自動(dòng)化控制技術(shù)在礦井供排水系統(tǒng)的應(yīng)用

李繼軍，白茹璽，梁占澤，謝 進(jìn)，王泰基

(神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

多數(shù)煤礦井下采空區(qū)積水首先排到中轉(zhuǎn)水倉，再將水排至地面，經(jīng)過處理后排到河渠中，而井下供水系統(tǒng)使用的水來自地面的自來水，這樣的供排水系統(tǒng)至少需要兩趟水管來聯(lián)通井下和地面，與此同時(shí)，還需不等量的水泵和開關(guān)等設(shè)備[1-2]。

大柳塔煤礦活雞兔井將井下采空區(qū)積水經(jīng)過處理變成供水所需的水，這樣就能減去中間管路、水泵、開關(guān)等設(shè)備。礦內(nèi)經(jīng)過商討，決定將大柳塔煤礦活雞兔井22302采空區(qū)泄水點(diǎn)的水通過同創(chuàng)排水開關(guān)排至1 800 m外的1#水倉，1#水倉內(nèi)的水經(jīng)過復(fù)用水泵房設(shè)備的處理后流入2#水倉，2#水倉中的水就變成了供水系統(tǒng)的水源，經(jīng)加壓后再流向礦井各處供水管。

在此過程中，各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)過井下網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面，地面服務(wù)器與井下設(shè)備直接或間接進(jìn)行連接，在地面調(diào)度室就可以看到井下各系統(tǒng)的運(yùn)行情況，也可對(duì)各設(shè)備進(jìn)行操作，若出現(xiàn)故障、報(bào)警，即可查看故障、報(bào)警信息，也可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從而可提高礦井各系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，保證礦井的安全生產(chǎn)。

1 各系統(tǒng)的組成

22302采空區(qū)泄水點(diǎn)是活雞兔2-2煤三盤區(qū)采空區(qū)積水的集中泄水點(diǎn)，目前，泄水量在150 m3/h左右。該泄水點(diǎn)排水系統(tǒng)使用2臺(tái)濟(jì)寧同創(chuàng)生產(chǎn)的KXJ-2×120/1140(660)S礦用隔爆兼本質(zhì)安全型雙回路水泵水位控制器，4臺(tái)200 m3/h的排水泵、4個(gè)逆止閥和壓力計(jì)，壓力計(jì)安裝在采空區(qū)泄水密閉墻2 m處的水管上，四趟DN200的PVC排水管路，一趟去水處理泵房，一趟流向三盤區(qū)中轉(zhuǎn)水倉，另外兩趟為前兩趟的備用管路，在距離泄水密閉墻200 m的四趟排水管上分別安裝了一臺(tái)排水泵和逆止閥。

水處理系統(tǒng)使用由遼陽市凈水設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的BJI-Ⅱ系列煤礦井下復(fù)用水處理設(shè)備，該系統(tǒng)共有六套水處理設(shè)備，主要設(shè)備有：主機(jī)設(shè)備、8臺(tái)水泵、6臺(tái)除鐵除錳設(shè)備、7臺(tái)PLC控制箱、液位控制儀、流量控制儀及電腦主機(jī)等。每臺(tái)設(shè)備的水處理量為65 m3/h，經(jīng)過處理的出水水質(zhì)符合GB/T 19923-2005工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求：渾濁度≤5 NTU，鐵≤0.3 mg/L，錳≤0.1 mg/L，水處理系統(tǒng)的設(shè)備工藝流程，如圖1所示。

圖1 設(shè)備工藝流程

供水系統(tǒng)中加壓泵房的控制器是4臺(tái)淮南萬泰生產(chǎn)的BPJ1系列礦用隔爆兼本質(zhì)安全型變頻器，其余系統(tǒng)設(shè)備有：4臺(tái)電機(jī)、4臺(tái)加壓泵、4個(gè)壓力計(jì)、4個(gè)電動(dòng)閥、兩趟管路流量計(jì)、液位計(jì)等。加壓泵出口壓力達(dá)2.5 MPa左右，通常該加壓泵房由2臺(tái)加壓泵運(yùn)行，2臺(tái)泵出口流量在130 m3/h左右，可滿足活雞兔井井下生產(chǎn)用水需求。

井下2個(gè)水倉的情況是：2#水倉的規(guī)格為14 m×5 m×5 m，水處理的主機(jī)設(shè)備內(nèi)倉規(guī)格是4.8 m×2.8 m×2.6 m，由于水處理的主機(jī)設(shè)備容水量較小，配有2個(gè)14 m×5 m×2.6 m的水倉，這2個(gè)水倉的水都可自然流入水處理的主機(jī)設(shè)備，這2個(gè)水倉和水處理主機(jī)設(shè)備的相對(duì)高度是一樣的，三者合起來構(gòu)成了1#水倉。

