智能化、自動(dòng)化控制技術(shù)在煤礦井下主排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

曹帥 湯家府 劉正軍

摘要：煤礦井下主排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、現(xiàn)場(chǎng)總線分布技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)井下基礎(chǔ)設(shè)施的自動(dòng)化改造，使其在無(wú)人監(jiān)管的情況下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化操作和獨(dú)立偵察功能，同時(shí)選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、自動(dòng)操縱水泵、電磁閘閥、傳感器等設(shè)備，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文針對(duì)現(xiàn)階段煤礦井下主排水系統(tǒng)常用排水泵的性能特征及其測(cè)控技術(shù)，分析以可編程邏輯控制器（PLC）為核心，能應(yīng)用在煤礦井下的一種智能化自動(dòng)化排水控制系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)組成相關(guān)內(nèi)容，以此提升煤礦井下主排水系統(tǒng)在遠(yuǎn)程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)化控制、自動(dòng)化、智能化方面的綜合管控水平，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞：控制技術(shù)；煤礦；主排水系統(tǒng)

DOI：10.12433/zgkjtz.20231935

目前，我國(guó)多數(shù)大中型煤礦企業(yè)的井下主排水系統(tǒng)依然采取人工手動(dòng)控制模式，系統(tǒng)的操作流程趨于模式化，容易出現(xiàn)管理漏洞，此環(huán)節(jié)信息傳遞速度明顯降低，導(dǎo)致礦山整體數(shù)字化、自動(dòng)化管理目標(biāo)未能落實(shí)。通過(guò)大量查閱相關(guān)案例文獻(xiàn)資料，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研所得基礎(chǔ)信息，與煤礦井下主排水系統(tǒng)智能化自動(dòng)化發(fā)展的行業(yè)趨勢(shì)，基于煤礦企業(yè)井下主排水系統(tǒng)的自動(dòng)化控制管理發(fā)展現(xiàn)狀，綜合考慮實(shí)際功能指標(biāo)需求，研究設(shè)計(jì)出一套可行性較強(qiáng)的系統(tǒng)總方案，構(gòu)建起以PLC為核心，同時(shí)結(jié)合視頻通訊、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)、語(yǔ)音報(bào)警、自動(dòng)啟停水泵和切換故障機(jī)組等多項(xiàng)功能為一體的智能化、自動(dòng)化主排水控制系統(tǒng)，包含地面信息監(jiān)控中心、井下監(jiān)控分站兩個(gè)據(jù)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主排水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的全方位、全過(guò)程監(jiān)控。

一、遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)要求

（一）保護(hù)功能技術(shù)要求

遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)對(duì)煤礦井下主排水系統(tǒng)具備的保護(hù)功能包括水位突變報(bào)警功能保護(hù)、水位超限功能保護(hù)、傳感器故障功能保護(hù)、溫度異常報(bào)警功能保護(hù)、排水量異常報(bào)警功能保護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)中，功能保護(hù)參數(shù)一旦超過(guò)設(shè)定值最高范圍，就會(huì)自動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)的水泵停止功能，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警，傳達(dá)至井下監(jiān)控分站點(diǎn)和地面信息監(jiān)控中心，由技術(shù)工作人員進(jìn)一步了解報(bào)警裝置的詳細(xì)功能環(huán)節(jié)，以便采取針對(duì)性措施解決問(wèn)題，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，讓井下作業(yè)生產(chǎn)操作具備充足的安全性。

（二）數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)功能技術(shù)要求

利用PLC和多項(xiàng)智能化信息技術(shù)搭建而成的井下遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程采集數(shù)據(jù)信息，完成設(shè)備功能檢測(cè)的功能，因?yàn)槊旱V井下主排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成較復(fù)雜，電機(jī)使用時(shí)的溫度、水泵吸水狀態(tài)下的真空度、泵體運(yùn)行溫度、水位水倉(cāng)指標(biāo)、電動(dòng)閘閥運(yùn)行時(shí)的開合及其工作狀態(tài)，需要技術(shù)人員詳細(xì)記錄參數(shù)，確保遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)值參數(shù)的真實(shí)性，促使設(shè)計(jì)出更加切實(shí)可行的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控軟件。此外，為滿足煤礦企業(yè)對(duì)井下主排水系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用需求，需要技術(shù)人員在設(shè)計(jì)智能化、自動(dòng)化主排水系統(tǒng)方案之初，綜合考慮數(shù)據(jù)采集、功能檢測(cè)方面內(nèi)容的合理性，對(duì)系統(tǒng)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響性，保證水泵電機(jī)的可靠性，一旦發(fā)現(xiàn)水泵電機(jī)出現(xiàn)高壓?jiǎn)?dòng)柜故障或分閘現(xiàn)象，必須記錄在案，并分析問(wèn)題產(chǎn)生的具體原因，及時(shí)采取解決措施，完善系統(tǒng)方案。

