礦井主排水泵自動(dòng)化控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

袁儒杰

（山西晉煤集團(tuán)坪上煤業(yè)，山西晉城 048000）

0 引言

目前，我國關(guān)于綜采工作面排水工作的研究較為落后。根據(jù)相關(guān)調(diào)查可知，我國依舊存在人工判斷工作面水位增長速度的情況，難以及時(shí)依據(jù)水位變化的實(shí)際狀況來控制主排水泵。因此，采用傳統(tǒng)的方法來控制主排水泵，將會(huì)對綜采面工作的安全性造成嚴(yán)重的影響。本文以某礦井中安裝的主排水系統(tǒng)為對象進(jìn)行研究，研發(fā)出了一套科學(xué)有效、自動(dòng)控制的主排水系統(tǒng)，同時(shí)對其應(yīng)用效果進(jìn)行分析[1]。

1 水位監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

1.1 主排水系統(tǒng)的闡述

本煤礦的中央泵房主要安裝有5臺(tái)主排水泵，其中包括1臺(tái)在用泵、3臺(tái)備用泵及1臺(tái)檢修泵。主排水系統(tǒng)及各個(gè)泵支路的具體構(gòu)造如圖1所示。

圖1 主排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 水位監(jiān)測的原理分析

系統(tǒng)主要是利用壓力傳感器來對水位進(jìn)行監(jiān)測，其原理如圖2所示。這種傳感器主要有4個(gè)電橋。當(dāng)其所承受的壓力等于0時(shí)，這些電橋?qū)⒕S持較好的平衡狀態(tài)，其所有輸出電壓都為0。將它們置于水中，由于受到電壓的影響，電橋平衡將會(huì)受到破壞，并且其所輸出的電壓與水位高呈現(xiàn)正比關(guān)系，即壓力與電壓的數(shù)值將隨著水位高度的增加而增加[2]。

1.3 水位監(jiān)測系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

該系統(tǒng)所發(fā)揮的主要作用就是對主水倉的水位進(jìn)行有效地監(jiān)測，當(dāng)其大于限定值的時(shí)候，在作出報(bào)警動(dòng)作的同時(shí)，可以對主排水泵的運(yùn)行狀態(tài)加以控制。因此，本系統(tǒng)中所安裝的硬件主要有轉(zhuǎn)換器、接口、傳感器等等。該系統(tǒng)可以將水壓信號進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換，使其以電信號的形式傳輸?shù)絇LC中，同時(shí)與其所設(shè)定的預(yù)期值進(jìn)行比較，一旦超過了預(yù)設(shè)數(shù)值，系統(tǒng)將會(huì)做出報(bào)警動(dòng)作[3]。

圖2 壓力傳感器工作原理圖

2 主排水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的研發(fā)

2.1 功能需求

（1）完成自動(dòng)控制。本系統(tǒng)主要是運(yùn)用水位狀況來完成主排水泵的啟停。

（2）完成手動(dòng)控制。當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行維修或者PLC失去效用的同時(shí)，作業(yè)人員應(yīng)當(dāng)基于檢修要求來控制主排水泵的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)在進(jìn)行手動(dòng)控制的時(shí)候必須使各個(gè)泵保持獨(dú)立運(yùn)行的狀態(tài)。

（3）完成自動(dòng)輪換及調(diào)用。當(dāng)某個(gè)水泵的啟動(dòng)次數(shù)超出檢修要求之時(shí)，該系統(tǒng)將會(huì)從輪換中清除該水泵；在水泵的啟動(dòng)及停止時(shí)必須保證水閘保持關(guān)閉狀態(tài)。

（4）報(bào)警功能。當(dāng)PLC無法正常運(yùn)作時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)及時(shí)作出報(bào)警動(dòng)作，以確保相關(guān)人員可以及時(shí)開展維修作業(yè)[4]。

2.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（1）硬件的組成。與其他的控制系統(tǒng)相一致，本研究對主排水系統(tǒng)進(jìn)行了改良與完善，改良后該系統(tǒng)所運(yùn)用的硬件主要為：顯示屏、信號收集體系、執(zhí)行單元等等。其硬件的組成如圖3所示。

圖3 主排水控制系統(tǒng)硬件組成圖

（2）信號的采集設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)所開展的信號收集工作主要針對開關(guān)量與模擬量兩種信號。其中，模擬量信號主要包括壓力、液壓及溫度這3種傳感器的信息，開關(guān)量信號主要為水泵啟停的相關(guān)控制信息。此外，事先在PLC中設(shè)定4個(gè)水位限度值，分別為H4（超高水位）、H3（高水位）、H2（低水位）和H1（超低水位）；溫度傳感器所發(fā)揮的作用主要是監(jiān)測電機(jī)的溫度；電機(jī)所進(jìn)行的過載檢測主要是運(yùn)用所收集到信號數(shù)值來明確電機(jī)的狀態(tài)是否為過載[5]。

（3）PLC控制的完成。PLC為該系統(tǒng)中最關(guān)鍵的控制部件，PLC主要是通過對溫度、壓力等相關(guān)參數(shù)加以判斷來控制執(zhí)行單元的動(dòng)作。執(zhí)行單元主要有水泵啟動(dòng)及停止的控制板塊、報(bào)警功能等[6]。

