九里山矿排水自动控制系统的推广与应用

冯纪成 郑文杰

摘 要：现我矿采用可编程序控制器（PLC）控制取代继电器控制，取代以往人工操作，能实现地面的远程监视、控制，对设备的运行状态、运行过程进行自动检测、自动控制，使设备达到最佳工作状态，从而达到有效地节约能源、降低劳动强度、降低运行成本等目的。

关键词：PLC；远程控制；经济性

1 现有煤矿井下排水系统

井下中央泵房共有水泵21台，工作水泵10台、备用水泵8台和检修水泵3台，每台水泵使用对应的高压真空电磁启动器。

水泵启动前，先通过人工操作将出口管路闸阀打开，然后将水泵上射流管打开，通过射流管的射流水使吸水管路抽成真空状态，进而充满进水管路，然后启动水泵。在水泵运行期间，操作人员需经常巡查水位变化情况，根据水位情况开停水泵。

由于现泵房内设备的操作运行以及水仓水位的观察，均采用人工操作方式，操作过程繁琐、劳动强度大、水泵启动时间长、自动化程度低、不适应现代化矿井管理需要。

2 针对现有排水系统的改进

针对矿井的实际要求，我矿井中央泵房安装排水自动控制系统，该系统应满足水泵机组起停、故障诊断和数据处理上完全自动化，不需要人工干预，从而达到节约能源和人力资源的功能。

本控制系统采用矿用一般型测控装置，测控装置PLC采用西门子S7-300系列，采用射流引水。现场安装六台防爆摄像仪，用于监视21台水泵的开停状态。泵房配备一台TH1-24本安型操作台，21台就地控制箱与2台PLC控制主站相结合，完成泵、电动闸阀和电动球阀的就地控制，改造引水方式，在原来的射流阀和排气阀上分别接电动球阀以达到电控的要求，同时配备水位、流量、温度、压力、负压等传感器。

⑴对井下水泵房设备运行实行在线监控，具有自动、手动控制水泵的启停及闸阀的开、关，并具有自诊断功能，可实现水泵房的无人值守。

⑵控制系统通过以太网接入矿井工业以太干网，实现水泵监控子系统与全矿井的监控系统信息共享，同时可以实现厂家的远距离的在线监测与维护指导。

⑶集中控制器采用西门子S7-300系列工业级PLC控制软件，结合矿井涌水量大小和电力削峰填谷原则，实现井下排水监控系统的最优控制；集中控制器还收集井下排水监控系统的报警、信息显示、报表统计等数据情况。

⑷在井下泵房内操作台上，电视屏幕能清晰出显示运行水泵状况、水仓水位高低、管路闸阀的开合、排水管路的使用等情况。

⑸根据水位控制原则，自动实现水泵的轮换工作。

⑹结合井底水仓水位高低和电力负荷信息，以“避峰填谷”原则确定开、停水泵时间。

⑺水泵监控子系统有三种控制形式，就地控制、井下控制台、地面远程控制。

就地控制：由操作人员根据水仓水位高低的显示、涌水量大小等实际生产需要，确定开泵台数，通过就地设备控制箱上的操作按钮完成电机及其阀门的开、停，即PLC完成单台水泵抽真空、启泵、开液压阀等自动控制，并完成运行停止。

半自动控制：为了方便人员操作，减少人员及人员的劳动强度，可以在井下操作台及地面控制主机上单独控制系统中的各设备。为保证井下操作和地面控制互不干涉，在井下操作台上设置转换开关，当转换开关在近控时，由井下操作台控制水泵运行，而地面无法干涉水泵的操作，反之当转换开关在远控时，井下操作台无法操作。

自动控制：在自动状态下，由地面控制主机收集各水泵及闸阀工作状况、各种故障、水仓水位高低等因素，按照事先编制的流程及PLC闭锁程序顺序控制水泵及闸阀的开启。在正常水位时，各台水泵自动轮换工作，当水仓水位超高或突出涌水时，自动投入必要数量的水泵运行。

⑻实施监测水泵各工况参数，包括水位、电压、电流、压力、功率、温度、振动、真空度等。当水泵出现故障时，能够及时报警，并能够自动开启备用水泵。

根据水泵使用台数和水位变化率的情况可判断矿井涌水情况，从而确定水泵增加台数。

3 系统工作原理及工作方式

自动控制系统由计算机检测水仓水位高低、管路真空度、闸阀开合度、水泵完好情况等数据，配以模拟量的输入输出模块以及以太网通讯模块来控制相应水泵的开停。

系统可有三种工作方式：全自动、就地手动、远程手动。

全自动运行时，井下PLC控制器实时的采集水泵运行时水位水位变化情况，结合每台水泵工作状态、轮换原则等启动相应水泵的运行或停机，不需要人员操作，操作人员仅巡回检查水泵运行状态。

