水泵自动化在大柳煤矿的应用与研究

贺 强 马登程 华亭煤业大柳煤矿有限公司

1 引言

随着我国在煤炭开采技术方面不断的开展，大柳煤矿跟随国情正朝着现代化高产、高效、集约化生产的方向发展进步着，出产设备和操作配套设备日益先进。在日常煤矿的开采过程中，井下排水系统要求能够及时的、高效地将井下涌水排出井外，防止水害事故的发作，确保矿井出产的安全。在地下的排水系统中，水泵设备起着最至关重要的作用。日常工作中如果排水系统中的水泵出现故障，不仅会对煤矿的正常开采运行造成影响，还会发生水淹井的安全事故。是对地下作业者安全的严重威胁。因而，井下排水系统对确保矿井出产的安全安稳非常重要。开展自动泵系统，对井下排水作业进行自动控制，对确保矿井出产安全具有重要意义。

2 水泵自动化装置的组成与系统工作原理

2.1 系统的工作原理

仅具有手动操控功用的地下水泵操控体系是不够用的。它需要一个有效的功用来完成彻底自动操控、自动监控等功能。体系中最重的关键部件是可编程操控器（PLC），这个部件将收集传感器模块所传输的数据，如水位高低、压力大小、真空程度、温度高低、电压电流等。通过感知，依据剖析结果给出泵的自动运行和密封次序，并对泵的实时状况进行24h监控地下水位的施行。可编程操控器还将从自动操控体系的显示操控台接收与开关值相关的命令，并操作继电器的发动和中止泵及相关设备的发动和中止。并将操作的详细状况用以太网信息传输的方式传递到监控中心，使监控中心的处理器能够第一时间监控到地下设备。

2.2 水泵自动化控制的系统组成

水泵作为排水系统的主要设备，根据其作业原理和作业方式，能够分为很多种并得到广泛应用。最常见的类型是离心泵。由于离心泵主要有五个特色，第一是结构简略，第二是与其他泵比较体积小、重量轻，第三是日常养护工作操作简单，第五是使用起来简单易懂，没有什么深奥难懂的操作。除了上面叙述的五个特点以外，离心泵还有着较高的举升高度、在各种情况下操作方便快捷的特点。

离心泵结构并不复杂，主要工作部件是旋转叶轮和固定的泵壳。离心泵是通过离心力的作用来完成排水作业的。它的作业原理如下：首先，离心泵在运行前必须将泵腔中的空气排除干净。通过叶轮高速旋转发生的离心力将待排放的水输送到叶轮的边缘，水进入泵壳。随着泵壳中添加的活性通道，离心泵的活性将变缓，动能持续降低。一部分的静态能量是由旋转能量将转化而来的，然后经过水压的作用，进入排水管道中，最后待排放的水将被输送到目的地。

2.3 控制系统的主要功能

2.3.1 对系统的自动管理

水泵的首要意图是使井下排水及时，保证井下安全。该系统的最大优点是无人作业时能够远程操控。系统上的设备能够在现场运转，相关数据和模型也能够出现在现场。它不仅能够遵循以前的操作形式，还能够改进和履行各种指令。

2.3.2 控制方式的多种多样

在操作水泵的过程中，保证生产的安全是最重要的，确保水位可以控制在我们的操控范围内，操控性是可以分为自动参考、遥控操控、近距离操控、手动操控和维护等方面来操控。

2.3.3 数据采集与集中显示

上位机设备主要是一个完结数据的体系，如水位、电流、电压等方面的数据，这些都反映在这个体系中。

2.3.4 系统优化设计

系统记录了每台泵的运转时间和次数，使操作人员能直观查看到水泵的运转轨迹，系统还能根据现场的不同情况，自动挑选适合的运转形式。

另一个系统是关于水位的检测。它的主要功能是判断水位。体系对当前情况宣布停止指令，这将使排水更加顺利。

2.3.5 保护环节

当出现问题时，系统会当即发出警报。当现场工作人员听到警报时，他们会当即采纳办法维护自己的安全，这不只提高了操作的安全性，还减少了损失。

3 自动化水泵的控制系统

3.1 系统功用介绍

3.1.1 监控信号介绍

在体系运转期间，每个开关值和模拟值信号的监控如下。

（1）各泵电机的发动中止信号。

（2）各泵电机高压开关的电参数信号。

（3）各电动闸阀的开关信号。

（4）各电磁阀的开关信号。

（5）主（备用）排水管道流量。

（6）配水井水位信号。

（7）水泵真空度和出口压力。

（8）闸阀和电机发动中止到位信号。

不要计算中心变量、总点数、点数。

3.1.2 操控信号介绍

通过在操作平台上输入开关量和采集的模拟量数据，通过对比分析，可以完成以下意图。

（1）水泵电机的启停操控。

（2）各电动闸阀的开关操控。

（3）各电磁阀的开关操控。

（4）集中操作操控台的输出指示。

总共42个输出点。

3.1.3 操控形式介绍

水泵在操控系统中包括主动和手动两种操作形式。主动操控：系统根据程序设置条件(水位、压力、真空、时刻等)主动完成。水泵相关设备的启停操控。而且每个设备之间存在互锁关系。手动操作：操作人员应依据操作程序和现场数据，依次操作水泵及其相关设备的启停操作。单个泵的每个设备之间存在联锁关系。

