矿井主排水系统全自动运行模式关键问题的研究与应用

赵晓磊 郭坤闪

（平顶山天安煤业股份有限公司 八矿，河南 平顶山 467012）

0 引言

目前，在矿井泵房的主排水系统设计中，一般设置多台多级离心水泵，一组工作、一组备用，并设置了用于轮换检修的水泵。系统普遍采用人工操作方式，操作过程繁琐、劳动强度大、人为因素多、启泵时间长、自动化程度低，不容易实现避峰就谷的控制方式，已不能适应现代化矿井管理的要求，因此，主排水系统实现自动化控制是非常重要的。

国家安全生产监督管理总局2009年12月1日实施的《煤矿防治水规定》第118条规定：受水威胁严重的矿井，应当实现井下泵房无人值守和地面远程监控。

平煤股份八矿二水平正常涌水量为310m3/h，最大涌水量为1275m3/h；泵房最大排水能力为1804m3/h；水仓总容量为6200m3，大仓3200m3，小仓3000m3。二水平中央泵房共有5台水泵，其中工作泵2台，备用泵2台，检修泵1台。排水管路4趟，具有工作水管和备用水管，供配电能力能同时开动工作水泵和备用水泵。现场设计全部符合《煤矿安全规程》要求。

按照国家安监局的规定，现场设计安装了五台泵，分别为两台主用泵，两台备用泵，一台检修泵，每台泵使用软启动拖动，并且为了防止供电系统跳闸对排水的影响，五台拖动电机共用三个供电回路。

1 系统设计

根据涌水量、现场硬件设施及排水要求，设计排水集控系统。系统以西门子PLC300为核心，现场安装布置各种传感器，对电机和水泵的运行参数及保护参数进行实时的监测和传送，这些参数包括：电机温度、泵体温度、机体振动、实时流量、水位、真空度、电压、电流、水泵出水口压力、各种闸阀、电磁阀的位置信号、过转矩信号等。

设备层包括各种阀门、传感器，阀门有电磁阀、射流阀；传感器包括超声水位计、管路静压传感器、电机温度传感器等。

监控层主要由现场的操作台，PLC控制柜组成。

现场操作台为隔爆兼本质安全型，指示灯、按钮、转换开关、继电器、电源开关、蜂鸣器等都集中在操作台上。操作台实现对系统的各种设备操作及各种控制方式的转换，显示各种设备运行状态及参数，各设备故障状态的报警。操作台除各种控制按钮和显示灯外还设有触摸屏用来显示系统流程状态和报警信息。现场安装了两个温度巡检仪采集5台水泵电机的15路温度参数，实时显示并具有上限报警功能。

PLC控制柜负责整个系统的控制程序，采用SIEMENS公司的S7300系列的PLC，安装有SM模块、IM模块，电源模块、交换机等设备，主要完成对现场采集来的信息的运算、判断并发出各种控制信息等，PLC带有以太网口可直接与交换机相连，并且该控制柜内有一以太网交换机与PLC、操作台触摸屏、井下环网交换机相连。

排水系统是矿井综合自动化信息化的一个重要组成部分，信号传输和控制系统框架满足信息化的整体设计要求，系统改造后不仅具备就地的监测监控，还实现了以下功能：

1）系统具备远程监控功能；

2）在水仓水位满足条件的前提下，系统能按避峰就谷的模式进行；

3）实现井下排水泵房无人值守的全自动运行；

4）整个系统做到全自动运行、系统运行安全可靠、维护方便、修改灵活。

调度中心通过标准的OPC接口读取数据，实现对实时数据的监测和对设备的控制。排水系统接入全矿的综合自动化平台，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享。

2 关键问题研究

全自动模式为无需人为干预，由系统根据水仓水位、用电峰谷自动启、停水泵，并且自动实现水泵的轮换工作，做出合理的排水调度。实现全自动的关键是水仓水位的测量和处理、“避峰就谷”机制原理的遵循、泵自动轮询机制以及自动起停机制的处理四部分。

2.1 对水位的分析与处理

整个排水系统的水仓水位是通过雷达水位计探测后，经PLC处理传到上位机上，但是由于雷达水位计受外界的干扰比较多，如：井下作业引起的震动，雷达探头有障碍物干扰等，都会影响雷达水位计的准确性。通过对上位机的水位趋势图分析，能准确的看到水位经常受到影响而波动，且波动的范围较大，造成整个上位机系统错误判断，甚至由于误判断发出水位过高或过低警告。