就地手动时，当PLC故障、失电或检修水泵时，操作人员就地通过手动控制箱控制单台水泵的启停，而不是PLC或数据口通讯的方式控制水泵。

远程手动控制时，授权井上工作人员通过上位计算机控制水泵的启动和停止；系统在正常运行过程中，不论何种工作方式，均可实时将现场的各种参数、设备状态通过工业以太网传到地面水泵控制室。

4 水泵控制的控制原则

首先在与井下水仓相连通的配水井中设置水位标尺，在水位标尺上设置有低水位，高水位，报警水位、超限水位等。

对于状态完好的水泵，在开启前首先打开管路上的逆止阀门，然后启动射流管上的真空系统，检测真空度，真空度达到要求后即可开启。

按照规定，水泵应在300s内完成启动，因此，达到真空度的同时，还有一定的时间限制。若在规定时间内有真空度信号，则合上真空开关电磁阀，开启电动阀门。电动阀门开启10s后，系统置水泵为运转状态，开始测量机组运行参数及压力。当压力值显示低于3Pa时，说明水泵不能上水，系统应立即自动停止该水泵的运转。

水泵的开启数量根据水仓水位的变化情况而定。首先对水泵编号，当水位仅仅越过低水位时，运行一台水泵，当系统第一次运行，开启1#水泵，以后按照运行时间的多少，选择运行时间最少的泵开启，如果所选水泵为检修状态，则开启下一序号的水泵。当开启一台水泵运行一段时间后，发现水位仍然上涨，则增加水泵数量。当水位下降到低水位限以下时，则依次按照水泵运行时间长短的停止，由长到短停止，仅保留一台运行。

当水位超过警戒水位时，水泵除检修泵外全部开启。

根据季节实行自动或半自动控制，当雨季出现强降雨等恶劣天气时，实行半自动控制，将水位排到矿要求的最低水位。其余时节时，根据水泵轮换制和我矿电力削峰填谷的原则实现水泵的起停。首先当水位达到开启水位时，且处于低谷或平谷时，可以立即启动水泵；若处于高峰或尖峰时，则暂缓启动。当水位继续上升至高水位时，则不论何时段，必须立即启动水泵。若水位继续上升到超限水位时，表明一台水泵的排水量已不足以排除矿井出水，则增加水泵数量。当水位必须下降到低水位时可依次停泵，仅留一台水泵运行。

5 系统特点

5.1 安全可靠性

该系统能实时的监控电机、水泵、高压启动器、真空度等各环节，对系统出现的异常能够提前预警。

该系统拥有远端控制、就地自动控制及手动控制三种控制方式，三种控制模式以“井下优先”的原则可以进行手动切换。在特殊条件下时也可以进行自动切换，例如：当井上与地面通讯中断失联的情况下，系统自动由井下PLC进行控制。如果设备运行在远端手动模式或井下PLC自动控制模式的情况下，PLC发生故障，则系统自动转换为就地控制模式。

自动控制系统采用了技术先进的西门子S7-300型PLC，性能稳定，故障率低，且具有完备的故障诊断和保护功能，同时保留的人工控制方式可在PLC控制系统故障时正常启动水泵。

5.2 经济性

⑴将电价的避峰填谷原则引入水泵启动算法中，使得水泵耗能处于最经济的状态。

⑵减少故障时间，提高开机率。由于系统具有完善的监视和控制功能，提高了运行的可靠性，减少故障停机时间，开机率可达98%。

⑶通过对水仓水位的启动水位、报警水位、超限水位、停机水位的设定，在保障水仓水位绝对安全的前提下，使水泵的启动次数达到了最少。

⑷提高劳动效率，节约人力资源。由于本系统是按照无人值守的原则进行设计，减少水泵房及采区变电所的操作人员，只配备巡检工。将比为改造前年节约工资约18万元。

[参考文献]

[1]《九里山矿主排水集控系统使用手册》.徐州中矿大华洋通讯设备有限公司.

[2]《煤矿安全规程》，2013版.

[3]《煤矿通讯、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》（MT209-90）.

[4]《电力装置的继电保护和自动装置的设计规范》（GB50062-92）.

[5]《应用电视设备安全要求》（GB14861-93）.

[6]《可编程仪器的数字接口》.