3.1.4 水泵作业模式介绍

根据国家煤矿安全规程，矿井水泵必须有三种作业形式，即作业形式、备用形式和保护形式。当时水泵在本次排水操作中处于启用状况可以称之为水泵的作业形式；而待机形式指的是水泵在排水运转中处于待机状况，当已经开启的水泵不能满足当时的排水需求时，将作为第二工作泵被启动并投入排水作业；保护形式是指当时水泵处于保护状况，而不是在这种排水运转状况下作业。作业形式直接设置在中央控制台上。

3.1.5 控制功能介绍

根据系统的发动时间、地下水位、矿井供电负荷等参数，水泵将完成自动发动或停止运转，完成联锁发动泵阀，并完成运转中的所有参数都受到监控，数据将通过工业以太网向上传输。系统将依据监测到的水位信号，设置最低水位、最高水位和超高水位信号。当水位达到高水位或不在高水位且处于低功耗时，作业泵将主动发动，当水位达到低水位或不在高水位且处于功耗峰值时刻时，泵将主动中止。当水位超越上限时，“作业泵”和“备用泵”将主动发动，直到水位低于上限，“备用泵”将只运转“作业泵”。

3.2 硬件连接

处于地下中央的水泵房中要保证有三台离心泵。三台离心泵通过就地按钮箱和集中的操作台，来完成对水泵启停的控制。通过分线盒和航空电缆来分别实现对现场控制设备和可编程控制箱的连接。

离心泵分别设有两条管道，排空管道和排水管道。水泵出水管上设有喷发阀装置、真空阀集成阀和负压（真空度）传感器。排水管道的出水装置设置有正压传感器，正压传感器通过正压传感器分别与1号排水管道和2号备用排水管道连接，也安装在支路上排水阀。1号排水管和2号排水管分别装有排水管阀和流量传感器。

水泵上的温度传感器无法检测电机的轴承温度和定子温度，因此在软件上设置了程序维护。配水井内安装了一套水位检测装置丈量系统中，一组浮球开关，根据其导通（上浮或下浮）的原理，根据水位实现自动循环和输入功能。还有一套超声波水位检测仪它坐落井底，用于检测水位的微小变化，判断水位的上升或下降趋势，并在操作通道和上位机中显现详细值。

4 水泵控制系统

4.1 PLC构成

可编程操控器中使用的中央处理器有三种：通用微处理器、单片机和位芯片微处理器。中央处理器的主要是接收和存储程序员输入的指定程序和指定数据。对现场设备状况的接收或数据存储在输入图像寄存器或数据寄存器中。编程期间检查电源的运转状况、操控器内部电路的编程和语法错误的修改。当可编程操控器运转时，它将从存储器中读取用户程序编译、执行并完结用户程序中指定的算术公式。依据操作成果，完结指令中指定的各种操作，然后输出组件完成输出操控、制表、打印或数据通信功能。PLC系统配有相关的系统存储器和用户存储器器。

4.2 下位机系统

为了提高水泵的整体操控功能，水泵操控系统采用了大量的可编程操控器，如真空环节、水位监控环节和故障报警环节、参数显现等。根据传感器的输入数据，可编程操控器经过可编程操控器算法进行分析核算，终究得到水位信息、阀门位置信息和流量信息兴趣等。可编程操控器经过各种放大器将操控信号输入真空泵电磁阀，使泵送系统作业。水泵运行中，各种作业参数经过指示器向用户显现。为了完成远程操控，由可编程操控器设计的操控系统需要经过以太网传输到后端处理中心。

4.3 上位机系统

上位机软件的主要功能包含界面、单泵监控界面、趋势界面、前史数据表界面、毛病报警界面等。主界面显现了实时状况，并显现泵流量、内部压力等数据。单个泵的监控界面显现泵的状况、运转参数、发动和中止状况。趋势界面趋势线显现了其时采样数据的趋势改变。前史数据表界面能够查询每个数据的前史采样数据记录。当故障报警界面显现系统时故障信息以界面的形式显现给用户。

5 控制系统特点

该体系由计算机控制，无需人工操作。跟据水位的高低来进行自动启停水泵的操作，自动完成水泵的旋转开启，并做出复合现场情况的调度。具有对过载、欠压、超温、轴温等现场问题的强大维护功用。如果出现上述情况或电机故障，体系将自动中止水泵的作业，备用水泵同时启动。控制中心在收集现场数据，并将给地面指挥中心传输调度策略，完成远距离指挥；水泵作业的画面会经过摄像头的传输，传送到现场控制中心和地上指挥中心。

6 结语

大柳煤矿作为大型煤矿，在日常的开采过程中，每吨煤的开采都会排出约3t～6t的水，有时乃至需求排出几十吨水。水泵的自动化控制系统，除了出色的完了人机交互界面，还完成了自动控制系统，具有十分重要的意义。由于煤矿井下生产建设中时常有各种水源的流入，需要及时排除井下流入的水，而可编程序控制器水泵自动控制系统的应用，可以完美的对空井下水位改变数据进行动态的监测，并保存和记录监测成果和控制信息参数，然后对水泵发动机组的数量进行自动控制，以保证煤矿的安全出产。