基于安全节能的矿井自动化排水控制系统设计

彭中卫

（内蒙古上海庙矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 016200）

相对于其他国家，由于我国煤田普遍具有地质条件复杂的特征，通过长期对煤矿资源开采过程的观察，发现在工作环节中受水量因素影响的煤矿比例占总量的三成左右，是否能够合理排除煤矿积水已经逐渐成为影响工作人员工作状态与生命健康安全的主要因素。但与此同时，很多地方性的小煤矿在设计排水系统时由于没有考虑到设备的长期使用需求与更换周期，在实际应用时不仅导致电机在长期使用下耗能量逐渐增长，同时由于排水系统设计环节不够完善大大降低了使用效率[1]。因此，需要针对当前应用矿井自动化排水控制系统时存在的主要问题进行深入分析，并对其中的系统应用环节进行持续优化，以达到延长设备使用寿命、降低劳动强度的根本目的。

1 目前我国煤矿井下排水系统存在的主要问题

很对地方小煤矿由于受条件所限，为尽量降低工作成本，在排水控制方面依然选择人工控制为主要方式，不仅工作强度大，同时工作效率与可靠性均达到不到预期工作标准。

（1）设备无法集控。排水相关设备无法集控是煤矿排水系统在应用时存在的主要问题，对应的矿井的设备实际运行情况以及与之相关的实时数据反馈也不够及时，一旦出现故障不能保障问题解决的及时性，并不符合现代化煤矿的管理要求。

（2）控制策略仍处于落后状态。传统排水系统应用过程中是完全依照人工经验判断排水时机与各种系统应用因素，但由于设备对应的环节繁多，导致人工操作方面需要掌握大量的复杂操作过程，操作人员承担着极大的责任与工作压力[2]。若是工作人员没有足够的工作责任心，很容易会因为马虎大意导致操作不及时甚至设备损坏，井下的安全生产活动无法保证。

（3）水泵启动失败率较高。水泵干烧现象是影响水泵使用寿命的关键因素，为了尽量避免此种现象出现，当前采用的大多数排水系统均采用具有无底阀特性的抽水方式为水泵的主要注水过程。但完全依靠人工经验判断临空真空度是否达到系统规定的启动标准的方式却很容易出现失误，最终导致水泵电机开启不及时或是相关数据读数不精准等问题。

（4）系统运行效率过低。作为煤矿生产活动的高耗能设备，提高水泵的运行效率是降低工作成本以及缓解能源紧张问题的基础条件。但由于当前我国多数煤矿的节能意识并不强，对应的排水系统的控制方法极为落后，设备维护成本逐渐上升的同时工作效率却不能得到保证，尤其是设备在长期使用的条件下势必会出现老化磨损等问题，如果没有一套切实可行的安全节能方案与之相匹配，对于实际的生产生活将产生极大的不良影响。

2 控制系统方案设计

本方案设计以生产能力在140万吨的中小型煤矿为背景，结合煤矿所处地理环境与新老竖井自动排水系统的应用特性，对其中央泵房以及井下排水系统环节中出现的各种问题进行优化，并制定出一套切实可行的安全节能排水系统设计方案。

2.1 离心式水泵排水系统

水泵是排水的主体设备，其主要由轴承、支架、泵壳叶轮等组成，而离心式水泵由于构造较为简单、维护方便等优势更是被广泛应用在生各大产领域。其工作原理是在泵腔充满液体的情况下启动叶轮旋转将会带动水做离心运动，并利用水压将液体排放至管道中。之所以水在启动的状态下会进入到泵腔内部，是因为电动机在启动时高速旋转，在大气压力的辅助下矿井下积水将会被快速排出。

2.2 排水系统组成

通常情况下以离心式水泵为主体的排水系统在应用时需要根据煤矿所在的区域环境选择合适的注满泵体液体的方法，常见的有真空泵、射流抽真空以及射流泵等，其系统主要由电机、阀门、离心式水泵、启动设备以及管路附件等组成。

（1）阀门。阀门的使用优势为阻力小、方便调节流量等，但其在长期使用下极其容易磨损，后期的维修维护过程也过于复杂；逆止阀具有方向性，其主要作用为在水泵故障的情况下避免水逆流的情况出现，降低水仓水溢出事故的发生风险。

（2）真空表与压力表。真空表主要用于检测泵体内部真空度，只有真空度足够水泵电机才能启动，减少了电机干烧现象的出现。而压力表通常接在排水管路上，紧邻水泵出水口，从而检测水压力以判断是否需要打开出水闸阀，降低水锤事故的发生风险。

