井下主排水系统远程自动控制技术的应用

甘松柏

1 未实现远程自动控制前的主排水系统

在矿井生产过程中，由于自然和人为因素，造成矿井低洼处有积水，如果不及时排水，会给井下的安全生产带来威胁，因此，井下都会施工主排水泵房。通过在低洼处设置水泵或风泵，将积水排至主排水泵房，再由主排水泵房将水排至地面污水厂。

目前，大多数矿井采取的排水方式为在主排水泵房安装多级泵、电气设备、阀门、管路及其附属装置，排水时人工操作电气设备、阀门来启动泵，实现排水。此种方式，需要投入的人力比较多，且对排水系统的各种参数不清楚，很难掌握矿井涌水情况及特发情况对矿井造成的水害威胁。

西山煤电集团公司东曲矿属大型矿井，有两个生产水平，+973水平，+860水平。+860水平正常涌水量为70 m3/h，最大涌水量70 m3/h以上。由于涌水量大，排水垂高大，矿井排水采取分段式集中排水方式，由该水平在低洼处设置排水泵，将各积水点污水排放至大巷排水，最后流入+860水平主水仓。水仓设置主、副水仓2个，主水仓容积2 400 m3，副水仓容积为1 600 m3。

2 井下主排水系统远程自动控制技术的研究

为了在+860水平主排水泵房实现远程自动控制，首先要考虑的是水泵的控制方式，以往泵房安装的是多级泵，需要人工开启阀门排气、灌水、启泵，是实现自动控制的一个难题，解决此难题有两个办法，一是安装一套自动灌水装置，另一个是选用潜水泵，将水泵安装在水里，启泵时不需要灌水。还有一个难题是阀门的自动控制，这就需要为阀门安装动力装置。结合东曲矿的实际情况，经反复论证，+860水平主水仓确定采用潜水泵排水，管路上安装电动阀门实现自动控制。

在电气控制方面，经过优化，选择采用PLC技术来实现水泵的开停及阀门的自动开闭，通过在现场安装各种智能仪表，采集信号给PLC，通过对信号的分析和判断，对排水系统实施保护，保证水泵正常运行。为了实现远程控制，在主水仓安装微机控制台，将现场的管路流量、压力，水仓水位等信号通过光纤网络传输给地面机房实现远程控制。

3 设备选型及远程控制系统功能

在+860水平主排水泵房内，根据矿井的涌水量计算，选型安装3台BQS型主排水泵，配套电动机450 kW(扬程250 m，流量350 m3/h)，2趟排水管路，每趟管路长约为1 900 m。在主排水泵房内安装控制台，利用西门子PLC控制，通过数据模块采集运行参数，自动检测，动态显示，并将数据传送到地面微机房，进行实时监测及报警显示。为了实现自动化，在2趟主排水管路上安装了7个电动阀门;3个压力传感器，采用川仪西门子PDS系列隔爆型压力变送器;2个流量传感器，采用唐山汇中LCZ系列隔爆型超声波流量计;2个液位传感器，采用西门子PDS系列隔爆型导压式压力变送器。

在现场安装4个操作箱，3个操作箱分别置于1#～3#泵附近，在手动和检修状态时，可启动/停止/打开/关闭所对应的泵和电动阀。自动状态下，除“停止”按钮外其它按钮无效，按动“停止”按钮后，对应水泵停止运行，系统将根据工艺要求自动换泵。第4个现场操作箱用于选择水泵的检修状态，当该水泵被置于检修时，井下控制台与地面微机房均无法操作该水泵及对应的电动阀门，只有1#～3#现场操作箱可以控制。

水泵的工作方式：常规一开两备，特例时可实现2台或3台全部工作;系统根据工艺和设备状态可自动选择，并开闭相应电动阀，实现无人值守;有就地控制、本安集控、网络集控、自动控制4种控制方式。每一种控制方式都分为手动控制和自动控制，在手动控制时，可单独启动/停止任何一台水泵及打开/关闭任何一台电液阀门，不受水池水位、压力信号等控制(仍然受到检修开关及电机保护的控制)。具体又可以分为现场单机手动控制、地面上位机、网络单机手动控制2种方式;自动控制时，可根据采集回的工艺数据，在避峰用电时间段内，自动控制运行水泵的选择、启动/停止，电液阀门的打开/关闭，故障时的自动保护/切换，根据水池水位值及高/低水位设定值自动启动/停止水泵等自动化控制功能，水泵的运行采用轮流制。在警戒水位状态下，不论是否在避峰用电时间段内，系统立即紧急启动。自动控制时，又分为井下控制台自动控制/地面微机房网络自动控制。地面远程控制操作采用密码授权方式。

水泵具有避峰用电功能(但警戒水位优先)，即在矿井用电高峰时，水泵不能启泵。具备警戒水位紧急启动(2台或3台同时运行)，高水位自动启泵、低水位自动停泵功能(警戒/高/低水位值可自行设定，地面与井下均可设置);手动设置检修泵位号时，自动状态对检修泵控制无效，该泵只可手动运行;具备流量、压力、水位、故障、运行状态、软启动器及综合保护器数据的实时监控，同时将数据传送至地面微机房，实现数据监控和记录;主排水泵房控制台，用于系统控制和运行数据显示，与地面微机房组网，将数据传送至地面微机房。并具备工艺数据上传浏览功能，数据接口采用标准TCP/TP协议。控制台与水泵选择箱安装在主排水泵房内。在主排水泵房控制台和地面微机房工控机上显示每台泵的工作状态，包括投入状态、运行状态、运行电流、水仓水位、高/低水位设置状态、阀门状态、出口压力、瞬间流量、累计流量等。在地面微机房上位机可对多种数据进行记录，方便以后进行查询。

4 系统原理图

系统原理示意图见图1。

图1 系统原理示意图

系统原理图说明：现场各种压力传感器，流量传感器，水位传感器等采集的信号自动上传给主排水泵房控制台，控制台根据采集的信号经过计算，实现信息滚动显示，进行各种功能报警、保护。也能够制台上实现对管路的选择，对水泵的进行开启;水泵的控制也可以通过现场控制箱进行操作。控制台也能将水泵运行的各种参数通过光纤上传到地面微机房。

5 经济效益及推广前景

主排水泵房采用了远程自动控制系统后，由以前一个泵房需要5个职工，减少到现在的3个职工，劳动强度大大降低，实现了减人提效，经济效益显著。

又因为采集的信号直观，便于巡视和管理，通过对各种参数的分析，可以对井下的水文情况实时了解，实现了矿井信息化管理。同时具有水位的自动监察及紧急启动功能，对矿井安全和不明来源的涌水有了保障性的措施，可避免重大的水患事故。另外，避峰功能减少了大功率设备对电网的冲击，大大提高了矿井的安全供电。

实践证明，该项技术的引用，技术含量高，自动化程度高，数据全，信息反馈及时，有力地促进了矿井的安全管理，节能减排，推广前景可观。

［1］ 海 心，马银忠，刘树青.西门子PLC开发入门与典型实例子［M］.北京：人民邮电出版社，2009：11－12.

［2］ 顾乐观，郑 萍.现代电气控制技术［M］.重庆：重庆大学出版社，2001：39－40.

［3］ 程居山，王昌田，李新平，等.矿山机械［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2002：123－125.