KJ472排水監(jiān)控系統(tǒng)在井下礦山的應(yīng)用

吳已成，王先敏，賴武衛(wèi)，唐強(qiáng)武，杜志國(guó)

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

某礦是一座井采礦山，在井下礦石的開(kāi)采過(guò)程中，會(huì)聚集礦層涌水以及大量的地下水[1-3]。不同的深層以及季節(jié)的差異性，導(dǎo)致井下涌水量不斷的變化，多達(dá)17m3/s~20 m3/s及以上。當(dāng)涌水量急劇的匯集增長(zhǎng)時(shí)，會(huì)超出排水系統(tǒng)的上限范圍，儲(chǔ)水倉(cāng)爆滿導(dǎo)致突水事故的發(fā)生，嚴(yán)重威脅武山銅礦的安全生產(chǎn)。

早期的井下排水系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的PLC控制模塊對(duì)液位進(jìn)行粗略的判斷，存在控制不變，信號(hào)反饋不及時(shí)等問(wèn)題，需要操作人員24小時(shí)在井下實(shí)時(shí)盯梢液位的情況。某礦所管轄南-210的KJ472排水監(jiān)控系統(tǒng)采用S7-1200型號(hào)西門子作為核心設(shè)備，選取溫度、壓力、水位高度傳感器分布在井下相應(yīng)位置，對(duì)排水系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控。將從傳感器中獲取到的數(shù)據(jù)通過(guò)模擬量傳輸給PLC，然后PLC控制系統(tǒng)根據(jù)先前調(diào)節(jié)好的閾值對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的水位進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣監(jiān)測(cè)與控制。

排水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，先通過(guò)探測(cè)液位的傳感器測(cè)出水域的高度及水位變化的速度，得到的模擬量數(shù)據(jù)傳輸給PLC[4-6]。系統(tǒng)將得到的水位高度和變化速度數(shù)據(jù)與事先設(shè)定好的閾值進(jìn)行對(duì)比，以此確定是否啟動(dòng)水泵進(jìn)行作業(yè)。設(shè)置不同的擋位，根據(jù)擋位的不同來(lái)確定開(kāi)啟水泵的臺(tái)數(shù)。當(dāng)水域的液位高度或者液位下降的速度滿足低于閾值時(shí)，排水系統(tǒng)會(huì)逐漸的減少作業(yè)水泵的臺(tái)數(shù)及水泵的運(yùn)行功率。按需進(jìn)行排水調(diào)控，既能保障排水的安全，又能節(jié)約能源，大大提高了排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

1 KJ472排水監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

1.1 運(yùn)行主界面及控制面板

在圖1畫面中會(huì)動(dòng)態(tài)反饋每臺(tái)水泵的出水壓力、真空壓力、電機(jī)電流、管路流量、電機(jī)溫度、水泵溫度、水泵振動(dòng)、泵組效率、運(yùn)行時(shí)間以及主排水泵的運(yùn)行狀態(tài)，水倉(cāng)的液位情況等。操作人員可以根據(jù)該主界面實(shí)時(shí)的觀測(cè)排水系統(tǒng)是否正常運(yùn)作，如有數(shù)據(jù)發(fā)生異常，可及時(shí)做出處理，保障排水的工作效率。

圖1 運(yùn)行主界面

在圖2所示畫面中，操作人員通過(guò)點(diǎn)擊“一鍵啟動(dòng)”按鈕，可將處于“投入”狀態(tài)的主排水泵起動(dòng)、排水閘閥打開(kāi)；當(dāng)水泵啟動(dòng)完成后，可根據(jù)水域液位高度情況按“一鍵停止”按鈕，一鍵關(guān)閥，停泵。不需要人工手動(dòng)運(yùn)行，達(dá)到了精準(zhǔn)啟動(dòng)與停泵的水平。該排水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)具有故障監(jiān)測(cè)和應(yīng)急處理功能，當(dāng)所反饋的數(shù)據(jù)超出所設(shè)置的閾值時(shí)，判斷運(yùn)行異常，控制系統(tǒng)迅速下達(dá)停機(jī)指令。為了避免機(jī)組突然停止運(yùn)行導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)“水錘”沖擊現(xiàn)象，系統(tǒng)在控制停機(jī)時(shí)首先逐步降低排水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)柔性停機(jī)，確保排水泵的運(yùn)行安全。

