水泵自動化在大柳煤礦的應用與研究

賀 強 馬登程 華亭煤業(yè)大柳煤礦有限公司

1 引言

隨著我國在煤炭開采技術方面不斷的開展，大柳煤礦跟隨國情正朝著現(xiàn)代化高產、高效、集約化生產的方向發(fā)展進步著，出產設備和操作配套設備日益先進。在日常煤礦的開采過程中，井下排水系統(tǒng)要求能夠及時的、高效地將井下涌水排出井外，防止水害事故的發(fā)作，確保礦井出產的安全。在地下的排水系統(tǒng)中，水泵設備起著最至關重要的作用。日常工作中如果排水系統(tǒng)中的水泵出現(xiàn)故障，不僅會對煤礦的正常開采運行造成影響，還會發(fā)生水淹井的安全事故。是對地下作業(yè)者安全的嚴重威脅。因而，井下排水系統(tǒng)對確保礦井出產的安全安穩(wěn)非常重要。開展自動泵系統(tǒng)，對井下排水作業(yè)進行自動控制，對確保礦井出產安全具有重要意義。

2 水泵自動化裝置的組成與系統(tǒng)工作原理

2.1 系統(tǒng)的工作原理

僅具有手動操控功用的地下水泵操控體系是不夠用的。它需要一個有效的功用來完成徹底自動操控、自動監(jiān)控等功能。體系中最重的關鍵部件是可編程操控器（PLC），這個部件將收集傳感器模塊所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如水位高低、壓力大小、真空程度、溫度高低、電壓電流等。通過感知，依據(jù)剖析結果給出泵的自動運行和密封次序，并對泵的實時狀況進行24h監(jiān)控地下水位的施行。可編程操控器還將從自動操控體系的顯示操控臺接收與開關值相關的命令，并操作繼電器的發(fā)動和中止泵及相關設備的發(fā)動和中止。并將操作的詳細狀況用以太網信息傳輸?shù)姆绞絺鬟f到監(jiān)控中心，使監(jiān)控中心的處理器能夠第一時間監(jiān)控到地下設備。

2.2 水泵自動化控制的系統(tǒng)組成

水泵作為排水系統(tǒng)的主要設備，根據(jù)其作業(yè)原理和作業(yè)方式，能夠分為很多種并得到廣泛應用。最常見的類型是離心泵。由于離心泵主要有五個特色，第一是結構簡略，第二是與其他泵比較體積小、重量輕，第三是日常養(yǎng)護工作操作簡單，第五是使用起來簡單易懂，沒有什么深奧難懂的操作。除了上面敘述的五個特點以外，離心泵還有著較高的舉升高度、在各種情況下操作方便快捷的特點。

離心泵結構并不復雜，主要工作部件是旋轉葉輪和固定的泵殼。離心泵是通過離心力的作用來完成排水作業(yè)的。它的作業(yè)原理如下：首先，離心泵在運行前必須將泵腔中的空氣排除干凈。通過葉輪高速旋轉發(fā)生的離心力將待排放的水輸送到葉輪的邊緣，水進入泵殼。隨著泵殼中添加的活性通道，離心泵的活性將變緩，動能持續(xù)降低。一部分的靜態(tài)能量是由旋轉能量將轉化而來的，然后經過水壓的作用，進入排水管道中，最后待排放的水將被輸送到目的地。

2.3 控制系統(tǒng)的主要功能

2.3.1 對系統(tǒng)的自動管理

水泵的首要意圖是使井下排水及時，保證井下安全。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點是無人作業(yè)時能夠遠程操控。系統(tǒng)上的設備能夠在現(xiàn)場運轉，相關數(shù)據(jù)和模型也能夠出現(xiàn)在現(xiàn)場。它不僅能夠遵循以前的操作形式，還能夠改進和履行各種指令。

2.3.2 控制方式的多種多樣

在操作水泵的過程中，保證生產的安全是最重要的，確保水位可以控制在我們的操控范圍內，操控性是可以分為自動參考、遙控操控、近距離操控、手動操控和維護等方面來操控。

2.3.3 數(shù)據(jù)采集與集中顯示

上位機設備主要是一個完結數(shù)據(jù)的體系，如水位、電流、電壓等方面的數(shù)據(jù)，這些都反映在這個體系中。

2.3.4 系統(tǒng)優(yōu)化設計

系統(tǒng)記錄了每臺泵的運轉時間和次數(shù)，使操作人員能直觀查看到水泵的運轉軌跡，系統(tǒng)還能根據(jù)現(xiàn)場的不同情況，自動挑選適合的運轉形式。

