井下水泵房自動(dòng)化排水系統(tǒng)優(yōu)化

樊晉杰

（山西焦煤汾西礦業(yè)中興煤業(yè)，山西 交城 030500）

1 礦井排水系統(tǒng)概況

中興礦為設(shè)計(jì)年產(chǎn)量300萬(wàn)t的大型礦井，礦井水文地質(zhì)條件中等，含水層主要為奧灰?guī)r。礦井歷年統(tǒng)計(jì)的涌水量如表1所示。隨著礦井開(kāi)采規(guī)模的不斷增加，礦井排水系統(tǒng)面臨的壓力逐漸增大。礦井井下現(xiàn)有5處中央泵房，15處臨時(shí)水倉(cāng)，每個(gè)水倉(cāng)中配備有2臺(tái)高功率離心水泵，在地面布置有處理能力在1萬(wàn)m3/d的水處理廠。井下現(xiàn)僅有南六盤區(qū)中央水泵房實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，其余的水泵房仍需要人工操作。隨著礦井現(xiàn)代化建設(shè)需要，按照減人增效要求，以及提升礦井排水保證能力建設(shè)需要，急需對(duì)井下其余的4處中央水泵房進(jìn)行自動(dòng)化優(yōu)化改造，并納入到自動(dòng)化控制平臺(tái)上來(lái)，便于礦井統(tǒng)一管理。

2 水泵房自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)構(gòu)建

構(gòu)建的水泵房自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，通過(guò)傳感器、執(zhí)行器等，在組態(tài)軟件支持下以中興礦已經(jīng)構(gòu)建的工業(yè)以太網(wǎng)為傳輸通道，建立自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下水泵房的遠(yuǎn)程、手動(dòng)以及檢修控制，精準(zhǔn)對(duì)水泵房?jī)?nèi)水位、水泵運(yùn)行狀態(tài)、流量及水壓等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)有關(guān)控制邏輯，合理控制水泵房?jī)?nèi)水泵啟動(dòng)、停機(jī)。自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、共享，提升礦井自動(dòng)化控制程度，實(shí)現(xiàn)井下水泵房的無(wú)人值守。構(gòu)建水泵房自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)由管理層、傳輸層以及控制層三個(gè)層級(jí)組成，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及控制指令發(fā)出、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)控及指令執(zhí)行等工作。具體的自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 2014～2018年礦井涌水量

圖1 自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 自動(dòng)化排水系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)組成及功能實(shí)現(xiàn)流程

優(yōu)化的礦井水泵房具有遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、手動(dòng)控制及檢修控制等控制模式，且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵、水倉(cāng)水位、水壓、流量等實(shí)時(shí)監(jiān)控，并掌握水泵房?jī)?nèi)的具體狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)功能，硬件采用PLC作為井下監(jiān)控分站主要控制單元，并將壓力、液位、流量等傳感器，行程開(kāi)關(guān)等電子元件作為數(shù)據(jù)采集單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵房?jī)?nèi)設(shè)備、水倉(cāng)等參數(shù)監(jiān)控。具體的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

具體功能實(shí)現(xiàn)流程為：根據(jù)水泵房?jī)?nèi)設(shè)備及水倉(cāng)布置情況，確定需要的傳感器（行程開(kāi)關(guān)）類型、數(shù)量及安裝位置；傳感器、行程開(kāi)關(guān)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)通信電纜傳輸至井下監(jiān)控分站，監(jiān)控分站內(nèi)的PLC對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在顯示屏上顯示監(jiān)控結(jié)果，同時(shí)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)將監(jiān)控信息傳輸至地面監(jiān)控中心；井下各監(jiān)控分站根據(jù)自身控制邏輯，依據(jù)傳感器、行程開(kāi)關(guān)等監(jiān)測(cè)結(jié)果做出水泵啟動(dòng)、停機(jī)、報(bào)警等指令響應(yīng)。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 水泵房傳感器安裝

在東二盤區(qū)及東五盤區(qū)中央水泵房中的主、副水倉(cāng)1號(hào)、2號(hào)小井位置各分別安裝一個(gè)投入式液位傳感器、一個(gè)超聲波液位傳感器，即在一個(gè)排水點(diǎn)布置兩個(gè)探測(cè)原理各不相同的傳感器，監(jiān)測(cè)結(jié)果相互印證，提高監(jiān)測(cè)結(jié)果可信度。在排水水泵入口、出口處分別安裝負(fù)壓、正壓傳感器，并安裝一個(gè)電動(dòng)閘閥用以對(duì)水泵運(yùn)行控制，安裝兩個(gè)電動(dòng)球閥以便排真空。在水泵房安裝一個(gè)具有聲音及視頻監(jiān)控功能的防爆攝像頭，對(duì)水泵房?jī)?nèi)的狀況進(jìn)行監(jiān)控。具體的西區(qū)及東五盤區(qū)水泵房?jī)?nèi)傳感器布置如圖3所示。

