井下盤區(qū)泵房自動化排水系統(tǒng)的研究

趙 彤

（晉煤集團(tuán)煤機(jī)制造事業(yè)部，山西 晉城048000）

1 項目背景

趙莊煤業(yè)中央水泵房于2014年進(jìn)行了自動化排水改造，而盤區(qū)水泵房排水系統(tǒng)仍然采用傳統(tǒng)的人工手動排水方法，井下泵房排水系統(tǒng)運(yùn)行時地面機(jī)房無法及時了解井下泵房的運(yùn)行狀況，有問題不能及時發(fā)現(xiàn)、及時解決，不利于礦井的安全運(yùn)行。對排水作業(yè)人員的精神體力消耗較大，人員利用率較低，對緊急事件反應(yīng)速度較慢等。因此急需對盤區(qū)泵房進(jìn)行自動化排水改造工作，研究一套可靠的泵房自動化排水系統(tǒng)，實現(xiàn)泵房的無人值守、安全運(yùn)行，滿足煤礦日益增長的自動化監(jiān)測要求，對進(jìn)一步實現(xiàn)全礦井?dāng)?shù)字化、自動化、科學(xué)化、網(wǎng)絡(luò)化管理具有十分重要的意義。

2 項目方案

2.1 技術(shù)現(xiàn)狀

由于目前趙莊煤業(yè)盤區(qū)水泵房閥門均為手動式，需要在現(xiàn)場的工作人員手動去啟停泵，流程比較繁瑣，順序不能出錯，水泵啟動耗時較長，增加了工作人員的勞動量，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，也不容易被及時發(fā)現(xiàn)；由于在達(dá)到啟停水位時，不能自動啟停，必須有值班人員卡點(diǎn)前去操作，如果值班人員沒有按時操作，安全排水就會存在隱患。所以，這種傳統(tǒng)的工作模式和現(xiàn)代化礦井的生產(chǎn)模式不能高度匹配，需建設(shè)一套盤區(qū)水泵房自動排水控制系統(tǒng)，使水泵排水實現(xiàn)操作簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定的同時又安全可靠。

2.2 提出方案

當(dāng)前礦井發(fā)展趨勢為自動化、智能化、智慧化，也就是減人增設(shè)備，盡量在工作中多采用新技術(shù)，多使用新設(shè)備，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工手動操作排水模式，最終實現(xiàn)泵房自動化排水系統(tǒng)與礦井自動化系統(tǒng)相融合，實現(xiàn)自動化開停泵。為此提出如下方案：泵房自動化排水系統(tǒng)的控制核心是PLC中央處理器。工作原理是利用檢測監(jiān)控裝置采集數(shù)據(jù)，然后傳輸至傳感器和執(zhí)行器，前提必須運(yùn)行穩(wěn)定，通過組態(tài)軟件平臺，接入工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，一套完整的自動化排水監(jiān)控系統(tǒng)就建立起來了。此套系統(tǒng)可以對水位、水壓、水泵狀態(tài)、流量等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量，在地面就可以遠(yuǎn)程監(jiān)控，并通過雙回路排水控制裝置合理對水泵的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度，檢測監(jiān)控裝置采集到的數(shù)據(jù)可以自動上傳、存儲和共享，這樣井下排水就實現(xiàn)了自動化和無人化。

2.3 方案對比

傳統(tǒng)的人工手動操作排水有著投入資金少，操作簡單易上手的優(yōu)點(diǎn)，但排水效率不高，溢倉、燒泵、不上水現(xiàn)象時有發(fā)生，同時對定崗定時工作有較高要求，勞動強(qiáng)度相對較大。由于單崗作業(yè)，尤其夜班在工人瞌睡情況下，無法了解水倉是否滿倉，無法實時掌握水泵運(yùn)行的真實情況，無法了解定崗司機(jī)的動態(tài)情況。而泵房自動化排水系統(tǒng)功能較完善，不僅可以實現(xiàn)自動化排水，而且泵房安裝有云臺攝像頭，從地面值班室就可以隨時了解井下泵房的所有情況，不需要每班派專人定崗，只需要每班派巡檢工查看現(xiàn)場情況，這樣可以減少人力資源的投入。同時，地面和井下都設(shè)有操作臺，通過監(jiān)控畫面可以實時了解水泵運(yùn)行參數(shù)，提前判斷水泵等設(shè)備有無故障，做到有備無患，可降低機(jī)電事故率，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性。

3 方案確定

根據(jù)方案設(shè)計思路，結(jié)合泵房自動化排水系統(tǒng)的性能與原理，經(jīng)多次反復(fù)討論和調(diào)研，確定了趙莊煤業(yè)盤區(qū)泵房自動化排水系統(tǒng)技術(shù)方案。具體方案如下：系統(tǒng)以PLC為中央處理器控制核心，以數(shù)據(jù)采集監(jiān)測監(jiān)控裝置為載體，采用穩(wěn)定可靠的傳感器和執(zhí)行器，在組態(tài)軟件平臺的支持下，利用礦方已有的工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，建立自動化排水監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)地面遠(yuǎn)程監(jiān)控，現(xiàn)場手動控制，并準(zhǔn)確測量水位、水壓、水泵狀態(tài)、流量等參數(shù)，并根據(jù)相關(guān)策略通過高壓啟動裝置合理調(diào)度水泵運(yùn)行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、存儲、數(shù)據(jù)共享，達(dá)到礦井排水系統(tǒng)的自動化和無人化。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 井下盤區(qū)泵房自動化排水控制系統(tǒng)框圖