（3）射流系统。为避免电机干烧等不良现象的出现，启动前给水泵腔体注水是常规操作，采用的方法普遍为射流抽真空与真空泵注水法。射流泵在真空环境下能够将水吸入，同时具有空间利用率高、维修量小等优势，被广泛应用于自动化排水系统设计环节中。

2.3 系统整体设计方案

控制系统主要包括上位机与PLC控制柜两大核心，根据此煤矿的现场情况可以将其分为井下现场下位机与地面监控上位机。具体如图1所示。

（1）地面监控上位机。想要达到在地面对井下排水情况进行监控的效果，需要设置地面监控系统（工业电视系统、光刻机以及工控机等），在构建上位机后能清楚地显示井下的动态画面与现场的数据变化，从而对井下的各种排水设备进行远程控制。操作人员能够通过实时反馈的水泵运行数据判断井下情况，并能够在水泵故障发生的第一时间发现从而保证问题解决的及时性，将问题损失降到最低。

（2）井下排水控制系统。现场控制井下设备主要通过PLC控制柜以及与之相配套的各种传感器实现控制功能，通过安装网络摄像头能够对中央泵房的具体情况进行实时监控。PLC控制柜主要由各种电气设备以及S7-300PLC组成，其中的PLC部分组成由输入输出模块、数字量输入输出模块、CPU以及电源模块组成，能够对设备的发出信号进行收集与判断，从而自动判断设备的环节操作状态，在与就地操作箱结合使用后能够显示自由控制水泵状态。

（3）控制系统主要功能。①排水系统自动化控制。在将自动化排水系统安装完成后真正实现了无人值守功能（保留手动控制模式），能够通过控制系统对水泵等各种设备进行远程操控，从而降低人工操作成本，减少了操作失误所带来的一系列问题。②控制方式多样化。为了能够根据现场的具体情况自由选择操控模式，在对设备进行自动化控制的基础上，仍然保留手动控制模式，并增加远控、近控以及检修三种模式。自动模式下全程不需要人工参与就可实现整个流程的自动化控制；远控模式下需要操作人员操作计算机下发水泵的开启与停止指令，具体操作在PLC系统的协助下进行；近控模式是工作人员在井下通过就地操作箱对水泵等设备进行操作，其余操作仍需在PLC辅助下完成；检修模式主要用于水泵等设备发生故障的情况下，在故障发生后机组设备报警，维修人员赶到现场设置为检修模式，并在故障处理完成后调回自动化运行状态。③系统优化。通过设定自动化控制程序系统实现了水泵的自动轮换功能，并能够自动收集水泵工作信息建立对应的工作模型，从而选择最为符合工作实际情况的启停水泵与排水管路，以最大程度的延长水泵使用寿命。一旦发现系统在运行过程中存在故障，在通过系统确定故障水泵位置后需要取消该水泵的工作轮换状态，直至修复后方可重新取用，这种系统优化方案的优势在于降低了某些水泵的长时间工作压力，避免频繁使用出现老化现象，同时也减少了其他水泵机组长时间闲置对于实际工作效率的影响，有效减少了由于排水系统应用不当所带来的安全隐患。④系统保护。为提高设备工作的安全稳定性、降低工作人员的井下生产工作安全风险，系统设计了各种保护功能，包括真空度检测、电流、超温、电机参数以及PLC故障保护等。在保护功能启用后，一旦系统中的某些部分发生故障就会自动报警，同时能够根据设置的不同报警信号第一时间判断出故障类型。对于排水系统来说，若是真空度不能达到规定数值就将电机启动很容易出现干烧现象从而导致水泵启动失败。而通过增加的真空表与压力传感器能够清楚地显示出实时压力数值，一旦没有在启动时达到规定数值就会报警，有效保证了问题解决的及时性；对电流进行监测，发现电流过低或过高能够第一时间报警，以降低干烧现象的发生频率；超过规定温度运行水泵电机将会极大减少其工作寿命，因此需要对温度进行监控以便在温度过高时及时停止电机工作以保护内部电路；系统能够根据电机的各种参数判断电机的工作状态，一旦发现参数与预先设定标准值区间不符，将会自动执行设定操作并发出故障报警；PLC由于其结构特殊性，难免会在长时间使用时出现死机或是触电老化现象，一旦出现此种情况将会立即发出故障报警，并自动将控制方式转为手动以免影响其后续的工作状态。

3 结语

综上所述，为提高煤矿井下工作安全等级以达到安全节能的工作目标，设计一套切实可行的自动化排水控制方案是极其重要的。这套方案在应用后不仅能够满足现场的生产工作需要，还能够根据不同种情况切换不同的工作模式，为提高工作安全性、持续提高经济效益打下了坚实的基础。