（三）控制功能技術(shù)要求

煤礦井下主排水系統(tǒng)遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)的主要控制功能包括自動(dòng)控制、自動(dòng)檢修控制、半自動(dòng)控制、手動(dòng)控制四項(xiàng)。該系統(tǒng)在日常運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常處于智能化自動(dòng)管控模式，所以上述四項(xiàng)均為系統(tǒng)的正常操作狀態(tài)，多方兼顧才能確保系統(tǒng)在特殊情況、實(shí)際情況狀態(tài)下，都能實(shí)現(xiàn)對(duì)井下主排水系統(tǒng)的高效控制和故障處理。其中的自動(dòng)檢修控制模塊具備自主診斷系統(tǒng)各項(xiàng)故障的功能，可以第一時(shí)間判斷故障發(fā)生時(shí)電機(jī)進(jìn)出口的壓力值及電流量參數(shù)，分析故障的具體產(chǎn)生原因，進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警提示，確保地面信息監(jiān)控中心可以獲得主排水系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)相關(guān)參數(shù)及故障成因，提高技術(shù)人員處理系統(tǒng)故障的實(shí)效性。利用以太網(wǎng)搭建的內(nèi)部自動(dòng)化綜合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)，可進(jìn)一步修復(fù)和完善遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程通訊設(shè)備，借助視頻監(jiān)控模式，將井下主排水系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)傳遞給技術(shù)人員，全程監(jiān)控水位上漲速度，在滿足井下排水作業(yè)要求的基礎(chǔ)上，監(jiān)測(cè)水泵的平均備用時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)井下安全生產(chǎn)。

二、煤礦井下智能化、自動(dòng)化主排水系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)組成

（一）工作原理

第一，利用水位傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水倉(cāng)內(nèi)部的水位情況，如果水倉(cāng)水位值達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的峰值，水位傳感器就會(huì)搜集此狀態(tài)下的數(shù)據(jù)值，將參數(shù)信息第一時(shí)間上傳到PLC控制柜裝置上。

第二，由PLC控制柜及時(shí)分析和處理接收到的水倉(cāng)水位信息數(shù)據(jù)，將結(jié)果傳送至監(jiān)控主水泵（1號(hào)機(jī)位）PLC控制器內(nèi)，直接利用PLC控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控作用，操作打開主水泵完成排水處理。

第三，直到水倉(cāng)水位排放至系統(tǒng)設(shè)計(jì)峰值范圍內(nèi)，水位傳感器就會(huì)再次啟動(dòng)水位數(shù)據(jù)信息傳送功能，將此狀態(tài)下的水位信息參數(shù)傳送至PLC控制柜，經(jīng)信息數(shù)據(jù)分析處理上傳至監(jiān)控主水泵的PLC控制器內(nèi)，再利用PLC控制器的遠(yuǎn)程監(jiān)控作用，完成切斷主水泵電源的操作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制水泵停止排水的功能。

第四，煤礦企業(yè)井下智能化、自動(dòng)化主排水系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，如果出現(xiàn)主水泵故障，需要及時(shí)監(jiān)控主水泵的PLC控制器以及故障信號(hào)，第一時(shí)間傳送給監(jiān)控副水泵（2號(hào)機(jī)位）的PLC控制器內(nèi)，以此確保PLC控制器接收信號(hào)的有效性和及時(shí)性，讓系統(tǒng)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，打開副水泵完成排水及后續(xù)相關(guān)工作。

第五，遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)調(diào)動(dòng)水泵PLC控制器完成水倉(cāng)水位數(shù)據(jù)信息分析處理工作后，要及時(shí)將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息結(jié)果傳輸給井下交換機(jī)，利用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)將其上傳至井口光端子機(jī)，最后借助工業(yè)局域網(wǎng)將結(jié)果傳送至地面控制中心操控室的主機(jī)系統(tǒng)中，經(jīng)由主機(jī)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的STEP7邏輯編程軟件，直觀顯示井下的水倉(cāng)水位真實(shí)情況、水泵運(yùn)行工作狀態(tài)、設(shè)備故障點(diǎn)及處理方案等，以便技術(shù)人員參考這些數(shù)據(jù)信息，及時(shí)控制系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，確保井下主排水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（二）結(jié)構(gòu)組成

