機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化改造及維護(hù)探析

韓澤飛

（山西高河能源有限公司，山西長(zhǎng)治 047100）

0 前言

對(duì)于煤礦企業(yè)來(lái)說(shuō)，機(jī)電設(shè)備在煤礦開(kāi)采中發(fā)揮著極大的作用。但是在煤礦開(kāi)采中，很多煤礦由于開(kāi)采時(shí)間較長(zhǎng)，設(shè)備投入運(yùn)行的時(shí)間也較長(zhǎng)，機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)不少依舊是采用繼電接觸式控制方式。此種控制方式要求安裝非常多的繼電控制裝置，而且在控制動(dòng)作執(zhí)行過(guò)程中不夠迅速，很難開(kāi)展相對(duì)復(fù)雜的控制工作，在實(shí)際控制過(guò)程中線路的節(jié)點(diǎn)位置較多，極易發(fā)生故障問(wèn)題，而且機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的能耗也較大，運(yùn)行效率較低。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的過(guò)程中，很多煤礦企業(yè)逐漸對(duì)以往所使用的繼電控制系統(tǒng)通過(guò)PLC技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加以改造，確保對(duì)繼電設(shè)備的自動(dòng)化控制[1]。通過(guò)設(shè)備的自動(dòng)化改造，希望達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)，同時(shí)希望能夠增加設(shè)備運(yùn)行的安全性以及效率。

在煤礦生產(chǎn)之中井下排水系統(tǒng)是極為重要的系統(tǒng)，同時(shí)也是礦井五大系統(tǒng)之一，排水設(shè)備運(yùn)行情況將對(duì)整個(gè)礦井生產(chǎn)造成直接影響。由于煤礦開(kāi)采時(shí)，不同來(lái)源的地下水持續(xù)涌近礦井，要想保證煤礦開(kāi)采工作的正常進(jìn)行，同時(shí)確保井下作業(yè)人員的人身安全，要求應(yīng)當(dāng)將井下涌水及時(shí)排出地面[2]。要求礦井排水系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)擁有更高的自動(dòng)化水平，這樣才能確保礦井排水的安全性，為煤礦開(kāi)采工作提供可靠的保障。

1 礦井概況

某煤礦采用的開(kāi)采方式為豎井開(kāi)采，開(kāi)采過(guò)程中礦井的涌水量相對(duì)大，礦井全天排水量均值是142 m3/h，雨季單天最大排水量高達(dá)306 m3/h。礦井注水泵站的水倉(cāng)設(shè)置為一主兩副形式，之所以設(shè)置兩個(gè)副水倉(cāng)設(shè)置，主要是為了能夠輪流開(kāi)展沉淀工作，以便工作人員有時(shí)間對(duì)涌水之中夾雜的雜物、淤泥以及砂石細(xì)顆粒等進(jìn)行清理，從而確保主水倉(cāng)之中水體質(zhì)量。主水倉(cāng)的容積值達(dá)500 m3，副水倉(cāng)的容積值達(dá)200 m3。所使用的排水泵為DAI型離心式水泵，水泵揚(yáng)程值為246 m，額定流量為160 m3/h。水泵排水系統(tǒng)一共包含有兩路排水管道，直接和地面相通，其中一個(gè)正常使用而另外一個(gè)作為備用，管道的直徑是150 mm。在進(jìn)水過(guò)程中是利用真空水箱人工注水方法，應(yīng)用的控制方式依舊為繼電器控制方式，為了有效地對(duì)排水系統(tǒng)加以控制，還安排了專(zhuān)門(mén)人員完成具體的系統(tǒng)操作工作，整個(gè)控制過(guò)程自動(dòng)化水平相對(duì)落后[3]。在水泵的開(kāi)啟、停運(yùn)以及切換等過(guò)程中，均需要借助人工操作，很大程度上依賴(lài)于工作人員自身經(jīng)驗(yàn)，而且人工勞動(dòng)強(qiáng)度較高，控制效率較低，水泵在開(kāi)啟、停運(yùn)以及實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)等無(wú)法得以有效監(jiān)測(cè)。

2 水泵系統(tǒng)排水中可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作的過(guò)程

在水泵設(shè)備的控制系統(tǒng)之中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的環(huán)節(jié)有以下幾個(gè)：注水環(huán)節(jié)、閘閥操作環(huán)節(jié)、水位監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)、電機(jī)開(kāi)啟與停運(yùn)環(huán)節(jié)、故障監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)以及參數(shù)信息傳輸環(huán)節(jié)。

（1）注水環(huán)節(jié)。在水泵運(yùn)行之前，要求水泵應(yīng)當(dāng)事先注滿(mǎn)水之后，確保水泵設(shè)備中葉輪部件能夠全部浸沒(méi)在水里，這樣在葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，才可以確保水泵內(nèi)部形成一定真空度，從而使得水泵能夠達(dá)到排水的目的。要是水泵內(nèi)部的真空度較小，水泵之中存在空氣會(huì)導(dǎo)致無(wú)法上水，或者出現(xiàn)汽蝕問(wèn)題。在自動(dòng)注水操作中，通常采用的方式為加設(shè)射流泵加以實(shí)現(xiàn)[4]。