圖3 東二盤區(qū)及東五盤區(qū)水泵房?jī)?nèi)傳感器布置示意圖

在西一、西二盤區(qū)等低壓排水點(diǎn)小井位置各安裝一個(gè)液位式水位傳感器，對(duì)小井水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在水泵進(jìn)口、出口位置各安裝一個(gè)壓力傳感器，并在每個(gè)排水點(diǎn)都安裝一個(gè)具有聲音及視頻監(jiān)控功能的防爆攝像頭。具體布置如圖4所示。

圖4 西一及西二盤區(qū)水泵房?jī)?nèi)傳感器布置示意圖

4 自動(dòng)排水系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用模塊化，主要由一個(gè)主控制程序及若干個(gè)子控制程序構(gòu)成。主控制程序根據(jù)運(yùn)行環(huán)境選擇調(diào)用子控制程序。具體的控制運(yùn)行模式有：

4.1 檢修模式

該模式主要用于對(duì)控制系統(tǒng)及相關(guān)排水設(shè)備等進(jìn)行檢修，主要功能包括控制設(shè)備啟停，檢修人員可以就地實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵房水泵控制。當(dāng)需要對(duì)某一臺(tái)水泵進(jìn)行檢修時(shí)，主控制程序根據(jù)輸入指令調(diào)用相關(guān)子程序，維修人員就可以通過(guò)控制箱進(jìn)行相關(guān)操作，控制有關(guān)指令輸出。

4.2 全自動(dòng)控制模式

主控制程序在每一個(gè)循環(huán)執(zhí)行周期都會(huì)調(diào)用全自動(dòng)控制子程序，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的水位信息控制水泵運(yùn)行。在控制模塊中內(nèi)置智能邏輯運(yùn)算，根據(jù)水倉(cāng)水位以及水泵運(yùn)行狀態(tài)，智能決定水泵運(yùn)行，降低能耗以及設(shè)備磨損。在全自動(dòng)控制模式下可以對(duì)水位變化率進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水倉(cāng)水位發(fā)生較大變化時(shí)，能夠提前控制水泵運(yùn)行，做到主動(dòng)預(yù)防?？刂葡到y(tǒng)對(duì)水泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)間以及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行記錄，合理選擇主水泵以及備用水泵，提升水泵的使用時(shí)限，降低設(shè)備磨耗。

4.3 半自動(dòng)控制

該種控制方式是水泵自動(dòng)排水系統(tǒng)的基本控制方式，在該種模式下，井下作業(yè)人員可以單獨(dú)對(duì)某臺(tái)水泵的運(yùn)行進(jìn)行控制，同時(shí)該水泵也可以根據(jù)傳感器監(jiān)測(cè)到的水倉(cāng)水位信息自動(dòng)運(yùn)行，從而確保井下水倉(cāng)水位標(biāo)高。

5 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

該軟件主要是在地面監(jiān)控中心服務(wù)器上運(yùn)行，主要作用是監(jiān)控井下水泵房各類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表生成、輸出運(yùn)行曲線等并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總存儲(chǔ)。在井下中央水泵房或者設(shè)備出現(xiàn)異常情況時(shí)，能夠發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并記錄報(bào)警信息。具體軟件運(yùn)行框架結(jié)構(gòu)如圖5所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

在煤礦生產(chǎn)中，排水系統(tǒng)自動(dòng)化控制對(duì)提升礦井現(xiàn)代化、信息化以及數(shù)字化控制具有重要促進(jìn)意義，在保障礦井生產(chǎn)安全的同時(shí)也提升了礦井工作效率。井下水泵房自動(dòng)化排水系統(tǒng)于2018年6月開(kāi)始在中興礦應(yīng)用，不僅實(shí)現(xiàn)了井下水泵房的無(wú)人值守自動(dòng)化排水，而且減少了井下巡查人員及操控人員數(shù)量，確保了整個(gè)排水系統(tǒng)平穩(wěn)正常運(yùn)行，提高了礦井生產(chǎn)安全系數(shù)以及礦井經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 組態(tài)軟件框架結(jié)構(gòu)