礦區(qū)采用的智能化、自動(dòng)化主排水系統(tǒng)由PLC控制柜、局域網(wǎng)、連鎖開關(guān)、井下交換機(jī)、溫度傳感器、地面監(jiān)控中心、遠(yuǎn)程操控臺(tái)、水泵系統(tǒng)登錄、超聲波流量計(jì)、超聲波液位計(jì)、視頻監(jiān)控裝置以及光纖電纜等結(jié)構(gòu)共同組成，其中的井下交換機(jī)和井上光端子機(jī)通過(guò)工業(yè)局域網(wǎng)完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)消息的傳輸，相較于傳統(tǒng)井下主排水系統(tǒng)的布線方式，無(wú)線數(shù)據(jù)在信息傳播速度、布線工序、線路損壞等方面更具優(yōu)勢(shì)，可直接攻克煤礦企業(yè)以往在井下主排水系統(tǒng)控制方面存在的線路損壞、布線復(fù)雜、信息數(shù)據(jù)傳輸過(guò)慢等技術(shù)難題，提升井下主排水系統(tǒng)相關(guān)裝置運(yùn)行參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)水平。地面監(jiān)控中心包括打印機(jī)、顯示器、上位機(jī)等裝備，上位機(jī)內(nèi)部安裝了可以與S7－300相匹配的STEP7邏輯編程控制軟件，呈現(xiàn)井下的實(shí)際水位情況、排水系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)的故障情況等，便于指揮中心操控人員借助顯示界面遠(yuǎn)程監(jiān)督井下主排水系統(tǒng)。

PLC控制柜一共連接三臺(tái)設(shè)備，其中一臺(tái)主需要連接溫度傳感器，用來(lái)搜集水位水倉(cāng)數(shù)據(jù)信息，完成調(diào)度工作，兩位兩臺(tái)連接主泵和副泵，用來(lái)控制井下水泵的啟動(dòng)、停止操作動(dòng)作，需要注意的是，所有與PLC控制柜相連接的設(shè)備必須同步連接好井下交換機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)井下主排水系統(tǒng)智能化、自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

三、煤礦井下智能化、自動(dòng)化主排水系統(tǒng)軟件的功能應(yīng)用

（一）設(shè)計(jì)總方案

智能化、自動(dòng)化煤礦井下主排水系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計(jì)總方案時(shí)，要綜合考慮自動(dòng)化控制體系、排水體系、中央泵房設(shè)計(jì)三項(xiàng)重點(diǎn)內(nèi)容，由PLC控制柜和遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)，控制井下自動(dòng)排水體系，中央泵房設(shè)計(jì)控制為整個(gè)系統(tǒng)的CPU重點(diǎn)模塊，系統(tǒng)整體屬于全自動(dòng)控制管理狀態(tài)，無(wú)需工作人員值守，因此，還要加強(qiáng)半自動(dòng)系統(tǒng)控制模式下的井下排水實(shí)時(shí)監(jiān)控操作功能，確保此運(yùn)行狀態(tài)下不會(huì)耽誤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度與準(zhǔn)確性，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)井下智能化、自動(dòng)化排水的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，提升井下排水作業(yè)的效率。

此外，設(shè)計(jì)總方案還包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分：

第一，硬件設(shè)計(jì)。主要包括PLC選型和應(yīng)用，由于PLC控制器存在較大的邏輯編程空間，需要技術(shù)人員根據(jù)智能化、自動(dòng)化煤礦井下主排水系統(tǒng)的真實(shí)排水量，選擇較佳硬件裝置完成系統(tǒng)的科學(xué)配置，確保系統(tǒng)全部設(shè)備的遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，保障系統(tǒng)的安全性和可靠性，實(shí)現(xiàn)井下水泵使用情況、水倉(cāng)水位情況相關(guān)信息的實(shí)時(shí)傳遞。

第二，軟件設(shè)計(jì)。包括水泵啟動(dòng)、停止設(shè)計(jì)、操作方式設(shè)計(jì)、水泵數(shù)量設(shè)計(jì)等，操作方式設(shè)計(jì)必須滿足井下智能化、自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，還要具備多種操作模式自由切換的功能。井下排水量存在較大的變動(dòng)性，因此在設(shè)計(jì)水泵數(shù)量時(shí)，要結(jié)合礦井實(shí)際需求排水量，科學(xué)設(shè)置水泵數(shù)量及啟動(dòng)和停止參數(shù)。

（二）功能應(yīng)用

煤礦井下智能化、自動(dòng)化主排水系統(tǒng)軟件必須具備的關(guān)鍵功能包括：

第一，可視化控制功能。確保地面監(jiān)控中心操控室的操控工作人員可以直觀通過(guò)系統(tǒng)界面相關(guān)參數(shù)的調(diào)動(dòng)、修改，對(duì)井下主排水系統(tǒng)實(shí)施高效的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控手段，實(shí)現(xiàn)井下排水作業(yè)無(wú)人值守、自主操控的目標(biāo)。