（2）閘閥操作環(huán)節(jié)。在水泵開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保出水閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，而在水泵停止運(yùn)行時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保閘閥事先關(guān)閉，這樣才能有效防治水錘問(wèn)題出現(xiàn)，確保水流量能夠逐步減少，此時(shí)才能夠停車(chē)。而要想達(dá)到上述要求，完成閘閥自動(dòng)操作，要采用適宜于井下排水的閘閥裝置，這樣才能確保水泵系統(tǒng)自動(dòng)化控制功能得以實(shí)現(xiàn)。

（3）電動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制環(huán)節(jié)。在對(duì)排水設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化改造的過(guò)程中，其中最為重要的工作便是確保水泵電機(jī)設(shè)備開(kāi)啟以及停運(yùn)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化控制，其包含有PLC控制裝置、繼電器裝置和接觸器裝置等，在自動(dòng)化控制改造過(guò)程中，根據(jù)水倉(cāng)之中具體水位值，自動(dòng)完成水泵開(kāi)啟與停運(yùn)工作[5]。為了確保備用水泵在長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)的狀況之下電機(jī)線圈不會(huì)由于受潮濕而發(fā)生故障，在具體的運(yùn)行過(guò)程中采取輪換運(yùn)行方式，這樣便能夠確保水泵設(shè)備在發(fā)生問(wèn)題情況下能夠及早被發(fā)現(xiàn)。

（4）水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)。若想實(shí)現(xiàn)排水設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行，要求必須對(duì)水倉(cāng)之中水位進(jìn)行自動(dòng)化的監(jiān)控，這一工序之中最為關(guān)鍵的內(nèi)容是要保證實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)水位情況加以監(jiān)控?，F(xiàn)階段，在對(duì)水位監(jiān)測(cè)過(guò)程中可以使用超聲波液位傳感裝置以及投入式液位傳感裝置。

3 自動(dòng)排水系統(tǒng)的改造與維護(hù)

3.1 自動(dòng)排水系統(tǒng)改造原理分析

在經(jīng)過(guò)改造之后，排水系統(tǒng)的進(jìn)水端口使用的是無(wú)底閥門(mén)，并且利用真空注水桶完成自動(dòng)注水以及排水作業(yè)，在出口位置設(shè)置型號(hào)為JD745的控制閥門(mén)。在對(duì)主水倉(cāng)之中水位信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)過(guò)程中，利用液位傳感裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作。在出口位置設(shè)置有壓力傳感裝置，以便對(duì)排水過(guò)程中的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在對(duì)電動(dòng)機(jī)以及水泵進(jìn)行監(jiān)測(cè)過(guò)程中，采用電流傳感裝置以及溫度傳感裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)[6]。并且，在水泵的排水管道之上還設(shè)置有電磁流量監(jiān)測(cè)裝置，該裝置主要是用來(lái)監(jiān)測(cè)排水管道之中的流量。PLC控制裝置則依照水倉(cāng)之中不同水位情況以及電網(wǎng)之中峰谷不同時(shí)段，來(lái)確定水泵的具體開(kāi)啟或者停運(yùn)操作，并且計(jì)算水泵開(kāi)啟的數(shù)量。PLC裝置還會(huì)對(duì)注水電磁閥門(mén)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，在水泵啟動(dòng)過(guò)程中采用直接啟動(dòng)方式。

（1）水泵設(shè)備的啟動(dòng)：首先完成電動(dòng)閥門(mén)的啟動(dòng)工作，并且往水泵腔體之中注入水，在經(jīng)過(guò)1 min之后電動(dòng)閥門(mén)將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)水泵設(shè)備便開(kāi)始啟動(dòng)，在水泵出水之后控制閘閥便會(huì)依照兩邊不同的壓力差值而自動(dòng)、緩慢開(kāi)啟，最后完成整個(gè)水泵開(kāi)啟工作。

（2）水泵設(shè)備的停運(yùn)：水泵停止運(yùn)行過(guò)程中，多功能閘閥會(huì)依照兩端的壓差值而自動(dòng)、緩慢關(guān)閉。

（3）被控制對(duì)象：在自動(dòng)化操作過(guò)程中，所控制主要對(duì)象包含有安裝于管道之中的電動(dòng)閥門(mén)以及自動(dòng)注水閥門(mén)。

在水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)之中，利用PLC裝置對(duì)水泵具體運(yùn)行信息進(jìn)行收集。傳感裝置會(huì)收集水倉(cāng)之中水位的具體波動(dòng)情況，而且會(huì)把所收集的水位信號(hào)加以轉(zhuǎn)換，從而得出單位時(shí)間之中各個(gè)水位段的水位具體上升情況，對(duì)井下涌水量進(jìn)行判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果對(duì)水泵的開(kāi)啟以及停運(yùn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[7]。井下水泵自動(dòng)控制流程示意圖如圖1所示。