2 自動(dòng)化控制在三系統(tǒng)的應(yīng)用及數(shù)據(jù)上傳

2.1 排水系統(tǒng)

泄水點(diǎn)的排水系統(tǒng)設(shè)備控制主要是對(duì)同創(chuàng)雙回路水泵水位控制器的控制，該控制器是一種新型電機(jī)開關(guān)，電壓是660 V，電流為5～200 A交流異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)、停止或反轉(zhuǎn)，該控制器集檢測、控制、保護(hù)于一體，可通過液晶顯示和鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能，具有故障記憶及故障查詢功能，其斷相、過載、短路等保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)完全模擬電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱散熱曲線，對(duì)電機(jī)的保護(hù)切實(shí)有效[3-5]。控制器可實(shí)現(xiàn)控制礦用水泵，以及將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到地面，是KJ701煤礦排水監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分。

此控制器在手動(dòng)方式下控制礦用潛水泵時(shí)可以實(shí)現(xiàn)即可單獨(dú)啟動(dòng)主副2個(gè)回路，也可以同時(shí)啟動(dòng)主副2個(gè)回路，也可以通過上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)方控制，并監(jiān)控實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)在統(tǒng)一提供的控制軟件平臺(tái)(平臺(tái)選用國際主流組態(tài)軟件wincc)上進(jìn)行軟件的開發(fā)，軟件采用組態(tài)軟件、模塊化設(shè)計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)畫面和用戶組態(tài)畫面上設(shè)定、匯集和顯示有關(guān)的運(yùn)行信息，供調(diào)度員對(duì)設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)視和控制。

采用工業(yè)組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控軟件，以RS485總線形式與開關(guān)通信來讀取開關(guān)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可通過千兆以太網(wǎng)或光纜和地面調(diào)度中心通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可通過MPI總線形式于泵房內(nèi)就地操作屏通信實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)并可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用了西門子可編程控制器作為底層核心控制元件(根據(jù)系統(tǒng)的大小采用S7-200)，系統(tǒng)分為就地操作和遠(yuǎn)方操作，就地操作和顯示采用文本顯示器；遠(yuǎn)方操作采用上位機(jī)操作。上位機(jī)安裝西門子wincc組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控(模擬工作狀態(tài))、報(bào)警及控制等。

2.2 復(fù)用水處理系統(tǒng)

水處理系統(tǒng)采用的復(fù)用水處理設(shè)備可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)、沉淀、過濾3個(gè)主要工藝的處理，在井下最主要的設(shè)備是水處理的主機(jī)設(shè)備，該設(shè)備在井下的安裝視圖如圖2所示，從圖中可以看出水處理主機(jī)設(shè)備的主要構(gòu)造。

圖2 井下復(fù)用水處理設(shè)備安裝主視圖

復(fù)用水處理設(shè)備的控制方式采用自動(dòng)、手動(dòng)2種控制方式，在自動(dòng)運(yùn)行模式下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)反沖，手動(dòng)狀態(tài)可根據(jù)實(shí)際狀態(tài)控制閥門開關(guān)和泵的啟停。系統(tǒng)整改工作，由PLC可編程序控制器進(jìn)行控制。在整套自動(dòng)化控制系統(tǒng)內(nèi)，PLC通過二次儀表進(jìn)行現(xiàn)場信號(hào)采集，進(jìn)行運(yùn)算并作出判斷，根據(jù)判斷結(jié)果發(fā)出指令，控制整套設(shè)備內(nèi)的閥門，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工藝運(yùn)行所必需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信及上位監(jiān)視和管理作用。

在主機(jī)電腦上安裝“組態(tài)王6.55”軟件，通過組態(tài)軟件讓主機(jī)電腦和主控PLC控制器連接，在主機(jī)電腦上進(jìn)行圖像界面的創(chuàng)建及對(duì)應(yīng)的變量鏈接[5]，同時(shí)，可以在主機(jī)電腦上對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

為了保證生產(chǎn)過程的安全可靠性和生產(chǎn)的連續(xù)性，提高自動(dòng)化水平，并適應(yīng)整個(gè)工藝需要，該系統(tǒng)采用以AB公司可編程控制器為主的集中和分散相結(jié)合的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全工藝參數(shù)、電氣參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、控制、連鎖和報(bào)警，通過使用在主站和遠(yuǎn)程站間的一系列通訊鏈，完成整個(gè)工藝流程所必需的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、順序控制、時(shí)間控制及上位監(jiān)視作用。

