基于PLC的大海則礦井排水系統(tǒng)智能化設(shè)計

郭 剛

(中煤陜西榆林能源化工有限公司,陜西 榆林 719000)

隨著煤炭需求量的不斷增加、煤炭開采重心不斷向西部轉(zhuǎn)移、礦井開采深度不斷增加以及開采強度不斷加強,煤礦開采作業(yè)過程中遇到的環(huán)境也愈發(fā)復(fù)雜,所遇到的滲水情況也更加復(fù)雜,這就需要根據(jù)相應(yīng)的情況調(diào)節(jié)排水設(shè)備的安裝,增加煤炭開采的安全性和穩(wěn)定性[1]。

目前,井下的排水設(shè)施主要存在設(shè)備監(jiān)測及控制不夠及時、排水體系不夠完善等問題。同時,排水設(shè)備的運行及停止主要依靠人工進行判斷和處理,不能有效地處理突發(fā)情況,因此,傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)滿足不了現(xiàn)在對于智能化礦山建設(shè)的需求[2]。

排水系統(tǒng)智能化設(shè)計的一個重要的技術(shù)就是PLC(可編程邏輯控制器)技術(shù)的應(yīng)用[3-4],通過PLC技術(shù)的不斷發(fā)展,將排水設(shè)備與通信網(wǎng)絡(luò)、智能控制等技術(shù)結(jié)合,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸和集中處理,借助大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)大幅度地提高了礦井的智能化水平,極大地提升了排水系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。相關(guān)的專家學(xué)者[5-8]對排水智能化設(shè)計有不同地研究,取得了很好的成果。本文在上述專家學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,基于大海則煤礦實際情況,對煤礦排水智能化設(shè)計進行研究,使礦井的排水系統(tǒng)更加地高效、有序,進而增加煤礦生產(chǎn)的安全性。

1 現(xiàn)場概況

大海則煤礦井下排水系統(tǒng)由副立井井下主排水泵房和2煤北翼輔助運輸大巷移交盡頭的206盤區(qū)水泵房組成。2煤東翼盤區(qū)的井下涌水通過水溝自流至主水倉;2煤西翼盤區(qū)的井下涌水匯集于206盤區(qū)水倉,經(jīng)由206盤區(qū)水泵房內(nèi)的排水設(shè)施和敷設(shè)于2煤北翼帶式輸送機大巷內(nèi)的排水管路排至主水倉;主水倉的水由井下主排水泵房內(nèi)的排水設(shè)施和敷設(shè)管道、副立井井筒內(nèi)的排水管路及地面管路,排至礦井工業(yè)場地井下水處理站,處理后復(fù)用。

1.1 206盤區(qū)排水設(shè)備

在206盤區(qū)配備5 臺MD600-60×2 型礦用耐磨多級離心泵,設(shè)置3趟φ325 mm×8 mm 無縫鋼管排水管路。正常涌水量時2臺水泵工作,2臺備用,1臺檢修;最大涌水量時,3臺水泵同時工作。每臺水泵配套YB3-355M2-4型隔爆電動機一臺,功率為315 k W,電壓為10 k V,同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。

1.2 206盤區(qū)水泵房及附屬設(shè)施

206盤區(qū)水泵房按5臺水泵3趟排水管路布置,水泵采用噴射泵射流引水和真空泵引水啟動方式,二者互為備用。噴射泵系統(tǒng)選用ZPBD 型噴射泵(總成),以灑水管壓力水或壓縮空氣為動力源;真空泵引水系統(tǒng)選用SK-20 型水環(huán)真空泵。水泵出口設(shè)微阻緩閉止回閥,防止水錘發(fā)生。

2 礦井排水系統(tǒng)智能化改造

對礦井排水系統(tǒng)進行智能化改進,最終實現(xiàn)排水系統(tǒng)由人工操控向自動化控制轉(zhuǎn)變,使排水系統(tǒng)在自動運行過程中,對相關(guān)生產(chǎn)信息進行實時記錄、儲存和傳輸,同時可以自動對意外事件進行報警和記錄,實現(xiàn)排水系統(tǒng)啟用的智能化判別、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測和遠(yuǎn)程排水功能的控制,提升礦井排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。排水系統(tǒng)改造技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 排水系統(tǒng)改造技術(shù)路線

