煤矿矿井水处理站自动控制系统设计研究

摘 要：矿井水处理是解决煤矿用水资源缺乏状况的一个重要手段，本文基于对自动化控制系统的研究，设计实现针对矿井水处理站的自动控制系统，将矿井水处理过程升级为无人化自动执行。经过多方面测试和验证，本文提出的系统设计方案有很高的可实施性，并且针对技术的不断发展，为后续的系统提升留有扩展接口。综上，该系统是煤矿矿井水处理站自动化控制中一个可借鉴的典型应用，可为后续类似工作起到一定的参考性。

关键词：矿井水处理站；自动化控制；净水处理；系统设计

引言

我们国家幅员辽阔，拥有十分丰富的煤炭资源，但是矿井位置多位于干旱少雨的区域，因此水源缺乏是一个十分严峻的问题。水源的远程运输，不仅耗费大量的人力物力，也很难满足矿井的日常用水。因此，在矿井周围建设矿井水处理站，是解决这一问题的有效途径。早前，在自动化技术还处在萌芽阶段的时候，净水处理的各个步骤，需要专门的人员进行人工操作和手动记录，随着开矿的面积逐渐扩大，需要净化处理的水源增多，首先带来的一个问题是工作量日益增加；另一个非常严峻的问题是，矿井水相较于普通的地下水，其组成成分更加复杂，因此一般的净水处理程序是无法满足矿井水净化后达到使用标准，它需要更加繁杂的净化步骤和净化药水，人为操作这一过程，会带来很多的误差，造成水质无法达标。随着近几年我国自动化技术的全速发展，矿井水净化采用自动化控制的设计方案是大势所趋。本文针对目前这一现状，提出一套完善的矿井水净化自动化控制系统的设计方案。

矿井水主要分类

矿井水相较于地下水，含有更加复杂的化学物质，因此与普通的净水流程有很大的不同，为了实现对净水流程更加精确的控制，首先要研究矿井水的主要成分，才能提出有效的净水处理方案。根据对矿井的地理位置及各种环境差异的分析对比，发现矿井水主要有以下几种类型，第一类是和普通地质水相似的矿井水，只需将水中的颗粒物进行过滤等简单的物理处理即可；第二类就是含有各种化学成分的矿井水，例如高盐水，除了需要进行过滤沉淀等简单的处理，还需要想办法稀释水中的盐分，该过程可使用电渗析工艺；对含有其他化学物质的水，则需要增添无害药剂进行反应或者其他的净化手段，最终目的是使得处理后的矿井水达到可使用的标准。

矿井水净化自动化控制

根據上文中对矿井水成分的分析，矿井水在进行净化处理时，除了相应的过滤沉淀等过程，还有相对较复杂的过程，通过对各个流程的分析，给出自动化控制解决的方案。

首先需要将地下矿井水抽出进入预沉调节池，进行初步沉淀后，将上层水提升至专业沉淀池，该工作由自动提升水装置完成。由控制台自动发出命令，向专业沉淀池中加入定量药物，将水中的杂质进行凝结沉淀后，由排水装置将过滤完成的上层水排入至下一步过滤设备，这一过程反复执行，直到水质达到使用标准为止后排至清水池进行利用。在该过程中，系统首先需要采集需要处理的水量，水的浊化程度等数据，该数据由自动控制系统进行计算后，将需要添加的净化药量反馈给加药装置，加药装置根据命令自动执行加药操作。同时每个水池的水位用液位仪表进行在线显示记录，防止水池中的水位超标，及时进行预警和处理。

在上述净水自动化控制过程中，虽全程减少了人的参与，但是整个过程使用在线仪表进行全程记录，在上位机进行实时显示和重要数据存储，实时监控设备的状态和各个步骤操作命令的参数，以防出现故障，造成不可挽回的损失。当某一步骤发生故障时，该系统具备报警和保护功能，同时每一项操作都可在上位机中进行手动操作选择控制。

系统设计方案

根据上述对自动化流程的构想，针对具体的矿井水净化处理，设计包括上位机及各种硬件模块相结合的自控系统，使得净水过程全自动化执行，并且有相应的监控记录各个过程的执行，防止故障的发生。

（1）上位机实现：上位机主要用来控制各个自动化流程的实现，有用户管理，数据管理，远程传输及各种日志打印存储等功能，并且该上位机需要长时间在环境恶劣的条件下进行运转，因此型号的选择，需要考虑耐用，抗干扰等条件，以及需要大量的存储空间，记录自动化设备传感器采集的相关数据。

（2）硬件组成部分：硬件部分主要由传感器（浊度传感器、液位传感器、流量传感器及压力传感器等），主控单元、电动阀、电控柜等部分构成。其中最主要的是各种传感器和主控单元，主控单元的工作是进行信号采集，并且对信号进行运算，根据运算结果，来调控净水处理各个步骤执行的参数值。例如，用电设备起停时间及加药量，最终使出水达到使用标准。传感器主要为主控单元采集相关数据，其主要分布在各个水池及设备上，采集数据参数，传递给主控系统进行计算和使用。

（3）自动控制部分：该部分主要包括与各个设备及上位机建立通讯连接的控制程序及PLC控制器。主控单元通过plc控制器与各个传感器进行通讯，获取出水量、液位、浊度等重要的参数。参数上传后，由上位机软件进行存储记录，并由主控单元对其进行分析计算后，可生成调节参数，控制净水设备各项任务的进行，其可脱离对上位机软件的手动控制，独立自动完成这项工作，具有智能性，对整个净水系统的逻辑进行可靠的控制，同时这部分工作可在上位机显示当前运行状态，整个系统连续运行，工作人员在控制室利用上位机进行监视即可，并定时检查各项设备运转情况，及时排除产生的故障。

小结

根据我国的煤矿产业现状及对煤矿地区自然环境现状进行分析，首先煤矿采集地区环境大多干旱少雨，煤矿正常生产用水资源短缺。大量的矿井水如果不加以利用全部外排，不但会对生态环境造成恶劣的影响，也浪费了水资源。目前针对这一水资源进行处理的各项工艺和控制流程依然存在很多的缺陷，因此应该加大对该项技术的研究。本文针对这一现状，提出一套切实可行的煤矿矿井水处理站自动控制系统，该系统包括上位机软件及相应的硬件配套设施，通过各项分析验证，该方案可满足多数矿井的用水处理需求，且经济成本低廉，适合在矿井中推广使用。当然，随着自动化进程的发展，该系统的自动化程度需要不断加强。

参考文献：

[1]周如禄， 朱留生. 煤矿矿井水处理厂自动控制技术探讨[J]. 煤炭科学技术， 2003， 31（1）：37-38.

[2]尹清标. 济宁二号煤矿矿井水处理站自动控制系统设计[J]. 煤矿现代化， 2006（2）：38-39.

[3]煤矿矿井水处理工程问题及对策研究[D]. 河北工程大学， 2013.

[4]周如禄，崔东锋，郭中权. 煤矿井下用矿井水处理电气控制装置和矿井水处理系统：， CN202870565U[P]. 2013.

作者简介：

谢冰城（1989.07.10）， 性别：男，籍贯：黑龙江省绥化市，学历：本科，毕业于黑龙江省牡丹江师范学院，现有职称：初级工程师，研究方向：仪表自动控制。