2.3 供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)的控制部分主要集中在加壓泵房設(shè)備控制，以控制加壓泵的變頻器為重點(diǎn)控制對(duì)象，通過對(duì)其它設(shè)備(電動(dòng)閥、壓力計(jì)、流量計(jì)等)的數(shù)據(jù)采集輔佐于控制變頻器[6-8]。這些設(shè)備的數(shù)據(jù)都集中在華光PLC柜內(nèi)，其中變頻器的控制線是通過DH+線連接，這樣大大增加了控制的穩(wěn)定性。

在對(duì)井下加壓泵自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)和制作前，應(yīng)知道加壓泵的啟動(dòng)和停止流程，如圖3所示，是加壓泵啟動(dòng)過程流程圖；停泵相對(duì)比較簡單，如圖4所示。

圖3 加壓泵房泵啟動(dòng)流程圖

圖4 加壓泵房停泵流程圖

在華光PLC控制柜內(nèi)有ControlLogix 1756-L6系列的控制器、電源模塊、數(shù)字量I/0模塊、模擬量I/0模塊、通訊模塊等，控制器中又裝有預(yù)先編寫好的程序，ControlLogix系列的控制器使用的程序是用Rockwell軟件編寫的梯形圖程序。

3 綜合應(yīng)用

3.1 綜合應(yīng)用存在問題及設(shè)計(jì)方案

在介紹了各系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)的自動(dòng)化控制后，若要是將泄水點(diǎn)的排水、水處理、供水三系統(tǒng)綜合起來自動(dòng)化控制就存在問題，問題是各個(gè)系統(tǒng)屬于不同的廠家，應(yīng)用的控制軟件是3種不同的軟件，其自動(dòng)化控制的數(shù)據(jù)協(xié)議也不相同，它們之間的數(shù)據(jù)無法共享，進(jìn)而也無法實(shí)現(xiàn)相互間的自動(dòng)化控制。為了解決這一問題，達(dá)到相互間的自動(dòng)化控制，可使用以下兩種方案。

方案一：在2#水倉內(nèi)(供水系統(tǒng)水倉)裝一水位開關(guān)，其接線連到水處理系統(tǒng)的主控PLC控制箱內(nèi)，水處理系統(tǒng)的設(shè)備啟停根據(jù)2#水倉內(nèi)的水位開關(guān)的閉合(斷開)而動(dòng)作；同理，在1#水倉內(nèi)(水處理系統(tǒng)水倉)裝一水位開關(guān)，其接線連到泄水點(diǎn)排水開關(guān)內(nèi)(開關(guān)內(nèi)裝有PLC控制器)，排水開關(guān)的啟停根據(jù)1#水倉內(nèi)的水位開關(guān)的閉合(斷開)而動(dòng)作。

方案二：將三系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成同一種協(xié)議，用一個(gè)軟件對(duì)3個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制，三系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)就可相互應(yīng)用，這樣三系統(tǒng)自動(dòng)化控制就變得非常容易。

兩種方案的對(duì)比：方案一在控制方面比方案二穩(wěn)定性高一些，但它需要消耗一定的纜線和傳感器，同時(shí)，增加了一定的維護(hù)工作；雖然方案二較方案一存在一定的控制不穩(wěn)定性，但由于它們各系統(tǒng)仍可獨(dú)自運(yùn)行，若三系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)出現(xiàn)問題，它們可單獨(dú)運(yùn)行，與此同時(shí)，也有報(bào)警出現(xiàn)，故也不會(huì)造成故障或損失，下面將對(duì)方案二進(jìn)行具體的論述。

3.2 三系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的具體做法

考量現(xiàn)在應(yīng)用的設(shè)備資源，在神東使用的PSI mining系統(tǒng)即區(qū)域生產(chǎn)指揮控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)三系統(tǒng)的包容，但PSI mining系統(tǒng)需要OPC協(xié)議。根據(jù)系統(tǒng)要求，將三系統(tǒng)的上傳至地面服務(wù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成OPC協(xié)議，在PSI mining系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)控畫面的創(chuàng)建和相應(yīng)數(shù)據(jù)鏈接，實(shí)現(xiàn)了在PSI mining系統(tǒng)中對(duì)三系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。

