煤礦水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：為解決傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作排水系統(tǒng)在礦井排水中排水能力小、自動(dòng)化程度低、操作過(guò)程繁瑣、應(yīng)急能力差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并應(yīng)用煤礦水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)水倉(cāng)水位及排水泵房各種設(shè)備相關(guān)參數(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)水泵實(shí)行數(shù)字化監(jiān)控，并結(jié)合利用構(gòu)建成的PLC自動(dòng)管控平臺(tái)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)傳輸接口模塊與設(shè)置在井下變電所的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，通過(guò)井上調(diào)度中心監(jiān)控所有排水泵等被控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)排水泵房電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控、聯(lián)動(dòng)控制，提升了井下排水泵房整體的運(yùn)行水準(zhǔn)，縮減平日運(yùn)行故障[4]，提高了水泵自動(dòng)化程度、簡(jiǎn)便了排水泵房操作過(guò)程、減少排水泵房崗位人員值守，同時(shí)也提高了礦井排水系統(tǒng)應(yīng)急能力、工作效率和安全性，達(dá)到了自動(dòng)化集控、無(wú)人值守、減人提效、降本節(jié)能的預(yù)期目標(biāo)，是煤礦水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。

關(guān)鍵詞：煤礦；水泵集控；自動(dòng)化系統(tǒng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；無(wú)人值守；減人提效；節(jié)能。

一、引言

在煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，排水系統(tǒng)是整個(gè)礦井生產(chǎn)流程的重要組成部分，特別是在中國(guó)著名的突水礦區(qū)焦作礦區(qū)中顯得尤為重要，排水系統(tǒng)不但要及時(shí)排出煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的積水，而且還要在涌水期間有良好的礦井水排出能力；然而目前中國(guó)大多數(shù)煤礦泵房排水都還是停留在泵房現(xiàn)場(chǎng)人員值守操作的排水系統(tǒng)層面，泵房排水系統(tǒng)仍然存在著系統(tǒng)操作繁瑣、管理難度大、自動(dòng)化程度比較低、應(yīng)急能力較差等問(wèn)題，所以對(duì)煤礦水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用就顯得尤為重要，對(duì)提高煤礦安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

焦作煤業(yè)集團(tuán)趙固（新鄉(xiāng)）能源有限責(zé)任公司積極響應(yīng)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”號(hào)召，率先探索設(shè)計(jì)與應(yīng)用煤礦水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)，代替人工現(xiàn)場(chǎng)值守，實(shí)現(xiàn)井下排水泵房等場(chǎng)所的無(wú)人值守，成功實(shí)現(xiàn)減少原有值守系統(tǒng)工作人員數(shù)量60%以上。其中以焦作煤業(yè)集團(tuán)趙固（新鄉(xiāng)）能源有限責(zé)任公司井下中央泵房為例，中央排水泵房共安裝有13臺(tái)水泵，配套電機(jī)功率均為1400kW，供電電壓選用10kV電壓等級(jí)，水倉(cāng)由2個(gè)6米深（內(nèi)、外）水倉(cāng)構(gòu)成，水倉(cāng)總?cè)莘e5600m?，向井上排水由4趟φ425mm管路組成，排水流量4000m3/h。采用“PLC主站+集控操作臺(tái)+操作按鈕箱”模式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程及就地自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)三種控制模式，三種控制模式可以自由切換。實(shí)現(xiàn)了“視頻、語(yǔ)音、控制”三網(wǎng)合一的水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)[1]，為煤礦生產(chǎn)的安全、高效、節(jié)能生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)有力的基礎(chǔ)[19]，達(dá)到了優(yōu)化排水系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制、無(wú)人值守[9]、降本節(jié)能的預(yù)期目標(biāo)。