2.1 PLC技術(shù)在礦井排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

可編程邏輯控制器(PLC)是在工業(yè)復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)智能化控制的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng)[9]。PLC主要由CPU、數(shù)據(jù)內(nèi)存、電源、傳輸接口及數(shù)字模擬部分組成,其本身已經(jīng)接近于一個緊湊型的電腦主機,通過數(shù)字模塊的程序編輯,可以實現(xiàn)對不同類型的設(shè)備進行自動化控制。

因此,隨著礦井智能化的發(fā)展,PLC 技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在煤礦井下排水設(shè)備的中央處理系統(tǒng)中[10],有效地提高了井下排水設(shè)備和監(jiān)測控制系統(tǒng)之間的連接效率。煤礦井下排水設(shè)備系統(tǒng)控制原理如圖2所示[11]。

圖2 礦井排水設(shè)備系統(tǒng)控制原理

2.2 排水系統(tǒng)組成

煤礦主要水泵自動化控制系統(tǒng)采用的是操作臺+主站+監(jiān)控分站的組網(wǎng)模式。主排水泵自動控制系統(tǒng)由隔爆型PLC集中控制箱、礦用本安操作臺、水泵就地控制箱、礦用隔爆型電動閘閥控制箱、電動閘閥、球閥以及現(xiàn)場傳感器等設(shè)備組成。本安型操作臺、PLC 集中控制柜設(shè)在主變電所內(nèi),水泵就地控制箱和閘閥電控箱設(shè)在水泵房。

操作臺型號為礦用本安型防爆計算機和千兆以太網(wǎng)交換機,井下泵房所有的排水信息均匯集到操作臺,經(jīng)交換機接入礦井以太環(huán)網(wǎng),將設(shè)備運行狀態(tài)和采集的各種信息上傳至礦井調(diào)度中心,最終實現(xiàn)排水泵的智能化控制。

2.3 排水系統(tǒng)功能優(yōu)化設(shè)計結(jié)果

(1)監(jiān)測功能:實時對水倉水位、水泵軸溫、電機軸溫、電機定子溫度、水泵出水口壓力、負(fù)壓(水泵真空度)、每臺泵出水管流量、排水管流量、電機電壓、電流、功率以及水泵運行效率等參數(shù)的監(jiān)測。

(2)控制功能:系統(tǒng)建成后能實現(xiàn)自動采集水泵的各種運行參數(shù),根據(jù)水倉水位、生產(chǎn)工作制及負(fù)荷情況控制水泵自動工作。系統(tǒng)能夠根據(jù)工況設(shè)定,以及時間、水位、煤礦用電負(fù)荷等參數(shù)自動控制水泵的起停,并能實現(xiàn)泵閥的連鎖起動,對運行中的各種參數(shù)進行實時控制,通過接口向上傳送數(shù)據(jù)。

(3)報警功能:發(fā)生故障時,泵房現(xiàn)場要有聲光報警,控制主站實現(xiàn)報警類型語音自動播報,并上傳地面中心站,直到監(jiān)控人員手動解除報警,報警記錄可查詢。水泵控制系統(tǒng)通過礦用擴音電話等設(shè)備,實現(xiàn)水泵系統(tǒng)和礦用語音應(yīng)急平臺融合以及系統(tǒng)設(shè)備啟停語音預(yù)警。

(4)視頻聯(lián)動:每臺水泵配置礦用本安型球形攝像儀,可對水泵啟動流程各個環(huán)節(jié)進行自動視頻跟機切換。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生故障,傳感器報警時,對應(yīng)水泵的視頻監(jiān)控圖像自動彈出,提醒監(jiān)控人員。

(5)故障停泵:水泵在自動控制工作方式下運行發(fā)生故障時,系統(tǒng)將按照所設(shè)定的停泵程序自動停止運行水泵。為了使各水泵及其管路的使用率分布均勻,當(dāng)水泵在啟動或運行過程中出現(xiàn)故障時,系統(tǒng)自動停止故障水泵,啟動其他水泵排水,實現(xiàn)水泵自動輪換工作。同時,系統(tǒng)自動發(fā)出聲光報警,并在本地操作屏和地面操作站上動態(tài)閃爍顯示,記錄事故。