第二，多運(yùn)行模式自由切換功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須滿足現(xiàn)場(chǎng)控制＞遠(yuǎn)程控制、手動(dòng)控制＞自動(dòng)控制的雙效系統(tǒng)運(yùn)行管理控制模式。在日常系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，四項(xiàng)控制模式之間相互獨(dú)立、互不影響，以自動(dòng)化控制、遠(yuǎn)程智能化控制為主；但在運(yùn)行過(guò)程中，一旦發(fā)生不可抗力因素的影響，系統(tǒng)突發(fā)故障，要以手動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)控制為主。不管采取何種控制方式，以確保主排水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行為準(zhǔn)則，最大程度上保證井下生產(chǎn)作業(yè)的安全性為基本原則。

第三，系統(tǒng)保護(hù)功能。該系統(tǒng)具備絕對(duì)的自動(dòng)性和智能性，具有技術(shù)成熟的設(shè)備故障自檢功能，以便設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)利用PLC控制器上傳故障源、故障點(diǎn)等內(nèi)容，便于控制中心操作人員及時(shí)檢查和修復(fù)系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

第四，水泵啟動(dòng)、停止自動(dòng)控制功能。利用傳感器完成對(duì)井下水倉(cāng)水位的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)搜集工作，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)峰值，自動(dòng)控制井下水泵的啟動(dòng)排水、停止切斷電源等，既能降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，又能避免以往人工無(wú)數(shù)據(jù)參考頻繁啟動(dòng)、停止水泵而造成的系統(tǒng)多發(fā)故障，攻克井下排水效率較差的技術(shù)難題。

第五，數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和顯示功能。借助系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能，可以提升井下主排水系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性與準(zhǔn)確性，系統(tǒng)分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)的潛在信號(hào)，確保地面控制中心操控室接收的信息參數(shù)準(zhǔn)確顯示在上機(jī)位中。

第六，水泵自動(dòng)輪換使用功能。監(jiān)控系統(tǒng)全程監(jiān)管各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及使用壽命，以便系統(tǒng)合理安排主、副水泵，確保每個(gè)水泵不會(huì)長(zhǎng)期處于閑置無(wú)用狀態(tài)和持續(xù)運(yùn)行狀態(tài)，以此增加每個(gè)水泵的使用壽命，提升排水系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

（三）應(yīng)用實(shí)效

經(jīng)調(diào)研，某礦于2020年3月中旬安裝并應(yīng)用智能排水控制系統(tǒng)，對(duì)井下主排水進(jìn)行自動(dòng)化遠(yuǎn)程集中控制，截至同年10月中旬的應(yīng)用實(shí)效看，采用此系統(tǒng)后，取消了該煤礦井下排水泵房司機(jī)，運(yùn)行過(guò)程中未出現(xiàn)任何系統(tǒng)故障，既節(jié)省了人力投入資源，又實(shí)現(xiàn)了高效的井下自動(dòng)排水控制目的，應(yīng)用效果顯著。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，煤礦井下主排水系統(tǒng)作為煤礦企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施裝置的一種，運(yùn)行穩(wěn)定性直接決定著生產(chǎn)作業(yè)的可靠性和安全性，但現(xiàn)階段多數(shù)煤礦企業(yè)仍采取人工控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵的啟、停控制，未應(yīng)用自動(dòng)化智能化控制手段遠(yuǎn)程監(jiān)控水泵，沒有搜集水泵的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的遠(yuǎn)程管理。基于此，煤礦企業(yè)要保證開采作業(yè)效率的基礎(chǔ)上，確保排水穩(wěn)定性，必須加大對(duì)主排水系統(tǒng)的集中統(tǒng)一控制力度，積極改造自動(dòng)化智能化控制裝備，盡早實(shí)現(xiàn)對(duì)主排水系統(tǒng)的無(wú)人值守和全過(guò)程監(jiān)控。煤礦企業(yè)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)主排水系統(tǒng)智能化、自動(dòng)化應(yīng)用水平的方式，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)對(duì)供排水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，既能解放操作人員的雙手，減少工作量，提升排放效率，又能增強(qiáng)泵房運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定性和安全性，縮減泵房和主排水系統(tǒng)的設(shè)備維護(hù)成本，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

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作者簡(jiǎn)介：曹帥（1995），男，山東省鄒城市人，本科，助理工程師，技術(shù)員，從事煤礦機(jī)電技術(shù)工作，主要研究方向?yàn)榈V井主提升、主通風(fēng)、主排水系統(tǒng)。