礦井網(wǎng)絡(luò)化供排水自動控制系統(tǒng)

馬 飛

（軒崗煤電公司劉家梁礦環(huán)保部， 山西 軒崗 034114）

地下排水系統(tǒng)[1]承擔(dān)著地下水排除任務(wù)。目前大部分排水系統(tǒng)仍是使用手動操作模式。隨著微電子技術(shù)和控制理論應(yīng)用于各行各業(yè)，當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)的安全性、可靠性和效率有了很大的改進(jìn)。隨著現(xiàn)代煤炭管理與經(jīng)營企業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)方式的排水系統(tǒng)已不能適應(yīng)發(fā)展需求，這促使自動排水系統(tǒng)來保證煤礦開采的安全和效率。自動排水系統(tǒng)是現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了礦井排水的自動檢測。當(dāng)泵在無人操作的情況下，系統(tǒng)可根據(jù)具體情況制訂最佳運(yùn)營方案，并實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)測和控制。

1 雙邏輯控制模式

根據(jù)井水位確定泵站的狀態(tài)是判斷操作的最簡單的控制模式[2]。由微機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)水位設(shè)置和邏輯操作后果，雙邏輯控制系統(tǒng)將獲取泵的運(yùn)行狀態(tài)。

如圖1 所示，泵房位于a 層和b 層之間，泵隨著水位的變化自動打開和停止，當(dāng)水位高于a 點(diǎn)時，排水泵啟動；當(dāng)水位低于b 點(diǎn)時，泵停止工作。因此，應(yīng)設(shè)置水位開關(guān)在邏輯控制系統(tǒng)的相應(yīng)級別。當(dāng)水位高于規(guī)定值時，水通電合閘，水位邏輯值a、b 均為1；當(dāng)水位低于規(guī)定值時，開關(guān)通電切斷，水位邏輯值a、b均為0。從工作過程來看，它是一個邏輯系統(tǒng)可以通過控制器的輸入來記憶變量或輸出設(shè)備。變量為水位開關(guān)Ka 和Kb；而另一個代表水泵當(dāng)前狀態(tài)的變量是Pt-1。根據(jù)排列組合可組成8 種情況。根據(jù)給定的要

圖1 水泵站的雙邏輯控制

求，每個組合結(jié)果應(yīng)符合表1 中的關(guān)系演算。

表1 變量的邏輯運(yùn)算

表1 中的序號5 和6，這兩種不符合實(shí)際情況的邏輯組合屬于故障，將不予考慮。因此建立邏輯運(yùn)算，并遵循以下步驟[3]：

基于雙邏輯控制原理，設(shè)計(jì)了雙邏輯電路控制自動排水系統(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 雙控電路原理

2 監(jiān)測系統(tǒng)的組成和功能

在實(shí)際工作中，根據(jù)各種運(yùn)行參數(shù)的控制方法[4]（如進(jìn)水量、泵狀況等）水泵會改變工作狀態(tài)，排水系統(tǒng)中的現(xiàn)場環(huán)境和事故等情況隨時會變化，這將使排水系統(tǒng)需要更多的監(jiān)測功能。PLC 作為控制器，超聲波液位傳感器監(jiān)控水位電平，相應(yīng)的控制電路和控制電路閥門和接觸器作為執(zhí)行件，用于監(jiān)控泵站控制系統(tǒng)，如下頁圖3 所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)可以在自動、半自動和手動三種模式下工作[5]。自動模式表示超聲波液位傳感器持續(xù)工作檢測水位的變化，以及根據(jù)水位自動開啟或關(guān)閉泵和閥門。正常情況下，每個泵都可以自動啟動在雙邏輯控制和“輪班制”。半自動模式意味著手動操作打開或停止水泵，閥門處于打開狀態(tài)時，是否打開或關(guān)閉，由PLC 自動確定。手動模式意味著維護(hù)人員可以進(jìn)行操作泵電機(jī)、自動閥或電磁閥的任何開關(guān)，消除相互閉鎖關(guān)系，圖4 顯示了水泵房內(nèi)的排水管。