圖2 水泵控制面板

1.2 參數(shù)設(shè)置

在圖3所示的參數(shù)設(shè)置畫面中，可以對(duì)水泵運(yùn)行模式，液位檢測(cè)信號(hào)來(lái)源，避峰填谷功能，真空泵投切、高壓補(bǔ)水閥與水箱補(bǔ)水閥的手動(dòng)/自動(dòng)模式進(jìn)行相應(yīng)的切換操作。

圖3 參數(shù)設(shè)置

其中高壓補(bǔ)水閥處于自動(dòng)模式時(shí)，當(dāng)1-6#泵組任一臺(tái)泵處于引水步時(shí)，且高壓水壓力所設(shè)定的低壓下限值17bar，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)高壓補(bǔ)水閥補(bǔ)水，當(dāng)高壓水壓力高于所設(shè)定的高壓值23bar，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉高壓補(bǔ)水閥。

水箱補(bǔ)水閥處于自動(dòng)模式時(shí)，浮球開(kāi)關(guān)處于高位，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉補(bǔ)水閥；當(dāng)浮球處于低位，會(huì)自動(dòng)打開(kāi)補(bǔ)水閥。

真空泵1與真空泵2必須有1臺(tái)處于投入狀態(tài)，系統(tǒng)默認(rèn)2#真空泵處于投入狀態(tài)，若需將2#真空泵切除，需先將1#真空泵切至投入狀態(tài)，真空泵2方能切除成功。不論投切狀態(tài)，當(dāng)一臺(tái)真空泵跳閘時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)將備用真空泵投入。

如圖4所示畫面，可對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的各泵組參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其中真空補(bǔ)償壓力是自動(dòng)根據(jù)所設(shè)定的真空壓力與水倉(cāng)水位進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算后所需要達(dá)到的數(shù)據(jù)。參數(shù)的設(shè)定根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可適當(dāng)調(diào)整。

圖4 參數(shù)設(shè)定

1.3 全自動(dòng)控制原則

（1）常規(guī)控制：此控制模式下，當(dāng)液位超過(guò)“單泵液位”時(shí)，起動(dòng)1臺(tái)水泵；當(dāng)液位超過(guò)“雙泵液位”時(shí),起動(dòng)2臺(tái)水泵；當(dāng)液位超過(guò)“極限液位”時(shí)，起動(dòng)3臺(tái)水泵；當(dāng)液位低于單泵液位時(shí)，只運(yùn)行1臺(tái)水泵，當(dāng)液位低于“停泵液位”時(shí)，會(huì)停止所有水泵?？赏ㄟ^(guò)設(shè)備液位參數(shù)進(jìn)行模擬的方式試車。水泵啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)近段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)間最短的水泵，停止近段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的水泵，運(yùn)行時(shí)間在每個(gè)月的1號(hào)、11號(hào)、21號(hào)1點(diǎn)1分重新歸零。

（2）超限控制（液位超過(guò)“超限液位”）：起動(dòng)能夠啟動(dòng)的3臺(tái)水泵，當(dāng)3臺(tái)啟動(dòng)后，液位還在上漲，將再次啟動(dòng)1臺(tái)。

1.4 參數(shù)曲線

如上圖5，可對(duì)排水流量、電機(jī)電流、電機(jī)定子溫度、排水壓力、真空壓力、電機(jī)前軸溫度、電機(jī)后軸溫度、泵組振動(dòng)、水倉(cāng)水位等參數(shù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)曲線查詢，歷史曲線可分泵組進(jìn)行快捷查詢。

圖5 參數(shù)曲線

2 操作步驟及注意事項(xiàng)

2.1 一鍵啟停操作步驟

（1）將泵房現(xiàn)場(chǎng)電控柜面板上“就地/遠(yuǎn)程”旋至“遠(yuǎn)程”操作狀態(tài)，并在觸摸顯示屏上畫面確認(rèn)相關(guān)柜體狀態(tài)。

（2）在“參數(shù)設(shè)置”頁(yè)面上確認(rèn)“引水方式”為射流泵或真空泵，并確認(rèn)所需要啟動(dòng)的泵組處于投入狀態(tài)。

（3）點(diǎn)擊所需啟動(dòng)的泵組，會(huì)彈出操作面板，點(diǎn)擊“一鍵啟動(dòng)”系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)引水，自動(dòng)啟動(dòng)水泵，自動(dòng)打開(kāi)排水閘閥；點(diǎn)擊“一鍵停止”系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉排水閘閥，自動(dòng)停止水泵。

