3點：及時排出井下正常涌水，處理涌水高峰期的礦井水，有效排出透水事故時的大量礦井水。當(dāng)前國內(nèi)很多礦井中央水泵房排水系統(tǒng)自動化水平低下，致使其排水能力和應(yīng)對突發(fā)透水事故的能力較差[1-5]，因此，結(jié)合某礦井下中央水泵房自動化排水系統(tǒng)實際進(jìn)行整體優(yōu)化具有重要意義。

1礦井及排水系統(tǒng)概況

某礦建于1988年，1994年正式生產(chǎn)，礦井核定生產(chǎn)能力為70萬t/a，具有中等類型地質(zhì)構(gòu)造，主要為奧灰含水層。通過數(shù)據(jù)分析，隨著開采的不斷推進(jìn)，本礦井涌水量不斷增加(表1)，給現(xiàn)有排水系統(tǒng)帶來了較大壓力。

萬m3/d

礦井排水系統(tǒng)存在的問題：

(1)由于水泵距電機啟動裝置較遠(yuǎn)，中間設(shè)定太多環(huán)節(jié)，水泵的開停需要多人協(xié)調(diào)完成，效率低下且安全隱患較大。

(2)水泵排水過程中，難以實時監(jiān)測水倉水位、水泵等設(shè)備的運行情況。

(3)礦井采用繼電器控制排水系統(tǒng)落后，隨著開采深度的增加，涌水量增加，難以滿足礦井的排水要求和突發(fā)透水事故時的應(yīng)急排水要求。

(4)排水泵房等一部分環(huán)節(jié)的工作仍主要依賴于人工操作，難以針對井下的涌水情況迅速做出相應(yīng)排水操作。

2自動化排水系統(tǒng)功能需求

自動化排水系統(tǒng)首先通過傳遞指令確定中央水泵房的實際情況，而后發(fā)出相應(yīng)的控制指令，以控制水泵房的排水過程。中央水泵房系統(tǒng)的高度自動化的實現(xiàn)必須減少人工操作等中間環(huán)節(jié)。因此，中央水泵房有效排水的關(guān)鍵是具有以下3種連續(xù)性功能：自動監(jiān)測功能、自動控制功能、自動執(zhí)行功能。監(jiān)測功能是指中央水泵房系統(tǒng)能夠?qū)χ醒胨畟}、系統(tǒng)設(shè)備等的實際運行情況進(jìn)行實時記錄，并通過相關(guān)指令傳輸至系統(tǒng)控制中心；控制功能則是根據(jù)系統(tǒng)中心接收的指令，通過邏輯程序分析而向中央水泵房等發(fā)出相應(yīng)控制指令；執(zhí)行功能則是根據(jù)系統(tǒng)中心發(fā)送的控制指令進(jìn)行相應(yīng)操作[6-7]。

3自動化排水系統(tǒng)優(yōu)化

3.1系統(tǒng)優(yōu)化原則

(1)盡可能地提高中央水泵房排水系統(tǒng)的機械自動化水平，結(jié)合水泵數(shù)量和性能，進(jìn)行智能優(yōu)化控制，提高排水效率，節(jié)省電能，減少成本[8]。

(2)增加自動報警模式，以快速確定設(shè)備發(fā)生故障的位置，便于快速修復(fù)，提高系統(tǒng)可靠性。

(3)不影響礦井正常生產(chǎn)，不對井下環(huán)境造成影響。

(4)加強對水泵等電機設(shè)備的保護(hù)，延長其使用壽命。

(5)強化系統(tǒng)應(yīng)對透水等突發(fā)事故的能力，保證礦井安全生產(chǎn)。

3.2系統(tǒng)優(yōu)化

排水系統(tǒng)自動化的高度實現(xiàn)主要取決于及時準(zhǔn)確確定水倉的水位、系統(tǒng)設(shè)備的運轉(zhuǎn)等情況，可通過相應(yīng)的傳感器(溫度、液位等傳感器)來確定，并將之轉(zhuǎn)化為相應(yīng)指令傳送至系統(tǒng)控制中心，系統(tǒng)控制中心再發(fā)出執(zhí)行指令。中央水泵房自動化排水系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　中央水泵房自動化排水系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)

