煤礦井下排水智能控制系統(tǒng)研究

李艷軍 張海峰

摘要：在煤礦事故中，水災(zāi)作為第二大元兇，造成了較大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，于是對煤礦井下進(jìn)行合理的排水十分重要。文章設(shè)計了一種井下排水智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化控制井下排水。通過對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件和軟件的設(shè)計，能夠增強系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和靈活性，使得系統(tǒng)在理論上具有較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：煤礦;井下排水智能控制系統(tǒng);設(shè)計

中圖分類號：TP273;TD63+6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0185-04

我國煤礦多為井工開采，由于煤層賦存條件和地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，再加上作業(yè)環(huán)境特殊，導(dǎo)致安全事故頻發(fā)[1]。隨著煤礦智能化和自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，我國煤礦安全事故已經(jīng)在不斷下降，但是和世界發(fā)達(dá)國家相比，事故發(fā)生率還比較高。造成安全事故的因素較多，圖1即為近年來我國煤礦主要安全事故類型分布情況。從圖中可以看出除了瓦斯是第一殺手之外，水害造成事故發(fā)生的概率是最大的[2]。所以加強礦井水害防治工作非常重要。

礦井在生產(chǎn)過程中，煤層附近各水體均可能通過各種通道進(jìn)入礦井，當(dāng)涌水量增加時，若無法及時排出，輕則影響正常安全生產(chǎn)，重則出現(xiàn)重大安全事故。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果表明，我國大約有27%的礦井因為水災(zāi)造成經(jīng)濟損失和人員傷亡[3]。所以搭設(shè)設(shè)計合理、性能良好、可靠性高的井下排水系統(tǒng)，對防治礦井水害十分重要。

目前我國煤礦井下排水系統(tǒng)普遍存在設(shè)計不合理，靈活性較差，可靠性不高，抗災(zāi)能力差等問題[4]。這些問題可導(dǎo)致系統(tǒng)運行成本大且不穩(wěn)定，維修不便。當(dāng)井下出現(xiàn)異常涌水情況時，可導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。針對這些問題，本文對煤礦井下排水方式進(jìn)行分析，應(yīng)用智能化控制技術(shù)，設(shè)計出合理的排水智能控制系統(tǒng)。

1 井下排水智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 井下排水方式分析

煤礦開采過程中使用的排水方式類型較多，每種排水方式各有優(yōu)劣性。根據(jù)排水系統(tǒng)的吸水口位置不同，可以將其分為吸人式、壓人式和吸壓結(jié)合的排水方式;另外，根據(jù)排水方式不同，可以分為分段式排水和集中排水[5]。通過對比分析不同排水方式的優(yōu)缺點、可靠性和經(jīng)濟性，本文研究的排水系統(tǒng)選擇集中排水方式。

集中排水方式就是將井下水倉中的水直接排出去。有些煤礦采用的多水平方式開采，針對這種情況，集中排水方式可以分為串聯(lián)排水和直接排水[6]。當(dāng)水平面中的水量比較小時，可以不用將每層的水量直接排出，而是將上水平面水倉中的水排放到下一個水平面，然后再將所有的水集中排出。當(dāng)每層的水量比較大時，則需要采用直接排水的方式。圖2即為集中排水的幾種形式。集中排水方式的結(jié)構(gòu)比較簡單，方便操作，實際的應(yīng)用效果好，成本投資較少，所以選擇集中排水方式的煤礦占比較多。

1.2 井下排水系統(tǒng)的管路設(shè)計

水泵在排水系統(tǒng)中屬于核心組件，在系統(tǒng)中扮演重要角色。由于離心式水泵具有使用和操作簡單，維修和保養(yǎng)方便，工作效率高等優(yōu)點，在礦井中被廣泛的應(yīng)用[7]。本文設(shè)計選用的即為離心式水泵，其主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

離心式水泵的工作原理為：在其啟動之前，通過灌水漏斗，將泵腔充滿水，排盡腔內(nèi)空氣。水泵開啟之后，電機帶動葉輪陜速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，泵腔內(nèi)的水被甩至泵殼，從而使得泵腔內(nèi)處于真空狀態(tài)，在大氣壓的作用下，水倉中的水不斷的從吸入口處被吸入，泵殼內(nèi)流道隨水流量的增加而擴大，水流動能隨之減小，在水壓的作用下進(jìn)入出水管道。離心泵啟動流程如圖4所示。

