煤矿井下水泵自动化控制系统设计与应用

谢兆丰，长孙佳庆

（陕西彬长矿业集团有限公司，陕西 咸阳 712000）

在煤炭矿井等井下活动中，最重要的施工工程是排出井下涌水，这要求排水系统必须万无一失、可靠和安全，能顺利、完全地将地下水排出地面[1]。水泵控制系统作为井下排水系统不可或缺的系统，关系到后面对煤矿井的开采，其技术亟需提高，以提高总体矿井的开采速率和效率[2]。而老式传统井下水泵仍然以人工为主，使用的控制系统复杂纷繁、功能损耗大，不仅仅不能有效提高效率，而且提高了开采的成本，不利于矿井科技的发展。因此，井下水泵系统亟需向自动化、去人工化靠拢发展。

1.煤矿井下排水系统概述

煤炭井下排水系统作为煤矿的六大系统之一，为煤矿开采打下了重要基础，同时也是井下系统运行过程中的“保卫兵”。研究表明，井下液体主要成分包括地表水和地下水，包括了降雨积水、水库积水、矿井积水、江河水和地下层水等水分。如果在排水过程中导致地层水进入矿井或者矿井内积水，很有可能拖慢开采进度，严重将影响井下工作人员的生命健康，带来不必要的危险和伤害。故而，排水系统是保障矿井安全运作的一个大系统，举足轻重。

国外矿井排水系统非常成熟且早期进步飞快，对现场总线监控系统的使用方式也非常成熟，国际上普遍认可并利用。1990年代中期，排水系统开启方式由俄罗斯专家通过一台功率为2千瓦到3.5千瓦的电机所实现，并由此发现了双电机的优势，同时也巧妙处理了高扬程双电机的问题，并处理了现场会产生的实际问题，大大提升了矿井排水系统的发展程度。

在富矿国家，自动化智能技术也得到了充足的发展，煤炭生产也实现了去人工化。利用网路信息实时监控相应操作，并实时检修仪器设备。尽管有些国家的对于开发煤炭矿井排水系统并没有花大量的精力，但是在总体上煤炭矿井技术还是大部分实现了自动化。

随着煤炭行业的发展，中国也开始重视煤矿排水系统方面的发展，投入了较大的资金和精力在排水系统的研发中。人工方式的排水和自动化排水使用的都是离心机，但是人工排水只能以来与技术人员的个人经验和及时发现，来启动和停止水泵。人工操作的具体步骤是，技术人员发现水仓水位较高，及时将排水系统中的闸阀关闭，然后开启射流泵，通过射流泵对管道进行真空处理，在同时观察压力表和气压表，符合一定的压力后开启水泵。在这个过程中要求技术人员及时处理、对突发情况要镇静处理，但是这样对技术人员要求过高且更容易发生事故，自动化系统的引进不仅能够解放人工，更能够保障矿井的安全，节省时间。目前，中国在煤炭排水系统中取得了长足的进步，自动化程度在排水系统的操纵和优化排水以及管道修复和安置中得到了较大的提高，另外，在操纵给排水系统中运用了先进的算法和模糊控制，使得排水系统更加易于操控，并且提高了系统对工作的精度和反馈迅速程度。

2.自动化控制系统原理与组成

煤矿井下水泵控制系统不仅需要人工控制，更需要时时刻刻有自动监测等的功能。在整一个自动化控制系统内，最重要的是PLC控制器。它能够对煤矿井下所有数据进行监控管理，并自动分析然后依据结果对水泵运行发布命令。该可编程逻辑控制器不仅仅能够发出与控制台相同的指令，也能对其他有关设备进行远程网络控制，并通过以太网把具体数据与状况反馈到监控中心，与监控中心链接。

地面控制中心：设置在调控中心内部的地面控制中心是自动化排水系统的核心，它选择工控机作为操控台，不仅仅接收数据并对矿井下有关设备进行监控，而且负责向控制器中传输相关的数据和具体状态。

通过以太网，地面控制中心能实现与其他网络控制中心或监测分站实现控制与链接。在中国一些矿井中的以太网络中心高效且快速，已到达千兆以上，完美适应了数字化矿山的开拓概念。

水仓监测监控系统：按照类型划分，我国煤矿井排水水仓类型可以划分为小型水仓和中转水仓。小型水仓与中转水仓连接，当小型水仓的积水达到阈值之后，小型水仓中的积水将会通过水泵排到中转水仓之中，当中转水仓的积水达到阈值之后，又将通过水泵把中转水仓中的水抽向主水仓。

3.煤矿井下水泵控制系统结构

井下水泵控制系统结构包括的设备有：离心泵、射匮泵、闸阀、止回阀、管道和压力表等，本部分将主要介绍上面所说的设备。

离心式水泵：我国矿井离心式水泵运用较为普遍，主要工作原理是水泵叶片在电动机的带动之下高速旋转，并将矿井下的水通过排水管排出来。开动电机之后由于叶片开始做高速旋转运动，高速运动将井下液体离心带出甭提，并在最后出水口导出。