另一個系統(tǒng)是關于水位的檢測。它的主要功能是判斷水位。體系對當前情況宣布停止指令，這將使排水更加順利。

2.3.5 保護環(huán)節(jié)

當出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)會當即發(fā)出警報。當現(xiàn)場工作人員聽到警報時，他們會當即采納辦法維護自己的安全，這不只提高了操作的安全性，還減少了損失。

3 自動化水泵的控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)功用介紹

3.1.1 監(jiān)控信號介紹

在體系運轉期間，每個開關值和模擬值信號的監(jiān)控如下。

（1）各泵電機的發(fā)動中止信號。

（2）各泵電機高壓開關的電參數(shù)信號。

（3）各電動閘閥的開關信號。

（4）各電磁閥的開關信號。

（5）主（備用）排水管道流量。

（6）配水井水位信號。

（7）水泵真空度和出口壓力。

（8）閘閥和電機發(fā)動中止到位信號。

不要計算中心變量、總點數(shù)、點數(shù)。

3.1.2 操控信號介紹

通過在操作平臺上輸入開關量和采集的模擬量數(shù)據(jù)，通過對比分析，可以完成以下意圖。

（1）水泵電機的啟停操控。

（2）各電動閘閥的開關操控。

（3）各電磁閥的開關操控。

（4）集中操作操控臺的輸出指示。

總共42個輸出點。

3.1.3 操控形式介紹

水泵在操控系統(tǒng)中包括主動和手動兩種操作形式。主動操控：系統(tǒng)根據(jù)程序設置條件(水位、壓力、真空、時刻等)主動完成。水泵相關設備的啟停操控。而且每個設備之間存在互鎖關系。手動操作：操作人員應依據(jù)操作程序和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，依次操作水泵及其相關設備的啟停操作。單個泵的每個設備之間存在聯(lián)鎖關系。

3.1.4 水泵作業(yè)模式介紹

根據(jù)國家煤礦安全規(guī)程，礦井水泵必須有三種作業(yè)形式，即作業(yè)形式、備用形式和保護形式。當時水泵在本次排水操作中處于啟用狀況可以稱之為水泵的作業(yè)形式；而待機形式指的是水泵在排水運轉中處于待機狀況，當已經開啟的水泵不能滿足當時的排水需求時，將作為第二工作泵被啟動并投入排水作業(yè)；保護形式是指當時水泵處于保護狀況，而不是在這種排水運轉狀況下作業(yè)。作業(yè)形式直接設置在中央控制臺上。

3.1.5 控制功能介紹

根據(jù)系統(tǒng)的發(fā)動時間、地下水位、礦井供電負荷等參數(shù)，水泵將完成自動發(fā)動或停止運轉，完成聯(lián)鎖發(fā)動泵閥，并完成運轉中的所有參數(shù)都受到監(jiān)控，數(shù)據(jù)將通過工業(yè)以太網向上傳輸。系統(tǒng)將依據(jù)監(jiān)測到的水位信號，設置最低水位、最高水位和超高水位信號。當水位達到高水位或不在高水位且處于低功耗時，作業(yè)泵將主動發(fā)動，當水位達到低水位或不在高水位且處于功耗峰值時刻時，泵將主動中止。當水位超越上限時，“作業(yè)泵”和“備用泵”將主動發(fā)動，直到水位低于上限，“備用泵”將只運轉“作業(yè)泵”。

3.2 硬件連接

處于地下中央的水泵房中要保證有三臺離心泵。三臺離心泵通過就地按鈕箱和集中的操作臺，來完成對水泵啟停的控制。通過分線盒和航空電纜來分別實現(xiàn)對現(xiàn)場控制設備和可編程控制箱的連接。

離心泵分別設有兩條管道，排空管道和排水管道。水泵出水管上設有噴發(fā)閥裝置、真空閥集成閥和負壓（真空度）傳感器。排水管道的出水裝置設置有正壓傳感器，正壓傳感器通過正壓傳感器分別與1號排水管道和2號備用排水管道連接，也安裝在支路上排水閥。1號排水管和2號排水管分別裝有排水管閥和流量傳感器。

