煤矿井下主排水自动化控制系统设计应用

张钰煜

（洛阳义安矿业有限公司，河南 新安 471800）

煤矿井下主排水系统常规采用继电器控制方法，主要依靠人工检测控制，存在操作效率低、劳动强度大及故障率较高等缺点，且无法实现涌水量与排水量的自动匹配。矿井必须实现井下排水的自动化控制，是实现安全、高产、高效矿井的必然要求。近年来，国内煤矿在水泵自动化控制研究方面主要集中在水泵选型、联动及监控等方面，为井下实现自动化排水奠定了基础。洛阳义安矿业有限公司结合矿井主排水现状，基于PLC 控制器对中央泵房集中控制系统进行设计及应用[1-5]，实现主排水系统安全、高效、合理的运行目标。

1 PLC 的矿井主排水控制系统设计

1.1 主排水系统概况

义安矿业公司主排水采用一级排水系统，在副井底车场建立中央泵房，铺设一趟Φ325 mm×16 mm、三趟Φ426 mm×20 mm 排水管路，将矿井涌水经副井直接排到地面。排水泵房共有8 台PJ200B×9 排水泵，每台水泵额定流量420 m3/h，扬程为790.5 m，采用高压软启动器一拖二控制启动，其中1 台工作、6 台备用、1 台检修，综合排水能力2413 m3/h。矿井主要水仓有2 个，外水仓容量2329 m3，内水仓容量1089 m3，水仓总容量达3418 m3。目前，矿井日常总涌水量约为205 m3/h，常规采用1 台排水泵进行排水，满足矿井排水需求。当矿井涌水量增大时，随之开启备用排水泵，且每台排水泵均有独立的离心排水设备及电控系统。排水泵配套选用YB710S2-4 隔爆型电动机，额定电压为6 kV，功率为1400 kW，转速为1480 r/min。

1.2 主排水控制系统设计

控制系统是水泵排水自动化系统的一个核心组成部分，必须保证控制系统框架能满足自动化整体设计的要求。系统主要具备以下4 个功能：（1）通讯监控功能。采用通讯处理器建立点到点的通讯系统，远程控制配备移动高清摄像头，实现地面对井下的调度指挥。（2）控制功能。通过集中控制器PLC 实现水泵房相关设备的实时控制及信号采集，达到自动化排水的目的。（3）参数监控功能。通过井下主排水自动化系统上位机监控排水管路流量、真空压力、轴承温度等参数。（4）故障诊断功能。通过压力传感器、流量传感器、液位传感器等对水泵出水口压力、实时流量、水位等进行实时监测，出现压力、流量及水位超过限定值时，立即进行报警，避免事故的发生。

（1）检测保护单元

对水泵自动控制系统的检测保护功能进行设计，检测单元由投入式液位传感器、压力变送器、超声波流量计、温度传感器等组成。利用投入式液位传感器实时检测水仓水位，水位信号经转换输出成标准模拟量信号（4～20 MA）交由控制箱作为主要控制信号，实现高水位起泵低水位停泵。利用压力变送器检测水泵内部的真空度及出水口压力，真空度（压力）信号、出水口压力信号经转换输出成标准模拟量信号发送至控制箱，若达不到标准时则停泵并报警。利用超声波流量计实时检测水管内水流量，将检测到的流量信号送至PLC 控制器，可实现低流量报警并停泵。利用电机的温度传感器对电机前后轴的温度进行实时检测，当温度超限时实现报警。

（2）控制系统

井下主排水自动化控制系统由自动化控制系统、故障诊断系统、监测监控系统及动态模拟显示系统组成。系统通过安装各类传感器检测得出管内水流量、电机温度、出水口压力、水仓水位等数据，数据通过工业环网传输至PLC 控制箱，由PLC 运算、分析及判断，之后发出对应控制信号。同时，水泵、其他设备工作状态及相关的实时数据会在上位机的10 寸真彩触摸屏进行显示。若系统检测出故障，在现场触摸屏上会显示故障信息并进行报警。当水泵运行时出现定子超温、高压开关故障、出水口压力过低等异常情况，水泵将自动停止运行，同时能准确地显示故障的位置、类型并发出声光报警。井下主排水自动化控制系统硬件配置如图1。

