自動化集中控制系統(tǒng)在樂礦排水站的應(yīng)用

葉迪保，葉迪銀

（江西樂礦能源集團陜西分部，陜西 韓城 715400）

1 概述

樂礦能源集團北部礦區(qū)有四對礦井，礦區(qū)年平均累計降雨量1 759.5 mm，年最大降雨量2 673.6 mm（1954年），降雨期主要集中在6、7月份。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，北部礦區(qū)內(nèi)涌山煤礦、沿溝煤礦、東方紅煤礦及仙槎煤礦，雨季高峰期井下總涌水量達14 200 m3/h；正常季節(jié)，涌水量平均為1 260 m3/h。因此，礦區(qū)北部的涌山煤礦、沿溝煤礦、仙槎煤礦三對礦井在副井底車場分水平均設(shè)有三個水平中央水泵房（-120 m水平、-270 m水平、-475 m水平），東方紅煤礦作為沿溝煤礦的復(fù)采礦井，井下只設(shè)有-250 m水平中央水泵房。樂礦北部礦區(qū)四對礦井中的三對屬水文地質(zhì)條件極復(fù)雜礦井。

樂礦能源集團根據(jù)國家產(chǎn)能政策調(diào)整，2016年涌山煤礦、東方紅煤礦、仙槎煤礦實行去產(chǎn)能關(guān)閉?？紤]沿溝煤礦正常開采兩翼安全需要，經(jīng)論證后涌山、仙槎兩礦僅保留-270 m水平中央水泵房排水系統(tǒng)。兩對退出礦井-475 m水平中央水泵房進行拆除，-120 m水平中央水泵房則采用原斜井井筒內(nèi)DN150防塵管路將水引入-270 m水平中央水泵房，東方紅煤礦則利用巷道將原-250 m水平與沿溝煤礦-270 m水平進行貫通。

2017年樂礦能源集團根據(jù)上級要求及自身發(fā)展需要，對下屬機構(gòu)進行整合。為減少管理層級及機構(gòu)個數(shù)，將兩對關(guān)閉退出礦井井口以下及地面變電所劃入沿溝煤礦統(tǒng)一管理，改名涌山排水站和仙槎排水站，兩個排水站定員共40人。論文以仙槎排水站為重點進行論述。

2 排水站運行情況及存在的問題

2.1 仙槎排水站-270 m水平水泵房裝備情況

仙槎排水站-270 m水平水泵房裝備情況如表1所示。

表1 -270 m水平水泵房水泵配備及運行情況

正常季節(jié)，排水站每班運行一臺D450-60×6離心式水泵，一次運行2小時，一班2次共4小時，定員20人。雨季最高峰期間，平均每班運行D450-60×6離心式水泵三臺、200D43×9離心式水泵兩臺及高壓潛水泵一臺，24小時運行，定員20人。

2.2 排水站改造前存在的問題

（1）井下24小時不能離人,仙槎煤礦井口離沿溝煤礦較遠，日常監(jiān)管不便；

（2）排水站井下實際操作人數(shù)多，不利于礦井精細化、科學(xué)化管理；

（3）井下水泵司機等作業(yè)人員上、下班由副井采用普通軌斜井人車進行提升，需對排水站普通軌人車提升系統(tǒng)進行改造，預(yù)計需投入資金500多萬元。

為了有效化解排水站移交以來存在的安全隱患及降低企業(yè)投資風險，沿溝煤礦于2018年12月與相關(guān)科技企業(yè)采用EPC能源合同方式進行合作，為仙槎排水站設(shè)計了一套井下水泵房自動化集中控制系統(tǒng)，從根本上解決了上述安全隱患及存在的問題。

3 井下水泵房自動化集中控制系統(tǒng)簡介

該系統(tǒng)在不改變原有排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用工業(yè)計算機控制，實行智能化排水系統(tǒng)改造，使井下中央水泵房實現(xiàn)無人值守、自動排水和自我診斷，并通過光纜將井下水泵房內(nèi)的各排水設(shè)備、高低壓供配電設(shè)備的工作狀況、現(xiàn)場關(guān)鍵部位視頻等參數(shù)上傳至地面集控室，從而實現(xiàn)井下排水無人值守，如圖1所示。

