煤矿井下自动排水装置设计

田 峰

（山西煤炭进出口集团科学技术研究院有限公司，太原 030006）

0 引言

随着我国煤矿开采力度不断加大，井下巷道涌水、积水问题愈发严重[1-2]。目前井下巷道排水仍存在积水点广泛、距离远并且靠人工操作水泵的方式进行启停[3-5]，而传统PLC控制监测系统过于庞大且价格高并在数据处理与控制操作不方便，难以应对煤矿积水广泛的特点，这一状况难以应对煤矿的自动化和现代化的高速发展需求[6-8]。本文设计一套以DSP数字处理器为核心的井下自动排水装置，通过对井下布置的各类型传感采集的实时数据，DSP主控制器对数据进行逻辑处理与识别控制，进而实现整个排水的自动化过程。

1 井下自动排水总体结构设计

1.1 自动排水系统工作原理与模式

利用液位传感器检测水位实时高度变化，当水位高度达到设定阈值时，中央处理器根据控制策略控制输出端口信号完成对射流泵的电动球阀的线圈开启，使得水泵入口处的真空度提升，同时中央处理器会根据接收的真空度信号决定是否开启水泵。水泵的运行过程主要是通过主控制器对各种传感器的信号实时监测水泵机组的运行参数，如水泵入口真空度值、出口压力值、电机运行电流电压、转速、温度等参数信号，根据传感器传回的信号判断运行是否正常，假如根据监测数据判定水泵运行异常则进去停泵阶段。水泵的停止阶段则根据实际经验将其分为两种状态。若水位在水泵的作用下降低，直至到达所需关闭水泵水平时，则在正常状态下停止水泵，水泵闸阀会逐渐关闭；若在排水过程中水泵意外掉电，属于非正常停止水泵过程，此时则虚在水泵减速的过程中迅速关闭闸阀，尽量避免发生做泵的危险。

考虑到井下实际水泵运行面临的复杂情况，将自动排水系统分为自动控制、半自动控制、手动控制3种模式，井下工作人员可以通过设置完成水泵运行方式的设定。自动模式下，系统则完全依靠所安装各类传感器对水位信号与水泵运行状态信息等信号的采集，通过采集的信号经中央处理器的判别、计算与故障监测的处理，实现排水工作的自动化和远程操控功能；半自动模式下，井下操作人员在通过人工对水位情况的判定下，手动完成水泵的开启，在水泵开启运行后，则由中央处理器控制的水泵单元完成水泵在运行过程中的电动闸阀、电机等执行机构的控制过程；手动模式，该控制模式主要是应对在检修、手动测试以及控制系统故障时应急操作，此时，井下操作人员可以根据以往控制经验手动操作任何一台水泵，当人工检修完成并试验没有故障时，该水泵便可以再次参与整个排水工作。

图1 系统平台架构图

1.2 主排水系统平台构架设计

本系统是对井下排水系统进行自动化再设计与改造，整个系统分为井上的地面调度中心和井下水泵机房的自动控制系统两大部分组成。图1所示为本系统设计的排水平台构架图。

由图1可以看出，整个系统井上地面调度中心主要由工业计算机、交换机等设备组成，各设备之间课通过本地局域网实施监督查看井下水泵运行状态，并将运行状态数据存储显示，方便井上操作人员的调度。井下水泵机房主要包括：单片机编译的主控器控制箱、井下水仓、吸水管路、排水管路、射流泵、离心水泵、传感器等设备，井下设备完成对排水系统的自动化控制功能。

1.3 排水系统网管结构设计

根据对井下的实际调研与排水需求考察，本文设计的自动排水系统井下配有4台离心式水泵和2个总管路进行排水，并且每个水泵都将与排水管路相连接以保证在工作时，水泵可以根据需求选择其中任何一个管路进行排水。这4台离心式水泵均为10 kV高压水泵，功率为800 kW，每台的排水量为280 m3/h，其中2台工作，2台备用，2台检修。整个排水系统组成结构中，分别设计有水泵机组、闸阀、止回阀、射流泵、正负压传感器等单元。水泵机组为整个排水系统的核心组成，由防爆电机和水泵组成，将水泵淹没在水中，启动后可以将水仓中的水抽排至网管中；闸阀作为安装在排水网管的入口和出口的排水系统关键辅助器件，它控制射流泵的抽真空和水泵的排水功能；止回阀安装在排水系统的出水闸阀上方，主要是防止水泵的突然停转时能自动关闭，从而使水泵不受水流的较大冲击而损坏；射流泵安装在水泵的最高处，主要作为离心式水泵的引水设备；正负压传感器安装于入水口处，用于检测射流泵在注水时的真空度，帮助主控器完成判别控制水泵电机的启动与排水功能。