圖5即為管路的整體設(shè)計，主要構(gòu)件有離心泵、電動閥門、電機、排水管、檢測儀器等。通過對所有構(gòu)件的合理配置即可設(shè)計出整體的排水管路系統(tǒng)。在設(shè)計過程中，需要注意以下2點：①在安裝出水閘閥時需要將其設(shè)置在距離水泵管路比較近的地方，出水閘閥的功能為在啟動之前保證達(dá)到符合要求的壓力。②逆止閥安裝在出水閥的上方，其具有方向性，主要作用為防止水倒流，降低水錘效應(yīng)。檢測儀表有壓力表和真空表，用以監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況。真空表主要作用為檢測泵腔內(nèi)真空度是否達(dá)到要求;壓力表的作用為觀察水泵啟動時壓力的變化以決定何時打開出口閥門。射流系統(tǒng)的主要作用為通過引水操作，在離心式水泵工作之前，用射流系統(tǒng)向泵腔內(nèi)灌水。

1.3 井下排水智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于當(dāng)前大量煤礦排水系統(tǒng)存在可靠性差、抗災(zāi)變能力低等問題，本文通過使用分布控制理論對其進(jìn)行改進(jìn)。系統(tǒng)使用容錯設(shè)計，能夠支持多種模式運行，且每個模式相互獨立，當(dāng)其中一個模式出現(xiàn)問題，不會影響到其他模式的運用，對出現(xiàn)問題的模式進(jìn)行維修比較簡單。圖6即為系統(tǒng)的整體框架圖。

系統(tǒng)各個單元利用控制網(wǎng)絡(luò)互相連接，形成一個整體，每個單元之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。地面監(jiān)控中心的作用是對井下系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控;水泵調(diào)度單元的主要任務(wù)為完成水泵組的最優(yōu)調(diào)度，實現(xiàn)系統(tǒng)的運行和保護等功能。水泵控制單元是對水泵系統(tǒng)提供運轉(zhuǎn)模式，即當(dāng)接收到相關(guān)命令之后，會自動轉(zhuǎn)到相應(yīng)的運轉(zhuǎn)模式。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種模式的自動切換，如果監(jiān)控中心在信息傳遞過程中出現(xiàn)問題，系統(tǒng)能夠直接切換到井下自動運行模式，從而可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.4 井下排水智能控制系統(tǒng)的功能設(shè)計

系統(tǒng)框架設(shè)計完畢后，對煤礦井下實際排水情況進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)的各項功能，如圖7所示，主要包含7項重要功能。

1）多種運行模式切換：系統(tǒng)中設(shè)置了3種運行模式，這3種模式相互獨立，能夠?qū)崿F(xiàn)運行模式互相切換，但不宜經(jīng)常性的切換，不然會使系統(tǒng)出現(xiàn)混亂現(xiàn)象;另外，為了方便系統(tǒng)的檢修，設(shè)置現(xiàn)場控制優(yōu)先于遠(yuǎn)程控制模式，手動控制模式優(yōu)先于自動控制模式。

2）可視化控制：地面主控操作系統(tǒng)顯示屏可以顯示井下水泵房運行實況;監(jiān)控數(shù)據(jù)中心能檢測和收集井下排水系統(tǒng)設(shè)備實時運行參數(shù)和工況，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程實時動態(tài)監(jiān)測，降低工人勞動強調(diào)。

3）水泵啟停自動化：水泵啟停自動化能夠方便操作，系統(tǒng)可以自行啟停排水。

4）系統(tǒng)保護：系統(tǒng)在運行過程中如果出現(xiàn)問題，系統(tǒng)保護功能可以對系統(tǒng)起到保護作用，從而提高了系統(tǒng)的安全性能。

5）排水系統(tǒng)自動運行：通過智能調(diào)度策略，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)自行運作，能夠提高排水的效率，系統(tǒng)更加的智能化和自動化。