圖1 井下水泵自動(dòng)控制流程示意圖

3.2 自動(dòng)化改造控制方案

3.2.1 水泵啟動(dòng)過(guò)程

（1）確定需要開(kāi)啟的水泵設(shè)備以及對(duì)應(yīng)管路；

（2）完成水泵的啟動(dòng)自動(dòng)化操作。

3.2.2 水泵停運(yùn)過(guò)程

（1）確定需要停運(yùn)的水泵設(shè)備以及對(duì)應(yīng)管路；

（2）完成水泵的停運(yùn)自動(dòng)化操作。

3.2.3 應(yīng)急水泵啟動(dòng)過(guò)程

若是集控裝置發(fā)生失效問(wèn)題，便會(huì)啟動(dòng)水泵就地控制系統(tǒng)，也就是借助于組合開(kāi)關(guān)柜裝置完成水泵設(shè)備的開(kāi)啟以及停運(yùn)操作。

3.2.4 水位實(shí)施監(jiān)測(cè)和保證避峰就谷

要想確保排水系統(tǒng)能夠達(dá)到煤礦開(kāi)采作業(yè)中的相關(guān)要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)避峰就谷的用電目標(biāo)，進(jìn)行自動(dòng)化程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合煤礦井下的涌水量現(xiàn)狀，把水倉(cāng)從下往上劃分成了4個(gè)不同的水位線，分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)以及4號(hào)水位線。若是水位在2號(hào)水位線之下，則表明此時(shí)水位為安全水位；若是水位位于2號(hào)水位線以及3號(hào)水位線之間，則表明此時(shí)水位為低警戒水位；若是水位位于3號(hào)水位線以及4號(hào)水位線之間，則表明此時(shí)水位為中等警戒水位；若是水位在4號(hào)水位線之上，則表明此時(shí)水位為高警戒水位。要是水位達(dá)到了4號(hào)警戒線位置，則系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在對(duì)水倉(cāng)之中水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，采用的2臺(tái)安裝于水倉(cāng)相同高度的超聲波液位傳感裝置[8]。

若想達(dá)到節(jié)約電能的目標(biāo)，便應(yīng)當(dāng)確保能夠?qū)崿F(xiàn)避峰就谷的用電目標(biāo)，不過(guò)由于礦井的作業(yè)環(huán)境相對(duì)較差，首先應(yīng)當(dāng)考慮的是系統(tǒng)運(yùn)行安全性。所以，在進(jìn)行水泵設(shè)備開(kāi)啟的判斷操作時(shí)，首先要分析水倉(cāng)之中水位波動(dòng)情況，然后再盡可能達(dá)到避峰就谷的用電要求。

（1）若是水位位于2號(hào)水位線位置，要是此時(shí)用電時(shí)間為平段或者谷段，則要求應(yīng)即刻開(kāi)啟水泵，要是此時(shí)用電時(shí)間為峰段，則應(yīng)當(dāng)暫時(shí)延遲水泵啟動(dòng)時(shí)間。

（2）若是水位位于3號(hào)水位線位置，那么不管是在哪一種用電時(shí)段，均要求即刻開(kāi)啟水泵進(jìn)行排水作業(yè)。

（3）要是只有1臺(tái)水泵投入運(yùn)行，水位依舊出現(xiàn)上升問(wèn)題，此時(shí)應(yīng)當(dāng)即刻開(kāi)啟另外1臺(tái)水泵設(shè)備。

（4）若是出現(xiàn)了較為緊急的狀況，例如井下出現(xiàn)較大的涌水量，則不管是電網(wǎng)用電情況怎樣，均必須同時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)工作水泵進(jìn)行排水作業(yè)，而且還要啟動(dòng)備用水泵同時(shí)進(jìn)行排水作業(yè)。

4 排水系統(tǒng)自動(dòng)化改造的優(yōu)勢(shì)分析

（1）在對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造的過(guò)程中，應(yīng)用CP1H作為整個(gè)系統(tǒng)的主要控制裝置，由于該裝置性能非常穩(wěn)定，從而確保了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提升。

（2）通過(guò)自動(dòng)控制的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)井下水泵房無(wú)人值守目標(biāo)。

（3）自動(dòng)控制系統(tǒng)可以自動(dòng)完成水泵設(shè)備開(kāi)啟與停運(yùn)操作，依照水倉(cāng)之中水位具體情況，若是水位出現(xiàn)高、低限，或者是水位的增長(zhǎng)速率較快情況下，可以實(shí)時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

（4）在集控顯示設(shè)備之中能夠?qū)崟r(shí)的發(fā)布設(shè)備運(yùn)行情況，并且可以顯示出水倉(cāng)之中水位變化數(shù)據(jù)，出現(xiàn)故障問(wèn)題對(duì)應(yīng)的故障點(diǎn)還會(huì)不斷閃爍，以發(fā)出報(bào)警信號(hào)。