如图1 所示，可编程控制箱作为系统主站，内置西门子S7 系列PLC，通过接收采集现场信号，实现对现场设备的控制。考虑泵房硐室内设备布置状况，采用I/O 的方式采集数据及实现控制，选用带TCP/IP 的RJ45 接口的CPU 及西门子ET200M处理器。系统模块化灵活性高，分为通讯、输出、电源、输入、模拟量采集等模块。其中，通过数字量输入模块采集设备的运行状态，开关量由断路器状态、控制命令、球阀到位信号及闸阀到位信号等，在I/O 部分、PLC 控制器两侧分别配置32 路开关量输入模块1 块、2 块。建立R-F372、RS-232串联通讯模块，实现控制系统通讯功能。

图1 自动化控制系统硬件配置图

1.3 系统传感器

传感器的主要功能为采集设备运行的技术参数，主要检测水仓水位、真空度、电机电压、出水口压力、流量等重要数据。传感器选型时需考虑使用地点的温度、电场、湿度及是否颤动等条件，即必须满足使用地点的要求，挑选合适型号。系统传感器根据其功能及使用要求分为两类，一类是局部传感器，具备自我诊断、检测功能，建立不同阶段的诊断数据库，且自动生成数据曲线，通过分析数据曲线，当出现某一阶段数据异常、波动幅度较大时，即表示设备运行状态异常，则系统会立刻报警，保证系统运行的稳定性：另一类是全局传感器，通过超声液位仪对整个系统的参数进行检查，辅助冗余双传感器，保证系统运行的精度。

2 控制系统软件设计

软件设计必须具备以下功能：（1）自动轮换功能。当PLC 控制器检测到某设备故障信号时，系统依次进行声光报警、屏幕显示及记录故障信息，同时停止运行故障泵或管路，其余各泵和管路按既定顺序自动轮换工作。（2）手动一键控制功能。工作人员在操作台上进行操作，人工手动控制单个设备的开启、停止操作。（3）顺序启动。通过设定间隔时间按顺序进行水泵的启动和停止操作。（4）水位显示。将水仓水位划分为低、正常、高、上限、危险等五档，通过水位传感器确定水位档次，并发出控制命令。（5）自动控制功能。当水位处于低位或不在低位而处于用电高峰时段时，则水泵自动停止运行；当水位处于高位或不在高位而处在用电低谷时段时，则水泵自动开启。自动化控制系统软件流程图如图2。

图2 系统化控制软件流程图

系统开始运行时，首先进行自检，若检测出故障时，需人工手动操作、控制，仅当故障解决后或检测无故障时，方可进入自动化流程。系统启动后，如图2 所示，首先需要与高压柜建立通讯，启动I/O 处理程序，通过分析确定自动、半自动及手动三种运行方式之一，工作人员查看控制显示箱判断当前运行模式。当选定自动化模式时，则系统进入自动化流程，若运行过程中出现问题时，系统将停止运行并进行报警；当选定为半自动模式时，通过人工操作确定泵号，之后进入自动模式；当选定为手动模式时，则PLC 不参与系统运行。

3 应用效果

基于PLC 的主排水泵控制系统确实达到“自动化减人”的目的，实现根据水仓水位起停水泵，同时能够准确地进行故障识别与报警，保证了主排水系统运行的安全性，提高水泵运行效率，降低维护成本，每年可节省相关费用532.72 万元。

（1）实现自动化控制和视频监控功能。全天可以减少岗位工4 人，按每人工资5000 元算，每月可以节省：4×0.5=2 万元，全年人工工资可节省24 万元。

（2）控制水泵轮流工作与适时启动备用水泵。每月可节省电费：12 h×30 d×1400 kW×0.6 元（峰谷差价）=30.24 万元，全年可节省电费362.88 万元。

（3）提高水泵排水效率，每天可节省水泵运行时间3 h。水泵单台电机1400 kW，每月节约排水电费：3 h×30 d×1400 kW×0.7 元=8.82 万元，全年可节省排水电费105.84 万元。

（4）降低后期维护成本。每年大修水泵2 台和日常维修水泵8 台，每年可节约维修成本费用40万元。

4 结论

（1）洛阳义安矿业公司结合中央泵房主排水系统实际条件，依次设计系统硬件配置结构及软件流程，成功应用PLC 控制的自动化排水系统，实现排水量与涌水量的自动匹配，结合水仓水位变化充分提高井下主排水系统效率，能够准确地进行故障识别与报警，达到安全可靠、节能高效、经济合理的优化运行。

（2）主排水自动化控制系统投入运行后，极大提高水泵运行效率，降低维护成本，每年节省劳务费、节省电费及维护费532.72 万元，经济效益显著。

（3）常规煤矿井下主排水系统均可经改造后应用基于PLC 控制的自动化排水系统，适用条件简单，具有极大的推广应用价值。