圖1 井下水泵房自動化集中控制系統(tǒng)組成框圖

3.1 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)利用可編程控制器對排水站實現(xiàn)集中控制，具有自動開停、手動開停、故障檢修、遠程控制四種工作方式，工作方式可在井下控制柜上設(shè)定或由地面集控室工控機設(shè)定。

（1）自動開停

①由液位傳感器連續(xù)監(jiān)測水倉水位，根據(jù)水倉和吸水井的水位，自動開停水泵及其閥門。

②根據(jù)所監(jiān)測的水位信號，設(shè)定出高水位、中水位和低水位信號。高水位時，依據(jù)水位上升趨勢，依次開啟改造的1#、5#、6#水泵；中水位時水泵一臺運行、兩臺備用；低水位時全部停泵。

③可根據(jù)工況設(shè)定時間、水位、煤礦用電負荷等參數(shù)；根據(jù)避峰填谷的原則自動開啟、停止水泵的運轉(zhuǎn)，并能實現(xiàn)泵閥的聯(lián)鎖啟動，對運行中的各種參數(shù)進行實時監(jiān)控。

④當運行的水泵出現(xiàn)軸承超溫、開關(guān)柜故障、流量不夠或壓力突然降低時自動停止運行，并提示報警。

（2）手動開停

值班人員根據(jù)水倉水位，人工選取需開的水泵及按下對應(yīng)開停水泵按鈕，電機及其閥門的開、停則由PLC控制器按照程序自動執(zhí)行。

（3）故障檢修

維修人員可在水泵房內(nèi)就地用操作臺操作任一水泵電機、電動閘閥、電磁閥等的開、關(guān)，從而解除相互閉鎖關(guān)系進行調(diào)試運行。

（4）遠程控制

在地面集控室選擇“遠程控制”界面，該狀態(tài)下可以由局域網(wǎng)內(nèi)上位機選擇“手動”和“自動”狀態(tài)的控制，并可在畫面上設(shè)置不同參數(shù)。

（5）網(wǎng)絡(luò)及故障自診斷

系統(tǒng)可準確判斷故障類型、位置，并能進行圖像和語音提示及打印輸出，故障自動切換時間較短。當被測參數(shù)超限、保護動作及設(shè)備運行狀態(tài)改變后，在井下控制柜及地面上位機均可發(fā)出語音報警、文字警示。

（6）水泵運行時間統(tǒng)計顯示及圖形曲線打印

在地面上位機上顯示各設(shè)備實時運行狀態(tài)圖和實時曲線。在地面集控室可分別對每臺水泵的運行電耗、工作時間等進行統(tǒng)計。實時或按時間段打印相關(guān)設(shè)備的運行參數(shù)和運行狀態(tài)。

3.2 工作原理

該系統(tǒng)在井下設(shè)4臺分站（KXJ127礦用隔爆兼本安型可編程控制箱）和一個操作臺，需改造的每臺水泵處放置一臺分站，用于完成正壓、負壓、溫度、流量、水位、電流的模擬量采集；完成閘閥、電機等開關(guān)量的采集；完成閘閥、球閥、電機等設(shè)備的控制。

在泵房通道處，設(shè)置一個操作臺（操作臺內(nèi)有主站控制箱），用于與分站通訊，并把泵房所有數(shù)據(jù)上傳給地面集控中心，完成數(shù)據(jù)的采集、臨時存儲及數(shù)據(jù)交換。在自動工作模式下，系統(tǒng)根據(jù)水泵的使用效率，調(diào)度每臺水泵的起停；遠程工作模式下，接收地面集控中心發(fā)出的啟動與停止指令，下達到相應(yīng)的分站，完成水泵的操作；手動或檢修工作模式下，根據(jù)需求進行就地現(xiàn)場按鈕操作每個部件開、停。