通过对水位反复的观察和测试，特采用以雷达水位计为基础，同时加装两个浮球水位计作为参考的方法。两个浮球水位计分别测高水位和低水位（安装时，浮球水位计设定的高水位要比雷达设定的高水位略高）。当浮球开关在高水位时自动启动水泵，当浮球开关在低水位时自动停止水泵，这两个水位可以设置是否屏蔽。当雷达显示高水位而浮球不在高水位时，系统输出故障告警信息但不起动水泵，如果15分钟内没有人为的对故障进行屏蔽，则系统自动启动水泵；同理，当雷达显示在低水位而浮球开关不在低水位时，系统输出低水位故障报警但不停止水泵，如果15分钟内没有对故障进行屏蔽，则系统自动停止水泵。15分钟这个时间可以进行调整。这样就避免了因为雷达水位计受影响后对整个系统的稳定性造成较大的破坏，为系统安全可靠的运行提供了保证。

图1 水位监测趋势图

2.2 “避峰就谷”机制

矿井排水用电占矿井总用电量的1/3以上，是用电大户。矿井生产用电分不同时段，高峰时电价是用电低谷的10倍以上，所以，实现“避峰就谷”运行是节约成本的需要。“避峰就谷”机制处理如图1。

设定4个水位：低水位H1、中间水位H2、高水位H3、危险水位H4。当前水位设为H，当H达到危险水位H4时，无条件起泵。当H达到高水位H3时，首先判断电网的负荷，若处于低谷，即启动一台水泵；若处于用电高峰或用电尖峰，则暂缓启动水泵，直到达到危险水位H4再起泵。这样就可以减少在用电高峰和用电尖峰起泵的时间，有效的节约了资源。高水位、低水位和中间水位可以根据实际情况人为灵活的设定。

经过几个月的运行试验，每次停泵时都将水位排至最低，满足下次启泵时是用电低谷的条件。

2.3 自动轮询机制

为了降低泵长时间运行导致的磨损程度加大，使用寿命快速减少的问题，根据现场情况设计了泵自动轮询机制，同时充分考虑不同的供电回路和不同的排水水池。

平煤股份八矿二水平中央泵房有三个供电回路，两个大水池，1#水池包括1号和2号泵，2#水池包括3号、4号和5号泵。对两个水池中的泵分别设计自动运行顺序表，如：一号水池泵序列为12，按顺序启动水泵，如1号水泵启动完成（包括检修、手动、半自动、全自动）后，启动顺序自动变成21，下次则首先启动2号泵；二号水池345，按列表顺序起动水泵，如3号水泵启动完成（包括检修、手动、半自动、全自动）后，列表顺序自动变成453；这些启动顺序表实时在上位机界面上显示，并且启泵顺序可以直接在上位机上进行修改。具体的排列顺序如下：

一号水池循环顺序为：12 21 12

二号水池循环顺序为：345 453 534 345

这样就避免了由于长期使用一台泵或者一台泵长期不使用造成的损害，有效提高了泵的利用率，也延长了泵的使用寿命。

2.4 全自动启停机制

通过对三个月运行记录进行分析，发现每台水泵运行1个小时大约可以排出1.25个小时的矿山涌水量。为了能更好的提高泵的效率、节约生产成本，设置了参考水位3.3m、中间水位2.6m和距用电高峰或用电尖峰前3.5小时来作为启、停泵的一个参考。

通常在用电低谷时段，达到高水位后自动启动一台泵，若要启动第二台泵须满足水位低于3.3m或者距离用电高峰或用电尖峰前3.5小时，如14:30和4:30这两个时间点（中间的水位和时间点可以在上位机进行调整）。这样系统可以根据井下涌水量(季节变化、井下涌水量变化、天气变化时)发生变化时进行微调，以最优的方式完成排水任务。

在水仓水位达到中间水位2.6m时会自动停止一台泵，另一台泵继续运行直到达到用电高峰或用电尖峰时间自动停止，或者达到设定的低水位2.3m也会自动停泵。

这样不仅可以避免在用电高峰和尖峰时段开泵，而且也在最大程度上降低了泵的开停频率，有效的节约了电资源，也延长了泵的使用寿命。

3 结论

通过合理的程序设计和对数据的分析处理，理论结合实际，经过对现场设备、系统程序的多次调整和实验，平煤股份八矿排水系统创造性的解决了全自动运行中的几个关键问题，实现了无人值守，有效减少了电费的消耗，为节能降耗做出了巨大贡献。

［1］张广龙，史丽萍.矿井中央税泵房综合自动化系统的设计模式[J].煤矿机电，2005（04）.

［2］谭国俊,韩耀飞,熊树.基于PLC的中央泵房自动化设计[J].工矿自动化，2006.

［3］李泽松.井下水泵房自动排水系统研究[D].太原理工大学，2005.