2.3 控制原理分析及軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)所運(yùn)用的控制思路主要為：系統(tǒng)可以將各個(gè)傳感器的信息傳輸?shù)絇LC中，如果其水位超出低水位值時(shí)，系統(tǒng)可以依據(jù)電網(wǎng)的檢測值來判斷單臺(tái)水泵的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)用電達(dá)到最高值時(shí)，主排水泵將不會(huì)被啟動(dòng)；當(dāng)用電降至最低值時(shí)，系統(tǒng)可以對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行有效地監(jiān)測，同時(shí)將會(huì)啟動(dòng)射流泵，促使注水泵維持真空狀態(tài)，若各個(gè)參數(shù)均處于合理范圍之內(nèi)時(shí)，1號水泵將會(huì)被開啟，其作用在于發(fā)揮排水效果[7]。若此時(shí)的水位超出高水位值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)做出報(bào)警訊號，同時(shí)開啟單臺(tái)水泵，并將1號和2號水泵進(jìn)行啟動(dòng)；若水位超出超高水位值時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)對單臺(tái)水泵的啟動(dòng)程序加以運(yùn)用，同時(shí)將3號水泵進(jìn)行開啟。經(jīng)過一定的時(shí)間段之后，若水位依舊超出超高水位值時(shí)，4號水泵將會(huì)啟動(dòng)。但水位小于超低水位值時(shí)，系統(tǒng)首先會(huì)關(guān)掉出水閘閥，然后將水泵關(guān)掉[8]。

3 主要功能的實(shí)現(xiàn)

3.1 水倉水位檢測和“避峰填谷”的實(shí)現(xiàn)

通過將水倉水位劃分為6個(gè)區(qū)段，即7個(gè)水位點(diǎn)，其中水位點(diǎn)1位置為水倉底部，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為水電位點(diǎn)數(shù)根據(jù)水位上升依次上升，設(shè)置水位點(diǎn)6為極限水位，水位點(diǎn)5為警戒水位，若系統(tǒng)開始報(bào)警，則表示水位已達(dá)到極限水位。

水倉水位指標(biāo)是進(jìn)行判斷泵是否啟動(dòng)的最重要的因素，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能和安全排水的雙重功效，要先實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)“避峰填谷”，采用灰色理論預(yù)測節(jié)能和水位。

3.2 排水管路和水泵的輪換子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

對每個(gè)水泵配置2個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，分別用于存放水泵的運(yùn)行次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)排水管路和水泵的輪換。當(dāng)啟動(dòng)水泵時(shí)，系統(tǒng)綜合判斷運(yùn)行次數(shù)和是否存在故障后，首先啟動(dòng)該水泵。

當(dāng)某水泵發(fā)生故障時(shí)，其自動(dòng)啟動(dòng)，退出輪換工作，同時(shí)依據(jù)某算法啟動(dòng)其他水泵。排水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，排水管路和水泵各使用3趟和3臺(tái)，其不同的管路的選擇主要依據(jù)閘閥開斷情況進(jìn)行，首選運(yùn)行次數(shù)和故障最少的管路，若管路運(yùn)行次數(shù)相同，則管路啟動(dòng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)為時(shí)間。

在程序設(shè)計(jì)階段，在設(shè)定好的寄存器內(nèi)合理分配各個(gè)信號，以便程序運(yùn)行時(shí)，各相應(yīng)寄存器可以被迅速找到，從而實(shí)現(xiàn)排水管路和水泵的輪換。

4 水泵控制方式的選擇

全自動(dòng)、半自動(dòng)和手動(dòng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的3種控制方式。

（1）全自動(dòng)方式。該方式下，系統(tǒng)的啟動(dòng)和自動(dòng)停泵依據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)的程序進(jìn)行，其余操作按鈕均不起效果，水泵的運(yùn)行主要由液位值、水泵啟停的順序和時(shí)間、達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的水泵啟動(dòng)的電壓力值、壓力值和時(shí)閥值4個(gè)因素決定。

（2）半自動(dòng)方式。該方式下，操作者和用戶分別在地面調(diào)度室的計(jì)算機(jī)監(jiān)控終端和操作終端對水泵的啟停進(jìn)行操作，操作者進(jìn)行檢測，用戶點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)水泵啟停，系統(tǒng)命令到PLC控制柜的實(shí)現(xiàn)通過太網(wǎng)。

（3）手動(dòng)方式。該方式下，用戶對系統(tǒng)的維護(hù)更方便直接，通過就地箱和指示燈實(shí)現(xiàn)了操作的一對一。

務(wù)必嚴(yán)格遵循相關(guān)操作流程進(jìn)行泵的啟停，因?yàn)槊颗_(tái)水泵都是獨(dú)立進(jìn)行啟動(dòng)的，其具有不同的控制方式和輸出方式，否則，極易導(dǎo)致水泵損壞以及水錘效應(yīng)的出現(xiàn)。

5 結(jié)束語

針對主排水系統(tǒng)傳統(tǒng)控制方法中的不足問題，本文對該系統(tǒng)進(jìn)行有效地改良，在對主排水泵進(jìn)行自動(dòng)化控制的同時(shí)，還完善了控制的項(xiàng)目。另外，經(jīng)過大量的實(shí)踐可知，該控制系統(tǒng)可以使主排水泵的應(yīng)用效率得到極大提升，保障綜采工作面的安全。