水泵房远程集中控制系统设计应用

武永斌

（山西高平科兴龙顶山煤业有限公司，山西 高平 048400）

1 高平科兴龙顶山煤业副斜井水泵房概况

山西高平科兴龙顶山煤业有限公司副斜井井底布置西翼水泵房主要分为主、副水仓，其中主水仓有效容量为1 400 m3、副水仓有效容量为800 m3；在水仓内安装三台型号为MD155-30×8型多级离心泵，流量为155 m3/h，额定扬程为240 m，电机功率为185 kW，工作电压为10 kV；潜水泵安装两趟直径为180 mm的无缝钢管并与地面矿井水处理站连接。

西翼水泵房水泵供电电源主要来自西翼变电所10 kV不同母线段，采用三台QJGR-75/10型矿用隔爆兼本质安全型高压真空软起动器控制水泵停送电。由于煤矿井下生产过程中产生的污水量大、积水速度快，井下水泵房排水设备需具有功率大、耗电量大等特点，而传统井下排水设施主要利用人工控制启停，无法实现远程自动控制的目的，不仅劳动作业强度大、排水效率低，而且排水设施出现故障后无法及时进行处理，提升了排水设施故障率。为了解决这一技术难题，龙顶山煤矿决定对西翼水泵房控制系统进行优化改进，具体是安装了一套远程集中控制系统。

2 水泵房远程集中控制系统设计

2.1 系统结构组成

水泵房远程集中控制系统主要由工业以太网、PLC控制箱、隔爆兼本质安全型显示箱、传感器、电动阀门、地面远程控制系统（包括上位机、配套监控及控制软件等）等部分组成。

1）该系统利用工业以太网环网，将主排水自动控制系统与矿井工业以太环网中肩连接，从而实现了主排水系统工况数据通过工业以太网上传至调动控制平台，便于远程控制、监测的目的[1]。

2）西翼水泵房共计安装两台型号为KXJ660型隔爆兼本质安全型PLC控制箱，主要用于水压、水温及流量等数据的采集，对闸阀的开关情况、水泵电机运行情况、系统故障情况进行监控，并对各个闸阀、水泵电机等设备进行启停控制。

3）隔爆兼本质安全型显示箱型号为KXJ127（M），主要安装在操控室内，显示箱通过信号线与PLC控制箱进行通信，同时将水泵房系统运行数据上传至上位机内，从而完成数据的采集[2]、临时存储及数据交换。

4）水泵内水位、水压、水量等数据主要利用传感器进行采集，然后将采集数据上传至PLC控制箱内，控制箱及时对收集数据进行处理，并将处理结果作为控制闸阀、设备启停的重要依据。

2.2 系统功能

1）远程控制功能：该系统在地面设置了地面监控主站，并在主站内安装一台上位机，上位机内安装组态软件，从而可直观显示井下排水系统运行各类参数[3]，并可远程控制系统运行。

2）无人值守功能：传统排水系统通过人工启停水泵，排水效率低、劳动作业强度大；而远程集中控制系统根据水仓内水位变化自动控制水泵开启，实现了水泵房无人值守的目的，并通过系统控制合理调度水泵运行，既降低了水泵故障率，又提高了排水效率[4]。

3）系统维护功能：该系统能够实时对每一台水泵的水泵流量、出水压力、电机温度、电机负荷等运行参数进行监测，并可根据系统工况参数对排水系统运行效率进行计算，从而提出合理有效的检修维护方案。

4）通信功能：该系统主要利用工业以太网进行数据传输，各个设备具有网络通信接口，从而保证系统可与矿井监控系统联网，实现系统安全性高的目标。

3 系统控制模式及优点

3.1 控制模式

西翼水泵房安装的远程集中控制系统主要有检修、一键开启、自动、远程四种控制模式，从而保证了系统运行的灵活可靠，便于检修维护。若系统通信出现故障，相关人员可在本地操作系统，保证水泵正常运行，极大地提高了系统的稳定性。控制系统图如图1所示。具体介绍如下：

图1 水泵房远程集中控制系统示意图

1）检修：系统中具有检修控制模式。检修控制主要分为远程检修控制和就地检修控制两种，远程检修控制主要利用地面组态软件直接控制；就地检修控制主要利用隔爆开关上设置的检修手柄，直接使系统完全脱离控制器，从而进行检修维护[5]。

2）一键开启：操控人员首先根据水仓内水位情况确定需要开启的水泵数量，然后通过PLC控制箱开启某台水泵时，只需按下PLC控制柜上的启动按钮，系统就会自动完成水泵抽空、打开阀门等动作，从而实现独立水泵一键开启功能。

3）自动：操作人员通过PLC控制箱设置各类参数，然后利用传感器收集的水位、水压等数据，自动开启一台或多台水泵进行排水动作，当水位下降后系统再次自动关闭水泵电源[6]，实现系统自动控制的目的。

4）远程：操控人员在地面操控室通过组态软件直观地观察每个水仓水位情况，以及每台设备运行情况，确定需要开启水泵的数量，然后按下上位机组态软件开关按钮，从而对井下水泵房水泵启停进行远程控制。

3.2 系统优点

1）降低劳动作业强度：该系统主要利用传感器收集水仓内水位情况，利用PLC对各种水泵进行控制，并实时监测各个水泵工况情况及合理进行转换，无须人工参与。与传统排水系统相比，其大大降低了劳动作业强度[7]，保证了系统安全稳定运行。

2）稳定性强：为了防止集中控制系统因网路中断、控制器故障等出现瘫痪现象，在集中控制的前提下保留了传统手动控制模式。即当集中控制系统出现故障后，相关人员可通过手动继续控制系统，保证井下排水系统正常运行。

3）实用性好：系统可对水泵房内各个设备工况情况进行实时监测、控制，平时利用地面控制系统对井下排水设备运行情况进行存储，可供相关人员查询、打印历史记录。远程人机界面显示内容丰富，简单、易懂，实用性强[8]。

4）自动化水平高：该系统中嵌入多种控制策略，根据不同情况采取不同控制方式，同时系统在运行过程中能实时监测系统故障源，并自动修复，保证系统安全运行，降低系统故障率，大大提高了系统的智能化程度。

4 结论

2020年4月23日龙顶山煤矿西翼水泵房集中控制系统改造完成，4月28日投入使用，截至2021年4月通过1年实际应用效果来看，取得了显著应用成效，具体如下：

1）提高了经济效益：该系统投入使用后井下水泵房无须安排专人值守；与传统排水系统相比，每天可减少作业人员达4人；降低了劳动作业强度，全年可节约劳动成本费用达28.8万元；同时该系统投入使用后，系统故障率由原来的17%降低至4%以下，全年节约设备维修费用达42万元。

2）提高了排水效率：集中控制系统投入使用后通过现场观察发现，水仓积水容量控制在900 m3以下，未发生一起因系统故障出现的水泵房淹水事故。其大大提高了排水效率，保证了煤矿生产安全。