综采工作面排水泵电气自动化控制系统的设计

史华建

（山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司， 山西 晋中 045300）

引言

煤矿安全生产一直以来都是备受关注的话题，影响综采工作面安全生产的因素主要有瓦斯、粉尘以及地下水等。其中地下水主要通过采用高效的排水系统得以解决。在煤炭开采过程中，由于其地层结构被破坏，容易引发透水事故的发生，导致工作面的涌水量突然增加，严重威胁着综采工作面的安全生产及其作业人员的人身安全[1]。而传统排水泵采用继电器的控制方法，其工作面的涌水量由工作人员监测，导致传统排水系统存在排水不及时且排水不彻底、作业人员劳动强度大等问题。故，当前急需对综采工作面排水系统的控制方案进行改进设计，使其能够达到对现场涌水量等参数的实时监测，并根据监测结果实现对排水泵的自动化控制。

1 工作面排水系统概况

综采工作面排水系统主要由水泵房、水仓、排水管道以及水泵等组成。其中，水泵房为安装相关排水设备的场所；水仓为地下水的贮存场所；排水管道为地下水的排除途径；水泵为地下水至地面提供动力[2]。水泵作为排水系统的核心设备，其机械性能直接决定综采工作面的排水效果。

阳煤寺家庄矿所采用的水泵类型为离心式水泵，且工作面排水系统的结构组成如图1 所示。

如图1 所示，水泵由电机控制，当水仓内水位达到限值时，系统需启动电机并控制水泵开口的大小，以确保综采工作面的安全生产。此外，为了避免地下水回流至水仓内，在管路中配置相应的截止阀和射

流泵等装置。本文所研究的排水系统电气控制系统，除了系统的硬件和软件设计外，还需对其关键的控制策略进行设计，从而达到满足实际生产需求的同时达到节能、自动化监测、自动化控制的目的[3]。

图1 工作面排水系统结构

2 排水泵控制策略的设计

排水泵控制策略设计的关键标准为能否控制排水泵的开机与停机及排水泵的开口大小。本文基于“避峰填谷”思路对其控制策略进行设计[4]。所谓“避峰填谷”策略指的是在用电高峰期时尽可能地减少排水泵的工作，使水仓水位在最高水位附近；在用电低谷时动作尽可能多的水泵，腾空水仓以备用电高峰期储水。经对工作面所在不同时段电费不同得出如表1 所示的统计表。

表1 电费统计表

综合考虑工作面水位及其水位变化率的情况，设计如下页表2 所示的工作面排水系统控制策略。

如表2 所示，n/（n+1）表示：当水仓内水位变化率超过正常水位变化率时，需同时启动n+1 电机；若水仓内水位变化率维持正常值时，需同时启动n台电机即可。

3 排水泵电控系统硬件的设计

工作面排水泵电控系统的硬件设计主要对其自动化电控系统中关键硬件进行选型设计，主要包括有PLC 控制器以及各类功能性传感器的选型设计。

表2 工作面排水系统控制策略

3.1 PLC 的选型设计

结合排水系统的作业任务，选用三菱FX2N 系列的PLC 控制器。该PLC 控制器的拥有24 个输入接口，24 个输出接口[5]。为了进一步丰富该控制系统的功能，扩展了一个模拟输入模块和一个数字量输出模块。模拟输入模块的主要功能是实现采集信号的数模转换；数字量输出模块的功能是增加系统的输出点。控制系统的输入输出等数量进行统计，统计结果如表3 所示。

表3 PLC 排水控制系统的输入输出量统计表

3.2 排水系统关键传感器的选型设计

基于工作面排水系统各类传感器对水位、温度、流量、真空度以及出口压力等参数信息进行实时采集，并将采集结果上传至上位机，并由PLC 对采集到数据信息进行处理分析，最终得出不同控制方式。该工作面排水系统各类参数传感器的选型结果如表4 所示。

表4 传感器选型结果

4 排水泵电控系统软件的设计

排水泵电气控制系统不仅能够实现排水泵的节能生产，还能够根据水仓水位的变化情况控制水泵的开启与关闭，且明确需开启水泵的数量。因此，排水系统电控系统的软件设计需遵循“避峰就谷的原则”。本节着重对排水泵的轮换工作和水泵工作方式选取的软件程度进行设计。

4.1 排水泵轮换工作软件的设计

为延长工作面排水泵的使用寿命，在实际应用过程中应首先根据水仓内水位及其水位变化率的变化情况结合“避峰就谷”的原则确定需开启水泵的数量。若需开启水泵的数量大于当前水泵的开启数量，系统应开启运行次数较少的水泵；反之，若需开启水泵的数量小于当前水泵的开启数量，系统应及时关闭运行次数相对较多的水泵。与上述控制策略对应的程序流程如图2 所示。

图2 排水泵切换工艺流程图

4.2 排水泵控制方式切换软件的设计

为满足综采工作面排水系统的实际生产需求，其水泵可通过自动、半自动以及手动方式完成对排水系统的控制。排水泵控制方式切换程序流程图如图3 所示。

图3 排水泵控制方式程序流程图

如图3 所示，系统动作前首先应对PLC 性能检验，经检验后若PLC 无故障则根据实际生产需求选择对应的控制方式。

5 结语

排水系统作为综采工作面的五大系统之一，其排水效果直接决定着综采工作面的安全生产。为了实现综采工作面排水系统节能、高效的生产，基于PLC 及各类传感器设计了排水泵电气自动化控制系统；为达到节能的目的，将“避峰就谷”的控制策略应用排水泵的电控系统中；最后，对排水泵的轮流切换以及其控制方式选择的程序流程图进行设计，为提升排水泵在综采工作面安全、稳定、节能奠定了基础。