2 系统硬件设计

2.1 主控硬件结构设计

通过采用微机控制与计算机技术对井下排水系统数据的实时监测与采集，并将其数据传输至中央控制单元，图2所示的系统主控硬件结构图，整个井下控制器主要由数字输入模块、模拟量输入模块、主控单元、通信单元、按键模块、显示模块以及输出单元构成。主控制器在分析排水过程的数据参数进行自动监测、多台水泵的自动控制与切换、报警等功能；模拟量输入模块与数字量输入模块与各类型传感器相配合，不断采集水仓、电压电流、水泵运行状态等变化情况，将其传输给主控单元进行处理，信息采集的准确性为整个系统可靠运行的关键；本系统通过设计显示电路与通信子系统完成地面监测中心和井下操作人员实时对水位、水压、排水流量、电机状态等参数的显示管理，同时通过井下以太网技术使得这些信息可以通过交换机连接井下与井上地面监测中心，实现井上和井下的命令上传下达的可靠性与及时性，保证系统稳定运行。

图2 系统主控硬件结构

2.2 主控器选型

本文设计的井下主控制箱中的控制器选用TI公司的DSP芯片TMS320VC5410，该控制芯片采用哈弗结构具有先进的集成电路技术，它的基本结构分为CPU、存储器、片内外设和专业硬件电路组成，还包括1个程序总线、3个数据总线和4个地址总线，并且具有良好的并行性。该控制器内部集成有不同容量的储存器以及众多的串行接口，极大方便与外接设备的通信，同时内部集成有完善的寻址方式和强大指令，它整体功耗低性能高，很适用于井下复杂工况环境。

2.3 稳压电路

为给控制系统提供一个安全稳定的工作电压，本系统采用NS公司的LM2576稳压器进行稳压电路设计，该开关具有3 A的电流负载能力，输出电压可分为固定电压输出和可调电压输出且输出电压高达40 V。如图3所示的为设计的稳压电路图，其中LM2576使用可调电压模式，输入引脚1端连接AC/DC电源模块的24 V电压端口；2号引脚为LM2576的电压输出端；4号引脚是反馈端口，它与电阻R1、R2和Rp共同组成电压反馈调节电路；5号引脚设为待机端，低电平时处于正常工作状态，高电平时处于低功耗状态。根据系统需求本文设计的电阻R1=68 kΩ，R2=2.5 kΩ，电位器Rpmax=5 kΩ。在稳压器LM2576的输入端外接1个续流二极管，且该二极管的导通电流需满足是最大负载电流的1.5倍。

图3 稳压电路示意图

3 软件程序设计

针对整个排水自动给控制系统庞大，涉及启动模式、水位监测、单台水泵启动停、故障监测和保护等多个软件系统。本文重点介绍单台水泵自动控制软件流程设计。图4所示的流程图，在开始阶段开启射流管路和压风管路的电磁阀，有助于对泵进行抽取真空，从而向离心泵中注水，因离心泵的吸水管和腔内没有住满水其真空度不够，便难以将谁吸入泵内，长久以后易造成部件损坏。在注水阶段若检测到真空度不够则进行报警关闭阀门，若正常则水泵进入排水阶段。当水泵在排水过程中水泵故障或水位降低至临界，则控制器则关闭水泵电机使其进行停机运行。

图4 单一水泵自动控制流程图

4 结束语

本文通过根据煤矿井下排水实际需求，设计一套井下自动排水系统，该系统能对水泵、水仓水位等井下环境的实时监测完成对水泵的自动启停与运行控制，并能将运行控制情况实时传输给地面监测中心，极大方便煤矿操作人员的操作。本文重点对自动排水系统的核心控制器和单一水泵运行软件程序进行说明介绍，该系统在井下运行稳定，极大满足了煤矿自动化发展的要求。