基于集成控制的自动排水装置的研究与应用

银建安

（山西焦煤西山煤电杜儿坪矿， 山西 太原 030053）

引言

煤矿井下排水系统是确保煤炭生产企业安全生产的重要保障，其核心的作用是将井下巷道内的积水及时排出井下，确保井下设备和人员的安全，但是目前我国多数煤矿井下排水系统之间相互独立运行，其控制、调节、检验、维护均需要人工进行，自动化程度低，响应速度慢，可调节性差，效率低下，严重影响井下排水系统的安全运行。因此，研究设计一种集成控制的自控排水装置至关重要。

1 常用排水系统的优劣

1.1 优点

1.1.1 真空泵、离心泵联合排水

该排水方式能够有效延长离心式水泵的有效吸程，能够较好地保障积水区域水位的变化情况较大时排水装置吸水时的可靠性。

1.1.2 自带底阀的水泵排水

离心式水泵的排水包括自吸式排水和自灌式排水，自灌式的排水方式要求吸入点要低于积水位置的最低积水液位，其具有压头高、排水量大的优点，当需要将离心泵的吸头安装位置高于积水位置的最低积水液位时，就需要采用自吸式结构，自吸式结构的水泵在首次启动时需要排除泵内的空气，通常采用向水泵内灌入水的方式进行排气。当离心泵采用自吸式排水时，其吸头安装的位置高于积水位置的最低积水液位，在启动水泵时需要往泵内灌入一定量的水，用于排除泵内的空气，这个时候为了防止漏水，就要在进水管的位置设置一个底阀，用于防止水泵在启动时灌入内部的水漏出，应用灵活性较高。

1.2 缺点

上述两种常用的排水方案具有各自的优点和适用范围，但其整体均存在着结构复杂、故障率高、自动化程度低的缺点，整个控制过程需要人工不断进行干预，无法将实时监测到的积水数据和设备运行情况进行汇总，也无法进行远程控制，不能完全满足井下设备越来越高的自动化、智能化的控制要求。

2 新型排水装置的控制系统设计

针对现有排水装置的不足，本文设计了一个新的离心泵结合无底阀总成的基于集成控制的新型自动化排水系统，其结构如图1所示[2]。

图1 新型自动排水系统结构示意图

基于集成控制的新型自动化排水系统的控制系统主要由信号监测、采集系统，电动闸阀等执行系统，综合电控系统，集控中心四个部分组成，可以将监测的信号实时传递到地面控制单元，同时可以与地面上的上位机进行实时通讯[3]，实现集成的智能自动化控制，其结构如下页图2所示。

在实际井下排水系统控制单元中，在井下巷道的积水区内会设置多组控制水泵，用以确保在某个区域发生大量涌水或者透水事故时能够及时将积水排出巷道，在正常使用时，若积水较少则水泵通过集控单元的液位传感器监测确认后，自动将排水系统切换到单组运行模式，用于降低排水系统的损耗，节省大量的电能。对于井下排水系统水泵组的启动或者运行既可以通过地面集控中心进行人工控制，也可以根据设定的逻辑控制指令进行自动切换，还可以通过井下的操作平台进行控制，能够满足在多重条件下的集中控制要求。

图2 排水装置自动控制系统结构示意图

综合控制单元是自动排水系统的核心，其主要是对一个控制区域的排水系统进行综合控制，对排水系统在运行过程中的排水流量、电流、电压及水泵电机的运行情况进行实时监测与控制，并将该区域内监测到的各类信号进行集中处理后传递到位于地面的集控中心，同时起到将地面集控中心传递过来的控制信号进行相应的转换并传递给相应的执行机构，确保执行机构能够正确地响应控制信号[4]。

为满足自动控制要求，在该排水系统的集控中设置有“工作”、“备用”、“检修”、“应急”等控制模式。在正常工作时，如果积水区域的水位降低到了系统设定的值，则系统自动控制第一套水泵停止运行，若第一套水泵在运行中的排水速度小于液位传感器监测到的积水区域内水量的集聚速度，则系统自动控制其他的水泵依次启动，用于确保积水区域内排水速度大于水量集聚速度，其逻辑控制原理如图3所示。

图3 自动控制系统控制原理示意图

地面集控中心的上位机控制系统，对从井下传递上来的信号进行数据转换和处理，将各类信号转换为直观的曲线图、图表等便于控制人员观察信号状态，由控制人员根据系统所反映出的不同情况采取相应的控制措施。

3 结论

该新型排水系统采用了“差压自吸”方式进行排水，很好地避开了有底阀排水系统的缺陷，极大提高了排水系统运行的可靠性。同时该系统集成了集中控制单元和电控系统，能够对积水区域的水位和水量情况进行实时监测，便于地面控制人员实时监测该位置排水系统的运行情况并进行相应的控制调节，提高了煤炭井下排水系统的可靠性和自动化程度。

[1]王云花，李大峰.基于PLC的矿井中央泵房自动控制排水系统[J].煤矿机电，2011（1）：83-85.

[2]郭仁宁，李颂.离心泵取消底阀节能装置设计与经济性分析[J].煤矿机械，2009（9）：34-36．

[3]李亚哲.煤矿井下主排水系统工艺流程及其自动控制系统设计[J].工矿自动化，2011，37（5）：15-18．

[4]温国栋.基于ARM的煤矿自动排水监控系统的研究[D].西安：西安科技大学，2009.