礦井主排水系統(tǒng)全自動運行模式關鍵問題的研究與應用

趙曉磊 郭坤閃

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 八礦，河南 平頂山 467012）

0 引言

目前，在礦井泵房的主排水系統(tǒng)設計中，一般設置多臺多級離心水泵，一組工作、一組備用，并設置了用于輪換檢修的水泵。系統(tǒng)普遍采用人工操作方式，操作過程繁瑣、勞動強度大、人為因素多、啟泵時間長、自動化程度低，不容易實現(xiàn)避峰就谷的控制方式，已不能適應現(xiàn)代化礦井管理的要求，因此，主排水系統(tǒng)實現(xiàn)自動化控制是非常重要的。

國家安全生產監(jiān)督管理總局2009年12月1日實施的《煤礦防治水規(guī)定》第118條規(guī)定：受水威脅嚴重的礦井，應當實現(xiàn)井下泵房無人值守和地面遠程監(jiān)控。

平煤股份八礦二水平正常涌水量為310m3/h，最大涌水量為1275m3/h；泵房最大排水能力為1804m3/h；水倉總容量為6200m3，大倉3200m3，小倉3000m3。二水平中央泵房共有5臺水泵，其中工作泵2臺，備用泵2臺，檢修泵1臺。排水管路4趟，具有工作水管和備用水管，供配電能力能同時開動工作水泵和備用水泵?，F(xiàn)場設計全部符合《煤礦安全規(guī)程》要求。

按照國家安監(jiān)局的規(guī)定，現(xiàn)場設計安裝了五臺泵，分別為兩臺主用泵，兩臺備用泵，一臺檢修泵，每臺泵使用軟啟動拖動，并且為了防止供電系統(tǒng)跳閘對排水的影響，五臺拖動電機共用三個供電回路。

1 系統(tǒng)設計

根據涌水量、現(xiàn)場硬件設施及排水要求，設計排水集控系統(tǒng)。系統(tǒng)以西門子PLC300為核心，現(xiàn)場安裝布置各種傳感器，對電機和水泵的運行參數及保護參數進行實時的監(jiān)測和傳送，這些參數包括：電機溫度、泵體溫度、機體振動、實時流量、水位、真空度、電壓、電流、水泵出水口壓力、各種閘閥、電磁閥的位置信號、過轉矩信號等。

設備層包括各種閥門、傳感器，閥門有電磁閥、射流閥；傳感器包括超聲水位計、管路靜壓傳感器、電機溫度傳感器等。

監(jiān)控層主要由現(xiàn)場的操作臺，PLC控制柜組成。

現(xiàn)場操作臺為隔爆兼本質安全型，指示燈、按鈕、轉換開關、繼電器、電源開關、蜂鳴器等都集中在操作臺上。操作臺實現(xiàn)對系統(tǒng)的各種設備操作及各種控制方式的轉換，顯示各種設備運行狀態(tài)及參數，各設備故障狀態(tài)的報警。操作臺除各種控制按鈕和顯示燈外還設有觸摸屏用來顯示系統(tǒng)流程狀態(tài)和報警信息。現(xiàn)場安裝了兩個溫度巡檢儀采集5臺水泵電機的15路溫度參數，實時顯示并具有上限報警功能。

PLC控制柜負責整個系統(tǒng)的控制程序，采用SIEMENS公司的S7300系列的PLC，安裝有SM模塊、IM模塊，電源模塊、交換機等設備，主要完成對現(xiàn)場采集來的信息的運算、判斷并發(fā)出各種控制信息等，PLC帶有以太網口可直接與交換機相連，并且該控制柜內有一以太網交換機與PLC、操作臺觸摸屏、井下環(huán)網交換機相連。

排水系統(tǒng)是礦井綜合自動化信息化的一個重要組成部分，信號傳輸和控制系統(tǒng)框架滿足信息化的整體設計要求，系統(tǒng)改造后不僅具備就地的監(jiān)測監(jiān)控，還實現(xiàn)了以下功能：

1）系統(tǒng)具備遠程監(jiān)控功能；

2）在水倉水位滿足條件的前提下，系統(tǒng)能按避峰就谷的模式進行；

3）實現(xiàn)井下排水泵房無人值守的全自動運行；

4）整個系統(tǒng)做到全自動運行、系統(tǒng)運行安全可靠、維護方便、修改靈活。

調度中心通過標準的OPC接口讀取數據，實現(xiàn)對實時數據的監(jiān)測和對設備的控制。排水系統(tǒng)接入全礦的綜合自動化平臺，實現(xiàn)水泵監(jiān)控子系統(tǒng)與全礦井的監(jiān)控系統(tǒng)信息共享。

2 關鍵問題研究

全自動模式為無需人為干預，由系統(tǒng)根據水倉水位、用電峰谷自動啟、停水泵，并且自動實現(xiàn)水泵的輪換工作，做出合理的排水調度。實現(xiàn)全自動的關鍵是水倉水位的測量和處理、“避峰就谷”機制原理的遵循、泵自動輪詢機制以及自動起停機制的處理四部分。

2.1 對水位的分析與處理

整個排水系統(tǒng)的水倉水位是通過雷達水位計探測后，經PLC處理傳到上位機上，但是由于雷達水位計受外界的干擾比較多，如：井下作業(yè)引起的震動，雷達探頭有障礙物干擾等，都會影響雷達水位計的準確性。通過對上位機的水位趨勢圖分析，能準確的看到水位經常受到影響而波動，且波動的范圍較大，造成整個上位機系統(tǒng)錯誤判斷，甚至由于誤判斷發(fā)出水位過高或過低警告。