水泵上的溫度傳感器無法檢測電機的軸承溫度和定子溫度，因此在軟件上設置了程序維護。配水井內安裝了一套水位檢測裝置丈量系統(tǒng)中，一組浮球開關，根據(jù)其導通（上浮或下?。┑脑恚鶕?jù)水位實現(xiàn)自動循環(huán)和輸入功能。還有一套超聲波水位檢測儀它坐落井底，用于檢測水位的微小變化，判斷水位的上升或下降趨勢，并在操作通道和上位機中顯現(xiàn)詳細值。

4 水泵控制系統(tǒng)

4.1 PLC構成

可編程操控器中使用的中央處理器有三種：通用微處理器、單片機和位芯片微處理器。中央處理器的主要是接收和存儲程序員輸入的指定程序和指定數(shù)據(jù)。對現(xiàn)場設備狀況的接收或數(shù)據(jù)存儲在輸入圖像寄存器或數(shù)據(jù)寄存器中。編程期間檢查電源的運轉狀況、操控器內部電路的編程和語法錯誤的修改。當可編程操控器運轉時，它將從存儲器中讀取用戶程序編譯、執(zhí)行并完結用戶程序中指定的算術公式。依據(jù)操作成果，完結指令中指定的各種操作，然后輸出組件完成輸出操控、制表、打印或數(shù)據(jù)通信功能。PLC系統(tǒng)配有相關的系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器器。

4.2 下位機系統(tǒng)

為了提高水泵的整體操控功能，水泵操控系統(tǒng)采用了大量的可編程操控器，如真空環(huán)節(jié)、水位監(jiān)控環(huán)節(jié)和故障報警環(huán)節(jié)、參數(shù)顯現(xiàn)等。根據(jù)傳感器的輸入數(shù)據(jù)，可編程操控器經過可編程操控器算法進行分析核算，終究得到水位信息、閥門位置信息和流量信息興趣等?？删幊滩倏仄鹘涍^各種放大器將操控信號輸入真空泵電磁閥，使泵送系統(tǒng)作業(yè)。水泵運行中，各種作業(yè)參數(shù)經過指示器向用戶顯現(xiàn)。為了完成遠程操控，由可編程操控器設計的操控系統(tǒng)需要經過以太網傳輸?shù)胶蠖颂幚碇行摹?/p>

4.3 上位機系統(tǒng)

上位機軟件的主要功能包含界面、單泵監(jiān)控界面、趨勢界面、前史數(shù)據(jù)表界面、毛病報警界面等。主界面顯現(xiàn)了實時狀況，并顯現(xiàn)泵流量、內部壓力等數(shù)據(jù)。單個泵的監(jiān)控界面顯現(xiàn)泵的狀況、運轉參數(shù)、發(fā)動和中止狀況。趨勢界面趨勢線顯現(xiàn)了其時采樣數(shù)據(jù)的趨勢改變。前史數(shù)據(jù)表界面能夠查詢每個數(shù)據(jù)的前史采樣數(shù)據(jù)記錄。當故障報警界面顯現(xiàn)系統(tǒng)時故障信息以界面的形式顯現(xiàn)給用戶。

5 控制系統(tǒng)特點

該體系由計算機控制，無需人工操作。跟據(jù)水位的高低來進行自動啟停水泵的操作，自動完成水泵的旋轉開啟，并做出復合現(xiàn)場情況的調度。具有對過載、欠壓、超溫、軸溫等現(xiàn)場問題的強大維護功用。如果出現(xiàn)上述情況或電機故障，體系將自動中止水泵的作業(yè)，備用水泵同時啟動?？刂浦行脑谑占F(xiàn)場數(shù)據(jù)，并將給地面指揮中心傳輸調度策略，完成遠距離指揮；水泵作業(yè)的畫面會經過攝像頭的傳輸，傳送到現(xiàn)場控制中心和地上指揮中心。

6 結語

大柳煤礦作為大型煤礦，在日常的開采過程中，每噸煤的開采都會排出約3t～6t的水，有時乃至需求排出幾十噸水。水泵的自動化控制系統(tǒng)，除了出色的完了人機交互界面，還完成了自動控制系統(tǒng)，具有十分重要的意義。由于煤礦井下生產建設中時常有各種水源的流入，需要及時排除井下流入的水，而可編程序控制器水泵自動控制系統(tǒng)的應用，可以完美的對空井下水位改變數(shù)據(jù)進行動態(tài)的監(jiān)測，并保存和記錄監(jiān)測成果和控制信息參數(shù)，然后對水泵發(fā)動機組的數(shù)量進行自動控制，以保證煤礦的安全出產。