由圖1可知，趙莊煤業(yè)井下排水監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)劃為：地面控制中心、網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺、泵房數(shù)據(jù)采集/控制。

地面控制中心和操控站網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器進(jìn)行配置來傳遞參數(shù)和傳達(dá)命令，控制中心設(shè)置在運(yùn)行工區(qū)監(jiān)控中心，有利于實現(xiàn)人機(jī)交互，可以更好地儲存、展示圖形、報表、曲線等數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)測和維護(hù)、報警等任務(wù)也由地面控制中心來完成。

網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺利用礦上建設(shè)的工業(yè)環(huán)網(wǎng)，礦用隔爆兼本質(zhì)安全型雙回路排水控制器設(shè)備側(cè)都預(yù)留設(shè)計有通用的網(wǎng)絡(luò)接口，方便網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸入輸出。利用趙莊井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)將雙回路排水開關(guān)中PLC收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，整個環(huán)網(wǎng)通信距離大約4 km以上。

井下泵房數(shù)據(jù)采集/控制配置礦用隔爆兼本質(zhì)安全型雙回路排水控制器、各類傳感器、攝像機(jī)、顯示屏等，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。

系統(tǒng)通過實時采集閥門狀態(tài)、水倉水位、水泵電流電壓、水泵壓力、真空度、流量、水泵電機(jī)溫度等各項參數(shù)，對泵房整個排水系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制，實現(xiàn)對排水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程就地、手動自動、工作檢修、語音發(fā)聲報警等一系列功能，真正實現(xiàn)對排水系統(tǒng)的全方位監(jiān)控，保障系統(tǒng)無人值守下的運(yùn)行安全。

4 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

1）自動排水系統(tǒng)投入運(yùn)行后可以在無人值守的情況可靠工作，減少工人水倉巡視的工作量，進(jìn)而減少專職排水作業(yè)人員，可減少2名工人，減少10萬元/年的人力成本。

2）減人水泵專職值班1名，轉(zhuǎn)崗為水泵檢修人員，節(jié)省人力成本5萬元/年，減人泵房巡檢人員1名，轉(zhuǎn)崗為變電所巡檢人員，節(jié)省人力成本5萬元/年，共計減人2名，減少10萬元/年的人力成本。原工作內(nèi)容及用時：入井1 h、開排水0.5 h、狀態(tài)查看0.3 h、關(guān)排水0.2 h、出井1 h，總計3 h，有效工作時間總計1 h?，F(xiàn)工作內(nèi)容及用時：開機(jī)登錄0.05 h、系統(tǒng)狀態(tài)查看0.03 h、開啟系統(tǒng)0.15 h、關(guān)閉系統(tǒng)0.1 h、其他工作0.2 h，總計0.53 h，有效工作時間總計0.28 h。由此可算出：（3-0.53）/3=82.3%，單人單班可降低82.3%的工作強(qiáng)度；（1-0.28）/1=72%，提高72%的工作效率。

3）可全面監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行工況參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)事故隱患，預(yù)防和防止設(shè)備事故擴(kuò)大，有效保護(hù)重要運(yùn)行設(shè)備，提高設(shè)備的可靠性，以及提高突、透水事故排水的應(yīng)急處理能力。

4.2 社會效益

自動化排水系統(tǒng)投入運(yùn)行后可以在無人值守的情況可靠工作，減少專職排水作業(yè)人員，只需每班由變電所人員查看現(xiàn)場情況，避免出現(xiàn)溢倉現(xiàn)象，消除水災(zāi)事故隱患。同時可以避免電機(jī)空轉(zhuǎn)導(dǎo)致的機(jī)電事故，進(jìn)而降低設(shè)備故障率，減少設(shè)備投資，延長設(shè)備使用壽命，保障礦井的安全高效運(yùn)行。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了趙莊煤業(yè)泵房的就地控制、自動控制及遠(yuǎn)程控制功能。該系統(tǒng)采用防爆雙回路排水控制器為主要排水控制開關(guān)，地面下機(jī)電隊集控室可以查看各臺水泵的參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通訊情況，可以實現(xiàn)單臺就地控制和集中自動控制。通過井下顯示屏不僅可以查看主副水倉液位情況，而且還可以實現(xiàn)故障報警，及時提醒工作人員。下機(jī)電隊集控室通過排水系統(tǒng)組態(tài)軟件可以實現(xiàn)就地控制、遠(yuǎn)程控制、自動控制等控制方式的切換，還可以查看水泵運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)分析、參數(shù)配置、歷史曲線等信息。通過井下攝像頭可以自動跟蹤查看即將運(yùn)行的水泵及周圍情況，還可以人工控制攝像頭查看泵房其他設(shè)備情況，隨時了解井下現(xiàn)場情況，確保水泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)。應(yīng)用該系統(tǒng)后，可以實現(xiàn)排水系統(tǒng)的集成化、數(shù)字化、智能化、信息化，實現(xiàn)中央泵房的無人值守，將操作人員從繁重而又機(jī)械的操作任務(wù)中解放出來，有效保障排水設(shè)備的運(yùn)行效率，同時降低設(shè)備故障率，為將來礦井其他系統(tǒng)的自動化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)、相關(guān)經(jīng)驗及數(shù)據(jù)。