二、水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)的組成

（一）水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)主要組成部分

系統(tǒng)主要由PLC主站、礦用操作臺(tái)、礦用控制箱、礦用視頻巡檢、礦用語(yǔ)音設(shè)備、礦用閥門、礦用傳感器等組成。

（二）水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、監(jiān)控

1.開(kāi)關(guān)量輸入：水泵運(yùn)行、故障；電動(dòng)閘閥開(kāi)到位、關(guān)到位、過(guò)力矩、遠(yuǎn)控；電動(dòng)球閥開(kāi)到位、關(guān)到位；礦用操作臺(tái)的遠(yuǎn)程、就地、自動(dòng)、手動(dòng)、啟動(dòng)、停止、急停、復(fù)位等。

2.開(kāi)關(guān)量輸出：水泵啟動(dòng)、停止；電動(dòng)閘閥開(kāi)、關(guān)；電動(dòng)球閥開(kāi)、關(guān)等。

3.模擬量輸入：壓力、真空度、液位、流量；水泵軸承溫度；電機(jī)軸承溫度、繞組溫度、電壓、電流；電動(dòng)閘閥的開(kāi)度。

4.視頻巡檢：限位信號(hào)、具體位置信號(hào)、視頻信號(hào)，前進(jìn)、后退、自動(dòng)定位等，為設(shè)備啟停提供依據(jù)[6]。

5.語(yǔ)音聯(lián)動(dòng)：語(yǔ)音通話；語(yǔ)音預(yù)警；故障報(bào)警等。

（三）水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

1.完善原有系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)顯示水倉(cāng)水位、水泵流量、真空度、電機(jī)電電壓、電動(dòng)球閥和電動(dòng)閘閥的狀態(tài)、電機(jī)和水泵的各部件溫度等 ，實(shí)時(shí)在線檢測(cè)水倉(cāng)水位，當(dāng)水位達(dá)到上限時(shí)能夠報(bào)警，自動(dòng)開(kāi)啟水泵；當(dāng)水位達(dá)到下限時(shí)，發(fā)出信號(hào)，自動(dòng)停泵（在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)）。

2.系統(tǒng)具有自動(dòng)，半自動(dòng)和手動(dòng)三種工作模式，并能在三種模式之間進(jìn)行切換，這種切換不會(huì)影響已經(jīng)運(yùn)行的水泵，以達(dá)到真正的無(wú)縫銜接。

3.排水自動(dòng)化系統(tǒng)具有完善的故障報(bào)警和保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到故障狀態(tài)時(shí)給出聲光報(bào)警，并在屏幕上顯示故障報(bào)警界面，等待操作人員處置；若在一定時(shí)間內(nèi)操作人員未給出應(yīng)答，則系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入開(kāi)停水泵程序 。

4.系統(tǒng)具有歷史記錄功能，記錄每臺(tái)水泵的運(yùn)行時(shí)間，啟動(dòng)次數(shù)。在各泵性能均衡的條件下，各泵采用輪換工作制。在各泵效率有差異時(shí)，系統(tǒng)優(yōu)先啟動(dòng)效率高的水泵；另外，系統(tǒng)還定期啟動(dòng)效率低的備用泵，以防其長(zhǎng)期閑置而損壞。

5.系統(tǒng)保留原手動(dòng)控制，即當(dāng)PLC控制系統(tǒng)故障時(shí)，可恢復(fù)原來(lái)的人工控制系統(tǒng)。

6.系統(tǒng)具有備用電源，當(dāng)電網(wǎng)停電后，系統(tǒng)可繼續(xù)工作2小時(shí)以上。

三、水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

（一）種控制及節(jié)能高效工作模式

采用“PLC主站+集控操作臺(tái)+操作按鈕箱”模式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程及就地自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)三種控制模式，三種控制模式可以自由切換。PLC接入方式為采用PLC、單片機(jī)等控制的子系統(tǒng)（水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)），管控服務(wù)器通過(guò)以太環(huán)網(wǎng)與PLC的以太網(wǎng)接口相連，且PLC的OPC Server安裝在管控服務(wù)器中與自動(dòng)化平臺(tái)中的管控服務(wù)器進(jìn)行信息交互。