經(jīng)現(xiàn)場測量得，1#水倉的水位不得低于0.45 m、高于2.6 m，那泄水點(diǎn)的排水開關(guān)水位控制點(diǎn)取0.5 m和2.5 m，也就是說，當(dāng)1#水倉的液位計(jì)低至0.5 m時(shí)，排水開關(guān)主泵啟動(dòng)，當(dāng)1#水倉的液位計(jì)升至2.5 m時(shí)，排水開關(guān)主泵停止，這樣排水開關(guān)就根據(jù)1#液位計(jì)的變化而自動(dòng)啟停。

通過分析，在PSI mining系統(tǒng)中對(duì)排水開關(guān)進(jìn)行程序啟動(dòng)工程的編輯，1#水倉的液位計(jì)屬于水處理系統(tǒng)的液位計(jì)，在獨(dú)立的系統(tǒng)中，排水開關(guān)是無法獲取到此數(shù)據(jù)的。同理，可對(duì)排水開關(guān)進(jìn)行程序停止工程的編輯。

若要獲知排水系統(tǒng)的設(shè)備每個(gè)啟停周期的運(yùn)行和停止時(shí)間，計(jì)算如下：當(dāng)液位計(jì)達(dá)到0.5 m時(shí)，排水泵啟動(dòng)；達(dá)到2.5 m時(shí)，排水泵停止；水的容量V=(2×14×5+4.8×2.8)×(2.5-0.5)=306.88 m3，每臺(tái)水處理泵的流量是65 m3/h，每臺(tái)排水泵的流量是200 m3/h。當(dāng)2臺(tái)水處理泵運(yùn)行時(shí)，排水泵運(yùn)行時(shí)間T運(yùn)行=306.88÷(200-65×2)=4.384 h，排水泵停止時(shí)間T停止=306.88÷(65×2)=2.36 h；當(dāng)3臺(tái)水處理泵運(yùn)行時(shí)，排水泵運(yùn)行時(shí)間T運(yùn)行=306.88÷(200-65×3)=61.376 h，排水泵停止時(shí)間T停止=306.88÷(65×2)=1.57 h。

由于供水泵的流量約為150 m3/h，故水處理系統(tǒng)有2臺(tái)水泵一直運(yùn)行，第3臺(tái)泵的啟停受控于2#水倉液位計(jì)的變化。通過分析和結(jié)合井下實(shí)際情況可知，當(dāng)2#水倉的液位計(jì)低至0.8 m時(shí)，水處理泵開關(guān)啟動(dòng)；當(dāng)2#水倉的液位計(jì)升至4.8 m時(shí)，水處理泵開關(guān)停止。在PSI mining系統(tǒng)中對(duì)水處理泵開關(guān)進(jìn)行程序停止工程的編輯，同理，可對(duì)水處理泵開關(guān)進(jìn)行程序啟動(dòng)工程的編輯。

通過在PSI mining系統(tǒng)中的編程設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)三系統(tǒng)相互間的自動(dòng)化控制，三系統(tǒng)的數(shù)據(jù)得到綜合應(yīng)用。另外，系統(tǒng)中還有2點(diǎn)需要說明：一是，泄水點(diǎn)排水系統(tǒng)另一個(gè)開關(guān)根據(jù)水倉內(nèi)的壓力而啟停，將水排至中轉(zhuǎn)水倉；二是，水處理系統(tǒng)的1#～6#水泵是順序啟動(dòng)，它們之間的順序可以手動(dòng)預(yù)先制定好，從而可保證6臺(tái)設(shè)備運(yùn)行的運(yùn)行時(shí)間相對(duì)均衡。

4 結(jié)語

通過將煤礦井下采空區(qū)泄水點(diǎn)的排水系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、供水系統(tǒng)三系統(tǒng)原有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的OPC協(xié)議，在PSI mining系統(tǒng)中對(duì)3個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了編程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了三系統(tǒng)相互間的自動(dòng)化控制，使得自動(dòng)化控制在3個(gè)系統(tǒng)中得到綜合應(yīng)用。同時(shí)，保留了原來各系統(tǒng)的獨(dú)立自動(dòng)化控制，倘若PSI mining系統(tǒng)存在問題而無法自動(dòng)化控制井下三系統(tǒng)時(shí)，可以在各自上位機(jī)對(duì)三系統(tǒng)進(jìn)行啟停操作，保證井下供排水系統(tǒng)正常運(yùn)作。

自動(dòng)化控制在煤礦井下供排水系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，是工業(yè)計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化控制的典型案例，對(duì)三系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行過程進(jìn)行自動(dòng)檢測和自動(dòng)化控制，使設(shè)備達(dá)到最佳工作狀態(tài)，從而達(dá)到降低設(shè)備運(yùn)行成本，延長了設(shè)備的使用壽命。減少了井下崗位工，降低了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了礦井效益，提升了煤礦安全管理水平。