煤礦排水系統(tǒng)水泵自動控制設(shè)計及應(yīng)用*

布朋生

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

礦井水害是在煤礦開采過程中，煤層涌水急劇增加，或破壞地下儲水層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致突水事故，井下積水超出主、副儲水倉的儲水能力發(fā)生水倉溢倉的現(xiàn)象。礦井水害會嚴重影響煤礦正常生產(chǎn)，甚至發(fā)生傷亡等重大事故。煤礦井下排水系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行,是減少或杜絕礦井水害的有效措施之一。國內(nèi)外煤礦科研機構(gòu)和企業(yè)積極開展排水系統(tǒng)自動化的研究和實踐，主要是將繼電器控制技術(shù)、PLC控制技術(shù)及智能控制技術(shù)引入排水系統(tǒng)自動控制過程[1-3]。目前我國部分大型煤礦企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了排水系統(tǒng)機械控制自動化，排水系統(tǒng)全過程的自動化運行、智能化控制也進入實質(zhì)性試驗階段。但排水系統(tǒng)自動控制設(shè)備在使用中暴露出諸多問題，如控制策略單一、保護措施落后、設(shè)備維護困難等。本文以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)，在介紹排水系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，重點分析了排水系統(tǒng)水泵的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計，實現(xiàn)排水系統(tǒng)水泵的自動運行控制過程，增強排水系統(tǒng)的保護措施，降低設(shè)備的維護難度。

1 排水系統(tǒng)模型

排水系統(tǒng)模型如圖1所示。其中:H2、H1分別為儲水倉的高、低水位。u(k)為水泵的決策向量，表示為u(k)={u1(k),u2(k),…,un(k)}。ui(k)∈{0,1}表示第i臺水泵在k時刻的狀態(tài)，0表示水泵停止，1表示水泵開啟。q(k)為涌水量與儲水倉水位的函數(shù)，表示為q(k)=KH(k)，K為常數(shù)[4]。排水系統(tǒng)的目標是將q(k)控制在H1

圖1 排水系統(tǒng)模型

2 硬件設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

排水系統(tǒng)水泵自動控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要分為4個模塊，即PLC控制模塊、開關(guān)量處理模塊、模擬量處理模塊及通信模塊[5]。PLC控制模塊由PLC控制器和擴展模塊(DI/DO/AI/AO及通信擴展模塊)組成。在獲取用于水泵控制的各個參數(shù)后，按照水泵啟停自動控制流程對排水水泵進行邏輯控制；同時，將水泵運行時的系統(tǒng)信息、參數(shù)信息進行匯總并通過以太網(wǎng)接口上傳至HMI人機界面或礦井環(huán)網(wǎng)。開關(guān)量處理模塊用于獲取水泵電動機啟動/停止控制點，各電動球閥、電磁閥控制點，還包括報警控制、控制方式選擇及水泵狀態(tài)等。模擬量處理模塊用于獲取出水口壓力、入水口真空度、水倉實時水位,以及電動機電流、電壓、溫度等模擬量信息。水泵電動機在啟動時，檢查并確認出水口壓力、入水口真空度。在水泵工作過程中，依據(jù)儲水倉水位進行水泵工作狀態(tài)、工作模式的轉(zhuǎn)換。通信模塊用于將排水系統(tǒng)的水泵自動運行狀態(tài)、參數(shù)、報警、故障等信息進行傳送，在HMI人機界面或監(jiān)控平臺上顯示和控制，并將所有信息傳送至礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)，用于礦井排水系統(tǒng)后期的集中控制。

圖2 排水自動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

當(dāng)信息傳送時，必須考慮數(shù)據(jù)的正確性和安全性，可以采用CRC循環(huán)冗余校驗、奇偶校驗、BCC異或校驗法及海明碼校驗等手段保證數(shù)據(jù)的正確，或者采用DES、AES、RSA、DSA、ECC等非對稱加密算法。

2.2 保護設(shè)計

為增強排水系統(tǒng)水泵自動控制過程的安全性、穩(wěn)定性，保證排水系統(tǒng)連續(xù)、有序運行，在電路設(shè)計中增加開關(guān)量隔離保護電路、模擬量隔離保護電路、以太網(wǎng)隔離保護電路及抗干擾保護電路。