通過對水位反復的觀察和測試，特采用以雷達水位計為基礎，同時加裝兩個浮球水位計作為參考的方法。兩個浮球水位計分別測高水位和低水位（安裝時，浮球水位計設定的高水位要比雷達設定的高水位略高）。當浮球開關在高水位時自動啟動水泵，當浮球開關在低水位時自動停止水泵，這兩個水位可以設置是否屏蔽。當雷達顯示高水位而浮球不在高水位時，系統(tǒng)輸出故障告警信息但不起動水泵，如果15分鐘內沒有人為的對故障進行屏蔽，則系統(tǒng)自動啟動水泵；同理，當雷達顯示在低水位而浮球開關不在低水位時，系統(tǒng)輸出低水位故障報警但不停止水泵，如果15分鐘內沒有對故障進行屏蔽，則系統(tǒng)自動停止水泵。15分鐘這個時間可以進行調整。這樣就避免了因為雷達水位計受影響后對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成較大的破壞，為系統(tǒng)安全可靠的運行提供了保證。

圖1 水位監(jiān)測趨勢圖

2.2 “避峰就谷”機制

礦井排水用電占礦井總用電量的1/3以上，是用電大戶。礦井生產用電分不同時段，高峰時電價是用電低谷的10倍以上，所以，實現(xiàn)“避峰就谷”運行是節(jié)約成本的需要?！氨芊寰凸取睓C制處理如圖1。

設定4個水位：低水位H1、中間水位H2、高水位H3、危險水位H4。當前水位設為H，當H達到危險水位H4時，無條件起泵。當H達到高水位H3時，首先判斷電網的負荷，若處于低谷，即啟動一臺水泵；若處于用電高峰或用電尖峰，則暫緩啟動水泵，直到達到危險水位H4再起泵。這樣就可以減少在用電高峰和用電尖峰起泵的時間，有效的節(jié)約了資源。高水位、低水位和中間水位可以根據實際情況人為靈活的設定。

經過幾個月的運行試驗，每次停泵時都將水位排至最低，滿足下次啟泵時是用電低谷的條件。

2.3 自動輪詢機制

為了降低泵長時間運行導致的磨損程度加大，使用壽命快速減少的問題，根據現(xiàn)場情況設計了泵自動輪詢機制，同時充分考慮不同的供電回路和不同的排水水池。

平煤股份八礦二水平中央泵房有三個供電回路，兩個大水池，1#水池包括1號和2號泵，2#水池包括3號、4號和5號泵。對兩個水池中的泵分別設計自動運行順序表，如：一號水池泵序列為12，按順序啟動水泵，如1號水泵啟動完成（包括檢修、手動、半自動、全自動）后，啟動順序自動變成21，下次則首先啟動2號泵；二號水池345，按列表順序起動水泵，如3號水泵啟動完成（包括檢修、手動、半自動、全自動）后，列表順序自動變成453；這些啟動順序表實時在上位機界面上顯示，并且啟泵順序可以直接在上位機上進行修改。具體的排列順序如下：

一號水池循環(huán)順序為：12 21 12

二號水池循環(huán)順序為：345 453 534 345

這樣就避免了由于長期使用一臺泵或者一臺泵長期不使用造成的損害，有效提高了泵的利用率，也延長了泵的使用壽命。

2.4 全自動啟停機制

通過對三個月運行記錄進行分析，發(fā)現(xiàn)每臺水泵運行1個小時大約可以排出1.25個小時的礦山涌水量。為了能更好的提高泵的效率、節(jié)約生產成本，設置了參考水位3.3m、中間水位2.6m和距用電高峰或用電尖峰前3.5小時來作為啟、停泵的一個參考。

通常在用電低谷時段，達到高水位后自動啟動一臺泵，若要啟動第二臺泵須滿足水位低于3.3m或者距離用電高峰或用電尖峰前3.5小時，如14:30和4:30這兩個時間點（中間的水位和時間點可以在上位機進行調整）。這樣系統(tǒng)可以根據井下涌水量(季節(jié)變化、井下涌水量變化、天氣變化時)發(fā)生變化時進行微調，以最優(yōu)的方式完成排水任務。

在水倉水位達到中間水位2.6m時會自動停止一臺泵，另一臺泵繼續(xù)運行直到達到用電高峰或用電尖峰時間自動停止，或者達到設定的低水位2.3m也會自動停泵。

這樣不僅可以避免在用電高峰和尖峰時段開泵，而且也在最大程度上降低了泵的開停頻率，有效的節(jié)約了電資源，也延長了泵的使用壽命。

3 結論

通過合理的程序設計和對數據的分析處理，理論結合實際，經過對現(xiàn)場設備、系統(tǒng)程序的多次調整和實驗，平煤股份八礦排水系統(tǒng)創(chuàng)造性的解決了全自動運行中的幾個關鍵問題，實現(xiàn)了無人值守，有效減少了電費的消耗，為節(jié)能降耗做出了巨大貢獻。

［1］張廣龍，史麗萍.礦井中央稅泵房綜合自動化系統(tǒng)的設計模式[J].煤礦機電，2005（04）.

［2］譚國俊,韓耀飛,熊樹.基于PLC的中央泵房自動化設計[J].工礦自動化，2006.

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