根據(jù)水倉(cāng)水位及“避峰就谷”的用電管控措施[2]，自動(dòng)確定啟動(dòng)水泵臺(tái)數(shù)及排水時(shí)間，根據(jù)實(shí)時(shí)水倉(cāng)水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)[2]開(kāi)、停止水泵，對(duì)泵組實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控主機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制及報(bào)警顯示，以達(dá)到優(yōu)化控制，降低生產(chǎn)成本。另外為了使每臺(tái)水泵均勻磨損，降低故障風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)采用“輪循制”來(lái)工作。以每臺(tái)機(jī)組的累積時(shí)間為依據(jù)，自動(dòng)選擇投入運(yùn)行的水泵，使每臺(tái)水泵使用的時(shí)間保持均衡，保證設(shè)備磨損的平衡，降低故障率。

（二）視頻移動(dòng)巡檢

系統(tǒng)可以配套“水泵房視頻巡檢裝置”，實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水泵的視頻自動(dòng)巡檢，可以人工定位巡檢裝置進(jìn)行定點(diǎn)觀察，也可以進(jìn)行自動(dòng)往返巡檢。系統(tǒng)啟動(dòng)水泵時(shí)，巡檢裝置可以自動(dòng)移動(dòng)到相應(yīng)的水泵，進(jìn)行視頻監(jiān)控。水泵出現(xiàn)故障時(shí)，可以自動(dòng)定位到故障水泵，便于進(jìn)行故障診斷。

（三）高效數(shù)據(jù)分析

煤礦井下排水系統(tǒng)耗電量大，運(yùn)行成本高，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)單臺(tái)水泵數(shù)據(jù)的查詢與分析，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行輔助評(píng)價(jià)，做出適時(shí)維護(hù)決策，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的超前檢修，以焦作煤業(yè)集團(tuán)趙固（新鄉(xiāng)）能源有限責(zé)任公司為例，井下主排水泵房三個(gè)，水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)前后崗位人員需要情況對(duì)比表如下：

四、水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（一）開(kāi)啟水泵的程序優(yōu)化，在水泵啟動(dòng)完成后再打開(kāi)出水口閘閥，可使水泵電機(jī)啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)時(shí)間短[7]、設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定。

（二）泵房所有水泵機(jī)組地位平等，可以隨時(shí)就地檢修，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間能夠自檢，如果出現(xiàn)故障可以立刻投入其他機(jī)組運(yùn)行，不影響井下排水[8]。

（三）可實(shí)現(xiàn)水泵均勻運(yùn)行磨損：每臺(tái)水泵正常啟動(dòng)以后記錄其運(yùn)行時(shí)間，然后進(jìn)行累計(jì)，在住循環(huán)中計(jì)算出開(kāi)泵時(shí)間累計(jì)最短并且處于正常狀態(tài)和自動(dòng)方式的泵等待下一次啟動(dòng)[8]。

（四）根據(jù)水泵電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，了解水泵的運(yùn)行效率，為水泵的維護(hù)保養(yǎng)提供科學(xué)依據(jù)，延長(zhǎng)水泵設(shè)備的使用壽命，減少發(fā)生事故的停機(jī)時(shí)間，提高水泵的運(yùn)行效率[10]。

五、結(jié)束語(yǔ)

水泵集控自動(dòng)化系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控“水泵房視頻巡檢裝置”監(jiān)控水泵狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)“井下無(wú)人值守”，從根本上解決了生產(chǎn)效率低下、人員不足等問(wèn)題，完善了原有系統(tǒng)設(shè)備的檢測(cè)缺陷，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及時(shí)判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在線狀態(tài)檢測(cè)，有效的做到了設(shè)備預(yù)維修。

實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守”、“避峰就谷”，有效降低了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性，同時(shí)也起到了節(jié)能降耗的作用；實(shí)現(xiàn)了設(shè)備集中監(jiān)控[3]，減少了現(xiàn)場(chǎng)的操作人員，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，切實(shí)的為礦山企業(yè)等帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益，為“數(shù)字化”、“智能化”礦山的建設(shè)奠定了堅(jiān)定的基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：陳鵬飛（1989-），男，河南扶溝人，助理工程師，2014年7月畢業(yè)于河南理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事煤礦機(jī)電管理工作。