闸阀：位于止回阀的下方，闸阀是排水的重要设备，闸阀的主要作用为：计算并监测、控制通过离心泵排出的水的有关数值；在开启离心泵是，保证闸阀处于关闭状态。闸阀的优点是，在安装过程中无需判断方向问题，也不存在安装反向的问题，非常简单盛世，还可以根据需要调节相关量度。但是，闸阀存在的缺点是，由于体积较大，闸阀内部存在的问题难以解决，需要的维修成本较高。

止回阀：止回阀的作用在于它能够有效防止水泵被破坏。在水流下落过程中，通常会由于水流速度过快，对水泵和管道产生很大的冲击力，这对水泵和管道有一定的压力，若出现水泵在流水过程中突然停转，止回阀能够迅速感应到并关闭闸阀，防止管道中的水流形成高压，对水泵造成二次破坏。

压力表与真空表：压力表顾名思义是监测排水管道中的水压，并反馈到控制中心。安装在水泵和吸水管上为真空表，监测排水系统的真空度。

射流泵和真空泵：排水系统进行排水时，应当把泵腔和吸水管中灌满水才能开始离心，保证水流能够正常启动，其工作原理是利用管道、泵腔和外界的压强差将水从井下抽出。若没有灌满水，则管道和泵腔都存在空气，吸水管中水压大，井下的水不会被压入管道内部，水泵运行将会出现水流不足的现象，该过程产生的热能不能被利用，直接影响了水泵的正常使用，并且缩短了水泵的寿命。射流泵的作用在于带动水流流入吸水管和泵腔内部，利用射流泵带动泵内的空气流动形成虹吸。

4.自动化系统控制设计方案

4.1 系统控制设计方案

排水系统监控自动化系统：排水监控自动化系统的运行借助于以太网实现。半自动化控制、就地控制与全自动控制三种控制方式都运用到PLC控制系统。第一种半自动控制系统，是在系统运作的时候采取半自动调控和半自动触屏对系统进行有效操控，第二种是就地控制，这种方法能够对排水系统进行全面的保护，并有可能将排水系统的危险程度降到最低。第三种是全自动控制系统，这种方式全面以来PLC技术，对井下系统进行全面的保护和控制，不耗费人工，降低了矿井的人工成本。

中央泵房设计：中央泵房是井下控水系统的最核心部分，它的存在为井下排水系统提供了充足的动力，同时，中央泵房能否正常、安全地运行，关系到整个矿井的运行，是整个矿井工作的重大基础。我国矿井多数选择单台水泵设计的中央泵房，选择单台水泵是避免在前期安装的过程中，出现了多台水泵不匹配、不协调的情况，运作起来将会出现非常多的疏忽，另外我国在中央泵房的附近也要求安装压力表等压力测试设备以监测压力大小，并根据压力大小调整中央泵房的压力。

4.2 系统功能设计

系统框架如上文设计完后，应当确定系统的各项功能，本文列出了其中不同的煤矿井下排水自动化系统的主要功能。

多种运行模式切换：由于水泵可能出现不同的状况，所以要应对不同的状况设计不同的运行模式，本系统设置了三种不同的运行模式，这三种运行模式不交叉，在出现状况是能够互相切换，帮助水泵调节不同的压力。同时，为了系统的检修，本方案将设置现场控制模式优先于自动控制模式。

可视化控制：从地面控制中心能够实时监测中央泵房的各项情况，实现系统的远程操控。

水泵启停自动化模式：水泵启停自动化有利于水泵在紧急情况下自行启停。

系统保护模式：有利于出现紧急情况后对系统起保护作用。

排水系统自动运行模式：通过智能调度实现系统自行运作，提高系统运行效率，加快进程。

水泵自动轮换模式：通过系统对每个水泵的参数设定，决定水泵运作时间，平衡每个水泵运作时间，延长整个系统寿命，减少出错。

数据自动采集模式：自动储存数据，有利于对以后水泵参数的调节，也有利于研究收集数据。

4.3 排水系统自动化设计

井下排水系统自动化软件设计：

软件设计操作方式：由于煤矿是全自动化设计，故对软件设计要求较高，需要万无一失的设计。本文采用的设计方案是PLC系统，OLC设计应当符合井下排水系统的设计，并结合煤矿井下的情况，具体问题具体分析，要求在操作时候能够根据具体情况作出不同的回应。应当注意的是，在设计该软件系统时候，只有水泵处于停运的状态，即水泵无法工作状态，才能更换其他操作方式，若在水泵没有停运的时候便更换其他操作方式，该系统应该及时提醒警示工作人员操作方式的变换，再进行下一步的操作，防止对水泵造成更大的伤害。

井下排水自动化系统硬件设计：

煤矿井下排水系统的硬件设计没有软件设计那么复杂，首先对PLC进行选型应用，应该根据井下情况对PLC类型进行选用。其次，要确保传感器分配设计有效，传感器对井下自动排水具有较大的影响，好的传感器能提高排水系统的效率。

5.结语

煤矿企业应该根据具体情况选择PLC技术和自动化控制理念，最大程度提高排水系统效率并保证煤矿生产的安全。