圖4 泵殼內(nèi)的管道

1）自動注水（真空）。僅當(dāng)泵葉輪完全浸入水中時，泵內(nèi)真空達(dá)到一定程度實(shí)現(xiàn)排水。如果真空不足且空氣靜止存在于泵中，將導(dǎo)致無法抽水和工作機(jī)“無水循環(huán)加熱”等。該系統(tǒng)采用噴射泵抽氣，真空計(jì)抽氣監(jiān)測真空度和流量，作為真空度和流量的備用監(jiān)測。它還控制噴射泵的啟動和停止通過導(dǎo)管開關(guān)（控制閥的靜壓 10、20、30、40 和 50）。

2）可控閥的操縱為降低啟動功率，以下操作程序水泵要求在運(yùn)行時關(guān)閉出口閥啟動離心泵。停止泵時，在為了避免水錘事故，首先要關(guān)閉閥門逐漸降低到流速直到停止運(yùn)行抽水機(jī)。

3）水位自動監(jiān)測水位，驅(qū)動或停止泵，采集開關(guān)量（水位開關(guān)）和模擬量。水位達(dá)到2 時，啟動泵處于電力低計(jì)費(fèi)期；當(dāng)水位上升到最高點(diǎn)3 時，啟動泵處于電力高計(jì)費(fèi)期。如果水位上升到4 時，表明一臺水泵不足以排除礦井涌水，啟動第二臺水泵，配兩臺水泵在最大排水能力下排水。無論運(yùn)行多少臺泵，水位必須在它們停止排水之前，應(yīng)低于1。通過超聲波液位計(jì)以模擬量的形式到PLC 信號，校準(zhǔn)由PLC 通過軟件進(jìn)行，分時賬單也將由PLC 通過軟件進(jìn)行校準(zhǔn)。

4）主控制柜顯示屏可以指示水位、水流、泵壓力和壓力電機(jī)、電磁閥和自動閥的工作狀態(tài)。所有參數(shù)和工作狀態(tài)將傳輸至地面計(jì)算機(jī)由PLC 控制。經(jīng)過分析，得出結(jié)論以曲線和報(bào)告的形式顯示在屏幕上，使管理者在地面上可以做出判斷并發(fā)送命令。

5）故障的維護(hù)。一是流量保護(hù)，當(dāng)泵開始工作或在正常情況下，如果水流不能達(dá)到正常值，停止當(dāng)前泵并啟動另一個泵；二是電機(jī)故障，PLC 監(jiān)控電機(jī)的故障泵電機(jī)，如欠壓、過流、短路。通過壓力、流量等參數(shù)的測量結(jié)果反饋給PLC，以便能夠分析閥門故障。

6）電動機(jī)的自動控制。它是自動排水系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)，由PLC、中間繼電器和接觸器組成。如果電機(jī)長期未使用或存在一些潛在故障，在緊急情況下可能無法投入運(yùn)行，應(yīng)采用“輪班工作制”。當(dāng)一臺泵或其附屬泵閥門無法工作或正在維修，應(yīng)更換該泵，其余泵繼續(xù)循環(huán)排水。

3 結(jié)論

1）監(jiān)測系統(tǒng)采用在線監(jiān)測方式，以達(dá)到監(jiān)測水泵房內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行，以及自診斷功能，在泵房內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無人操作。然后它將交換數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)和礦井監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息傳遞。

2）該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種工作模式，正常情況下，它會根據(jù)水位自動操作電機(jī)；在故障或維護(hù)時，系統(tǒng)可在半自動或手動模式下運(yùn)行操作，即可以“截?cái)唷闭谶M(jìn)行的操作。

3）可在工作中自動切換，以避免同一臺泵工作時間過長，而其他泵處于閑置狀態(tài)，泵的工作壽命可以大大延長。

4）為了提高電網(wǎng)的質(zhì)量，礦井監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷的峰值以及負(fù)荷轉(zhuǎn)移情況確定泵的啟動或停止。