圖3為用于開關(guān)量隔離的光耦隔離柵原理，綜合利用本質(zhì)安全型電源技術(shù)和光電隔離技術(shù)，將本質(zhì)安全型電源、開關(guān)電源、輸入信號、輸出信號進行隔離，保證信號的安全性與穩(wěn)定性。圖4為用于模擬量隔離保護的隔離式安全柵原理，將光、電、磁隔離技術(shù)融于一體，實現(xiàn)本質(zhì)安全、非本質(zhì)安全電路之間電源、輸入信號、輸出信號的隔離。當(dāng)有危險電壓、電流進入時，實現(xiàn)快速切換功能，并且信號完全浮空，極大提高了信號的抗干擾能力。將網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器應(yīng)用于以太網(wǎng)信號隔離，利用耦合濾波原理實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的可靠傳輸[6]。另外，排水系統(tǒng)中的通信線都采用雙絞屏蔽線，減少信號干擾。變壓器初級、次級間采用屏蔽層隔離，隔離板接地，次級線圈不接地，以減少或消除寄生電容，提高抗共模干擾能力。

圖3 光耦隔離柵原理

圖4 隔離式安全柵原理

3 軟件設(shè)計

所設(shè)計排水系統(tǒng)一共有工作、備用及檢修3臺水泵。軟件設(shè)計的目標是根據(jù)儲水倉水位對3臺水泵進行啟動/停止自動控制。單臺水泵電動機的自動運行控制過程如圖5所示。儲水倉水位達到開泵條件，排水系統(tǒng)無故障即滿足開泵條件。開泵前，預(yù)警30 s，并發(fā)出“水泵電動機即將開啟，請注意安全”的安全語音提示。語音提示結(jié)束后，依次開啟對應(yīng)水泵的真空閥、射流閥并將水泵內(nèi)的空氣排出，進行水泵腔體注水過程。獲取真空度傳感器信息，判斷真空度是否滿足要求。如果真空度不滿足要求，延時時間T1后沒有超時，則重新進行排氣注水過程；如果延時時間T1超時，則關(guān)閉射流閥。如果真空度滿足要求，則進入開電動機過程，然后依次關(guān)閉射流閥、真空閥。此時,水泵電動機已經(jīng)運行，檢查該水泵電動機出水口壓力。如果出水口壓力滿足出水要求，則打開出水閘閥進行排水作業(yè)；如果出水口壓力不滿足要求，則延時時間T2。在T2時間內(nèi)水泵電動機處于運行狀態(tài)，在T2時間外排水系統(tǒng)發(fā)出聲光報警。

圖5 水泵自動運行控制流程

當(dāng)排水系統(tǒng)水泵電機運行一段時間后，若儲水倉水位滿足水泵停機要求，則進行水泵停機過程,反之則系統(tǒng)繼續(xù)運行。如果在系統(tǒng)運行過程中發(fā)生故障，則系統(tǒng)進行聲光報警。

4 方案特點

1) 以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)，對排水系統(tǒng)水泵進行自動控制設(shè)計，可有遠程、就地2種控制方式，有手動、半自動、自動3種控制模式，適應(yīng)不同場合對排水系統(tǒng)的需求。

2) 利用TCP/IP及無線通信技術(shù)，將排水系統(tǒng)運行狀態(tài)、參數(shù)信息上傳至礦井工業(yè)環(huán)網(wǎng)，為后續(xù)的煤礦井下智能化、少人化提供數(shù)據(jù)平臺。

3) 對排水系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)進行保護設(shè)計，減少電氣元器件的故障率，提高排水系統(tǒng)運行效率。

5 應(yīng)用效果

晉煤集團成莊煤礦一盤區(qū)4#排水系統(tǒng)按照所述設(shè)計進行自動化升級后，取得了較好的效果，并滿足預(yù)期設(shè)計目標：

1) 對排水系統(tǒng)水泵的控制方式有多種選擇，可進行“避峰就谷”控制、“高低水位”控制、“水泵輪換”控制及“水泵定時”控制等。

2) 排水系統(tǒng)保護措施增強，元器件的損壞率降低，電氣故障減少，保證了排水系統(tǒng)安全、連續(xù)、穩(wěn)定運行。

3) 設(shè)備維護變得簡單、處理故障變得方便、運行效率大幅度提高。升級后的排水系統(tǒng)可嘗試少人、無人操作，實現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動化運行。同時，當(dāng)排水系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可通過監(jiān)控平臺進行查看并根據(jù)故障提示對其進行排除。

6 結(jié)論

排水系統(tǒng)是保證煤礦井下安全的重要系統(tǒng)之一。研究并實現(xiàn)排水系統(tǒng)的自動化、智能化是發(fā)展方向之一。將人工勞動力從繁瑣、復(fù)雜的工作中解放出來，促進排水系統(tǒng)的少人化、遠程集中控制。后續(xù)研究中，可將本文的水泵自動控制過程嵌入到排水系統(tǒng)智能化遠程監(jiān)測平臺的大系統(tǒng)中，為實現(xiàn)煤礦“無人則安、少人則安、少時則安”的理念添磚加瓦。