2.2 啟停過(guò)程中注意事項(xiàng)

（1）水泵抽真空過(guò)程：水泵抽真空時(shí)，真空泵或射流泵運(yùn)行后，此時(shí)相應(yīng)泵組的真空壓力會(huì)下降，下降至“真空初償壓力”數(shù)值并延時(shí)“真空延時(shí)時(shí)間”時(shí)間后，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)水泵。若真空泵組運(yùn)行后，真空壓力數(shù)據(jù)沒(méi)有發(fā)生變化，可能是閥門故障，或有漏氣情況發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出“引水失敗”的故障報(bào)警，需再次啟泵之前進(jìn)行泵組檢修，排查泵組漏氣原因。

（2）水泵啟動(dòng)過(guò)程中，觀察泵組的排水壓力與排水流量，泵組的排水壓力需大于“開(kāi)閥出水壓力”才會(huì)自動(dòng)打開(kāi)排水閥門，若泵組在啟動(dòng)過(guò)程中，排水壓力小于所設(shè)定的排水壓力下限，可能是泵組沒(méi)有上水，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止泵組，需重新啟動(dòng)泵組抽真空，若多次出現(xiàn)此情況，需對(duì)該泵組進(jìn)行檢修或適當(dāng)修改“真空設(shè)定壓力”數(shù)值并加大“真空延時(shí)時(shí)間”參數(shù)值。

2.3 系統(tǒng)聯(lián)鎖保護(hù)

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中共有以下幾種情況會(huì)聯(lián)鎖保護(hù)停機(jī)：①電機(jī)定子溫度＞95℃ 、前軸、后軸溫度＞75℃。②水泵前軸、后軸溫度＞55℃ 。③真空壓力＞（0.85+液位補(bǔ)償值）。④電機(jī)電流＞50A。⑤電機(jī)電流＜30A。⑥水泵流量＜100m3/h。⑦排水壓力＜23bar。⑧排水壓力＞27bar。⑨水倉(cāng)水位＜1.7m。⑩啟動(dòng)柜故障。排水閘閥故障。運(yùn)行信號(hào)丟失。

以上信號(hào)會(huì)引起水泵聯(lián)鎖故障停機(jī)，在試車過(guò)程中可通過(guò)調(diào)整保護(hù)參數(shù)設(shè)置的方式進(jìn)行故障測(cè)試。

2.4 系統(tǒng)啟停泵保護(hù)

系統(tǒng)啟停泵過(guò)程中共有以下幾種情況會(huì)啟泵失?。赫婵毡没蛏淞鞅眠\(yùn)行后4分鐘內(nèi)，真空還沒(méi)有達(dá)到“真空補(bǔ)償壓力”，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出“抽真空失敗”報(bào)警。水泵啟動(dòng)運(yùn)行后50S內(nèi)，沒(méi)有接收到電機(jī)所反饋的運(yùn)行信號(hào)或排水壓力沒(méi)有達(dá)到“允許開(kāi)閥壓力”，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出“啟泵失敗”報(bào)警。在開(kāi)閥或關(guān)閥命令發(fā)出后125S內(nèi)，沒(méi)有接收到閥門相應(yīng)的全開(kāi)或全關(guān)信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出“開(kāi)閥失敗”或“關(guān)閥失敗”報(bào)警。在停泵命令發(fā)出后20S內(nèi)，或還接收到電機(jī)所反饋的運(yùn)行信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出“停泵失敗”報(bào)警。

3 結(jié)語(yǔ)

介紹了KJ472排水監(jiān)控系統(tǒng)在某礦井下-210的應(yīng)用和使用注意事項(xiàng)：①該排水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠通過(guò)井下水域的液位變化情況，自動(dòng)調(diào)整水泵開(kāi)啟的臺(tái)數(shù)。且能柔性停機(jī)，緩慢的降低水泵的功率，保護(hù)其使用壽命。②該排水系統(tǒng)能在保證安全生產(chǎn)的前提下，靈活的控制排水作業(yè)，降低了排水的成本費(fèi)用，具有經(jīng)濟(jì)性。③采用的液位傳感器，可靠性高、穩(wěn)定性好，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位變化情況。④該排水系統(tǒng)投入使用后，排水的耗電量及液位報(bào)警次數(shù)大大減少，未出現(xiàn)因排水不及時(shí)而導(dǎo)致的緊急撤離現(xiàn)象，確保了采礦、掘進(jìn)作業(yè)的順利進(jìn)行。