6）水泵自動輪換：通過對水泵使用狀況和壽命的了解，對每個水泵進(jìn)行合理安排，使其既不會處于長時間工作，又不會處于閑置狀態(tài)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

7）數(shù)據(jù)采集與顯示：在控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集非常重要，直接決定著系統(tǒng)的排水效果。通過分析采集的數(shù)據(jù)，能實時了解設(shè)備的運行狀態(tài)，為系統(tǒng)運行效果和可靠性的分析提供依據(jù)。

2 井下排水智能控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

2.1 井下排水智能控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計

為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)操作便捷和維修方便，在設(shè)計過程中，使用以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線，然后對系統(tǒng)進(jìn)行分層設(shè)計，如圖8所示，即為系統(tǒng)的拓?fù)鋱D，主要包含3個部分。

監(jiān)控層主要依據(jù)以太網(wǎng)和相關(guān)的井下數(shù)據(jù)，控制和檢測井下排水系統(tǒng)。運算層的主要作用是將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)分析運算，得出排水方式的最優(yōu)方案，然后對水泵的狀態(tài)進(jìn)行檢測，并將水泵狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞到地面的監(jiān)控中心。執(zhí)行層就是對運算層選擇的方案進(jìn)行實施，以實現(xiàn)自動化排水。總之，監(jiān)控層相當(dāng)于老板，運算層相當(dāng)于管理者，執(zhí)行層相當(dāng)于員工，3個部分有機結(jié)合，共同為系統(tǒng)的運行服務(wù)。

2.2系統(tǒng)的硬件設(shè)計

圖9即為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖，主要包含3個單元，分別為監(jiān)測單元、水泵控制單元和調(diào)度單元。其中監(jiān)測單元是智能控制系統(tǒng)的前提，調(diào)度單元是其核心，控制單元是其基礎(chǔ)。

2.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

設(shè)計井下排水智能控制系統(tǒng)使用與S7-300配套的STEP7編程軟件，系統(tǒng)功能的設(shè)計應(yīng)滿足煤礦實際的要求。STEP7程序可以分為模塊化程序和線性化程序，由于模塊化程序方便開發(fā)，具有耦合性小的優(yōu)勢，應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計中方便調(diào)試和集成，于是設(shè)計控制系統(tǒng)時采用模塊式程序[8]。本文的系統(tǒng)主要由兩個模塊組成，分別為水泵PLC控制和調(diào)度PLC控制單元。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對井下排水智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行設(shè)計，選擇合適的硬件和軟件設(shè)施，確保智能控制系統(tǒng)能夠正常運行，是可以實現(xiàn)煤礦井下排水系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。研究在一定程度上優(yōu)化了排水系統(tǒng)的設(shè)計，且具有較好的使用效果，但還存在較多的問題，需要在煤礦實際的應(yīng)用中，對其進(jìn)行不斷的優(yōu)化和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]孟磊，趙毅鑫，姜耀東，等.井工煤礦緊急避險系統(tǒng)的應(yīng)用與探討[J].煤炭工程，2011（08）：24-26.

[2]傅貴，楊春，殷文韜，煤礦水災(zāi)事故動作原因研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2014，24（5）：56-61.

[3]楊春.煤礦水災(zāi)事故不安全動作原因研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2016.

[4]魯葉云.基于PLC的井下排水系統(tǒng)自動控制過程設(shè)計[J].山西焦煤科技，2019，43（12）：52-55.

[5]梁仕義，淺談礦山井下離心泵的引水啟泵方式[J].有色金屬設(shè)計，2019，46（01）：1-3.

[6]李強.煤礦主排水監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用[D].太原：太原理工大學(xué)，2010.

[7]李洋.MD型離心泵節(jié)能改造的研究與應(yīng)用[J].煤礦機械，2014，35（10）：188-190.

[8]羅庚興.西門子STEP7編程軟件的使用方法[J].南方金屬，2006（05）：35-39.

作者簡介：李艷軍（1980-），男，漢族，陜西榆林人，碩士研究生，講師，主要從事安全技術(shù)及工程方面的教學(xué)與科研工作。