PLC是系統(tǒng)控制的核心，所有數(shù)據(jù)采集均由PLC自動實現(xiàn)，通過連續(xù)測量水倉水位實時變化，將水位的變化信息進行分析處理，并檢測離心式水泵水壓、排水管路流量等，來控制離心式水泵啟、停。

配電室內(nèi)放置1臺分站。分站用于控制8臺高爆開關(guān)、3臺防爆電抗器、5臺低壓饋電開關(guān)、1臺照明綜保、1臺雙風機雙電源真空磁力啟動器的分、合閘運行，用于完成電流、電壓的模擬量采集；完成礦井停電時，備用電源的投入運行及高低壓開關(guān)分合閘及風機開關(guān)分合閘等開關(guān)量的采集和控制，通過網(wǎng)絡(luò)與主控箱通訊，沿溝礦仙槎排水站供電系統(tǒng)如圖2所示。

地面操作臺畫面采用組態(tài)王軟件進行組態(tài)顯示。

圖2 仙槎排水站供電系統(tǒng)

3.3 系統(tǒng)特點

（1）自動及遠程運行方式時無需人為干預(yù)，由上位機按照水位變化自動啟、停水泵，并通過水泵效率合理地調(diào)節(jié)各臺水泵自動輪流運行。

（2）本系統(tǒng)采用組態(tài)王軟件進行組態(tài)，為系統(tǒng)保留了設(shè)備原有手動控制功能，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)完全退出最長不超過2分鐘，即可恢復(fù)原人工手動現(xiàn)場操作。

（3）系統(tǒng)采用光纖通信，實時性好、抗干擾能力強；可針對不同季節(jié)的實際情況，對軟件的執(zhí)行參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以應(yīng)對復(fù)雜的實際情況，從而增強了系統(tǒng)的適應(yīng)性。

4 效益分析

1）人工成本收益：仙槎排水站原配備人員20人，其中正副站長各1人，絞車司機兼地面變電所配電工4人，水泵操作工8人、維修電鉗工4人、瓦檢員及安檢員共2人。改造后只需配備人員6人，瓦檢員兼正副站長及安檢員各1人，絞車司機兼地面變電所配電工兼電鉗工兼工控機巡視工4人。按礦操作工崗位3 500元/月，維修電鉗工崗位4 500元/月計算，并考慮排水站實際情況，每年雨季6～7月份為保證雨季高峰期排水安全，需配齊所有崗位人員，即每年按10個月計算，則年節(jié)約人工費用12×3.5萬元=42萬元（另2人工資補貼給兼職6人），五年可節(jié)約工資210萬元。

2）電量支出收益：由于離心式水泵起停主要由水倉水位和水泵效率進行自動決策控制運行，離心式水泵效率較改造前有較大提升，每臺運行的水泵排量都在420 t/h以上；同時通過調(diào)整開停泵時間，能將排水站與沿溝煤礦用電負荷進行削峰填谷運行，從而節(jié)約了電費開支。通過改造前后表計對比，電能節(jié)約可達5%以上。五年可節(jié)約42.55萬元。

泵房改造后，預(yù)計5年可產(chǎn)生直接收益為252.55萬元，除去支付合作企業(yè)投資的92.88萬元費用外，沿溝煤礦五年僅仙槎排水站可直接節(jié)約159.67萬元。

5 結(jié)論

通過對現(xiàn)有排水系統(tǒng)改造，安裝自動化集中控制系統(tǒng)，達到如下目的：

1）排水站井下做到了無人化自動排水，減少了人員下井頻次，降低了作業(yè)人員安全風險。

2）企業(yè)定員人數(shù)實現(xiàn)了大量壓縮，節(jié)省了大量勞務(wù)開支。

3）滿足了煤安監(jiān)行管[2018]38號關(guān)于井下限員規(guī)定文件的通知要求，實現(xiàn)了以“機械化換人、自動化減人、智能化無人”的目標和人少則安、無人為安的安全發(fā)展理念。