(6)動態(tài)顯示:就地動態(tài)模擬顯示選用操作屏,地面操作站系統(tǒng)動態(tài)模擬顯示采用組態(tài)軟件開發(fā)。排水控制系統(tǒng)能夠通過圖形動態(tài)顯示水泵、真空泵、電動閘閥和球閥的運行狀態(tài),采用改變圖形顏色和閃爍功能進行事故報警,直觀地顯示電動閘閥和球閥的開閉位置,實時顯示水泵抽真空情況、出水口壓力值及管路流量。

(7)報表、工況分析及存檔功能:系統(tǒng)能夠按泵房開泵時間、排水量形成數(shù)據(jù)報表,對排水系統(tǒng)工況分析;能夠?qū)F(xiàn)場運行信息存入數(shù)據(jù)庫,以便隨時進行歷史數(shù)據(jù)查詢。

2.4 信息化系統(tǒng)改進設(shè)計

大海則礦井采用地面、井下雙環(huán)閉合設(shè)計,建立覆蓋地面、井下全部安全生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全生產(chǎn)綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),采用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),通過控制網(wǎng)絡(luò)核心交換機構(gòu)建四個相對獨立的環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng),包括地面視頻萬兆環(huán)網(wǎng)、地面監(jiān)控千兆環(huán)網(wǎng)、井下視頻萬兆環(huán)網(wǎng)和井下監(jiān)控千兆環(huán)網(wǎng)。

大海則礦井在井下主排水泵房設(shè)置井下主排水監(jiān)控系統(tǒng),系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)接口,采用標(biāo)準(zhǔn)OPC(超速保護控制單元)通訊協(xié)議,可實現(xiàn)以下功能:

(1)實現(xiàn)井下排水系統(tǒng)設(shè)備“三遙”控制,具備“就地/遠(yuǎn)程”多種控制方式;

(2)根據(jù)井下涌水量,優(yōu)化配水泵與水位的聯(lián)動,使其自動循環(huán)運行;

(3)監(jiān)測水倉液位、管路流量、出水壓力、閥門開關(guān)狀態(tài)等參數(shù);

(4)監(jiān)測水泵電機電流、電壓、軸承溫度、運行狀態(tài)、故障信息等參數(shù);

(5)配置一臺井下隔爆工業(yè)以太網(wǎng)交換機,就近接入礦井井下控制環(huán)網(wǎng),通過礦井井下控制環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)地面生產(chǎn)調(diào)度中心對井下主排水監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測、監(jiān)控功能,實現(xiàn)無人值守。

3 改進效果分析

以PLC 技術(shù)為重心的礦井排水智能化改進系統(tǒng),能夠很好地滿足礦井排水要求,并且改進后的排水系統(tǒng)控制部分更加智能化,能自主地啟動并運行監(jiān)測、分析、報警、啟泵等一體化程序,減少了3～4人的中央水泵房崗位,只需對相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)進行定期維護,降低了人工操作失誤帶來的安全事故隱患。同時,系統(tǒng)能夠?qū)崟r且精準(zhǔn)地監(jiān)測井下的各種排水信息,自主調(diào)節(jié)各排水設(shè)備的運行狀態(tài),達(dá)到整個排水系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài),極大地提升了礦井排水系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

隨著煤炭開采技術(shù)的不斷發(fā)展,礦山機械化、智能化是其發(fā)展的必然趨勢。本文基于PCL 技術(shù)對大海則礦井排水系統(tǒng)智能化設(shè)計進行了研究,提高了其排水系統(tǒng)的智能化程度,增強了其監(jiān)測、控制、報警、視頻聯(lián)動、故障停泵、水泵自動輪換、動態(tài)顯示等功能,提高了礦井排水系統(tǒng)的信息處理能力,降低了人工成本,使得礦井排水系統(tǒng)的智能化程度明顯提升,為相關(guān)礦井的智能化、自動化建設(shè)提供了相關(guān)經(jīng)驗。