由圖1可知，控制分站是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，起著承上啟下的作用，即既能實時接收各種傳感器轉(zhuǎn)化來的指令，并發(fā)出控制指令，又能將水泵運行等情況傳輸至上位機，并受上位機的控制。由此可實現(xiàn)對井下中央水泵房的排水遠(yuǎn)程控制。

3.2.1系統(tǒng)通信模式及上位機優(yōu)化

優(yōu)化后的系統(tǒng)以O(shè)PC技術(shù)為通訊標(biāo)準(zhǔn)，提高了數(shù)據(jù)的提取和傳送效率;設(shè)置PROFIBUS-DP總線，以實現(xiàn)ET200M與PLC交流信息，采用CPU315-2DP替代原控制單元CPU，同時安設(shè)CP343-1模塊通訊處理器。以工業(yè)以太網(wǎng)方式實現(xiàn)PLC與上位機的連接，傳輸介質(zhì)采用性能優(yōu)越的光纖，PLC端安設(shè)光發(fā)送機，交換機端安設(shè)光接收機。系統(tǒng)設(shè)置2臺上位機，分別為主站和備站，一臺用于客戶端，一臺用作主服務(wù)器，兩者互為備用，大大增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。在地面設(shè)置上位機系統(tǒng)，形成地面控制操作中心，以控制井下水泵的開停[9]。

3.2.2控制箱優(yōu)化

中央水泵房安裝一臺控制箱，采用PLC控制，PLC接收來自傳感器的信息，根據(jù)給定的程序?qū)崿F(xiàn)對水泵的控制，并將其運行情況傳至地面控制中心。此外，控制箱具有隔爆性能。

3.2.3冗余工業(yè)以太網(wǎng)

為安全起見，采用礦用隔爆型以太網(wǎng)交換機。以太網(wǎng)交換機內(nèi)部安設(shè)有2個重要部分：數(shù)據(jù)光端機、視頻光端機，可直接將PLC等設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為光信號，并傳送至地面控制中心(上位機)。以太網(wǎng)交換機采用EDS-728模塊替代原有模塊，增加4個千兆端口，并配置24個快速以太網(wǎng)端口，這種配置有利于后續(xù)的擴(kuò)容工作。

3.3系統(tǒng)運轉(zhuǎn)

本系統(tǒng)中心控制分站采用PLC，承擔(dān)信號的輸入輸出。操作人員可根據(jù)PLC接收的來自于水泵客戶端的指令控制水泵運行。此外，PLC還能通過通信網(wǎng)絡(luò)以指令的形式將水泵機組的運轉(zhuǎn)情況傳輸至地面控制中心系統(tǒng)，地面管理人員實時掌握井下各排水設(shè)備運行狀態(tài)，還可根據(jù)設(shè)備的具體情況，實現(xiàn)對井下設(shè)備的遙控。

4應(yīng)用效果

本系統(tǒng)采用了較為先進(jìn)的工業(yè)控制技術(shù)和軟件，能較好承擔(dān)井下正常排水工作和處理最大涌水的情況，滿足礦井排水要求。自2014年使用以來，未出現(xiàn)任何故障，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較高。本系統(tǒng)共計9臺水泵，初期改造成本為1 900萬元，即購置成本1 100萬元，配套工程建設(shè)成本800萬元。系統(tǒng)優(yōu)化后，雖然折舊費和維護(hù)費略有上升，但電費和其他費用卻大大減少，年均節(jié)約費用約1 700萬元(表2)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表2系統(tǒng)優(yōu)化前后費用對比

萬元/a

5結(jié)論

優(yōu)化后的系統(tǒng)可結(jié)合水倉等實際情況排水，具有較高的自動化水平，簡化了操作，增強了突水等事故應(yīng)急能力；系統(tǒng)安裝了故障報警裝置，提高了系統(tǒng)的檢修效率，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性；與原系統(tǒng)相比，優(yōu)化后的自動化排水系統(tǒng)排水能力大大增強，減少了許多中間環(huán)節(jié)，耗電量大大降低，極大地節(jié)約了成本，達(dá)到了安全、高效、降本的目的。

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[9]張廣龍,史麗萍.礦井中央水泵房綜合自動化系統(tǒng)的設(shè)計模式[J].煤礦機電，2005(4)：8-10.

(收稿日期2015-11-15)

李偉峰(1985—)，男，助理工程師，037003 山西省大同市。