基于PLC的大海则矿井排水系统智能化设计

郭 刚

(中煤陕西榆林能源化工有限公司,陕西 榆林 719000)

随着煤炭需求量的不断增加、煤炭开采重心不断向西部转移、矿井开采深度不断增加以及开采强度不断加强,煤矿开采作业过程中遇到的环境也愈发复杂,所遇到的渗水情况也更加复杂,这就需要根据相应的情况调节排水设备的安装,增加煤炭开采的安全性和稳定性[1]。

目前,井下的排水设施主要存在设备监测及控制不够及时、排水体系不够完善等问题。同时,排水设备的运行及停止主要依靠人工进行判断和处理,不能有效地处理突发情况,因此,传统的排水系统设计已经满足不了现在对于智能化矿山建设的需求[2]。

排水系统智能化设计的一个重要的技术就是PLC(可编程逻辑控制器)技术的应用[3-4],通过PLC技术的不断发展,将排水设备与通信网络、智能控制等技术结合,实现数据的快速传输和集中处理,借助大数据和云计算技术大幅度地提高了矿井的智能化水平,极大地提升了排水系统的准确性和稳定性。相关的专家学者[5-8]对排水智能化设计有不同地研究,取得了很好的成果。本文在上述专家学者研究的基础上,基于大海则煤矿实际情况,对煤矿排水智能化设计进行研究,使矿井的排水系统更加地高效、有序,进而增加煤矿生产的安全性。

1 现场概况

大海则煤矿井下排水系统由副立井井下主排水泵房和2煤北翼辅助运输大巷移交尽头的206盘区水泵房组成。2煤东翼盘区的井下涌水通过水沟自流至主水仓;2煤西翼盘区的井下涌水汇集于206盘区水仓,经由206盘区水泵房内的排水设施和敷设于2煤北翼带式输送机大巷内的排水管路排至主水仓;主水仓的水由井下主排水泵房内的排水设施和敷设管道、副立井井筒内的排水管路及地面管路,排至矿井工业场地井下水处理站,处理后复用。

1.1 206盘区排水设备

在206盘区配备5 台MD600-60×2 型矿用耐磨多级离心泵,设置3趟φ325 mm×8 mm 无缝钢管排水管路。正常涌水量时2台水泵工作,2台备用,1台检修;最大涌水量时,3台水泵同时工作。每台水泵配套YB3-355M2-4型隔爆电动机一台,功率为315 k W,电压为10 k V,同步转速为1 500 r/min。

1.2 206盘区水泵房及附属设施

206盘区水泵房按5台水泵3趟排水管路布置,水泵采用喷射泵射流引水和真空泵引水启动方式,二者互为备用。喷射泵系统选用ZPBD 型喷射泵(总成),以洒水管压力水或压缩空气为动力源;真空泵引水系统选用SK-20 型水环真空泵。水泵出口设微阻缓闭止回阀,防止水锤发生。

2 矿井排水系统智能化改造

对矿井排水系统进行智能化改进,最终实现排水系统由人工操控向自动化控制转变,使排水系统在自动运行过程中,对相关生产信息进行实时记录、储存和传输,同时可以自动对意外事件进行报警和记录,实现排水系统启用的智能化判别、远程数据监测和远程排水功能的控制,提升矿井排水系统的稳定性和安全性。排水系统改造技术路线如图1所示。

图1 排水系统改造技术路线

2.1 PLC技术在矿井排水系统中的应用

可编程逻辑控制器(PLC)是在工业复杂环境下实现智能化控制的数字运算操作电子系统[9]。PLC主要由CPU、数据内存、电源、传输接口及数字模拟部分组成,其本身已经接近于一个紧凑型的电脑主机,通过数字模块的程序编辑,可以实现对不同类型的设备进行自动化控制。

因此,随着矿井智能化的发展,PLC 技术已经广泛地应用在煤矿井下排水设备的中央处理系统中[10],有效地提高了井下排水设备和监测控制系统之间的连接效率。煤矿井下排水设备系统控制原理如图2所示[11]。

图2 矿井排水设备系统控制原理

2.2 排水系统组成

煤矿主要水泵自动化控制系统采用的是操作台+主站+监控分站的组网模式。主排水泵自动控制系统由隔爆型PLC集中控制箱、矿用本安操作台、水泵就地控制箱、矿用隔爆型电动闸阀控制箱、电动闸阀、球阀以及现场传感器等设备组成。本安型操作台、PLC 集中控制柜设在主变电所内,水泵就地控制箱和闸阀电控箱设在水泵房。

操作台型号为矿用本安型防爆计算机和千兆以太网交换机,井下泵房所有的排水信息均汇集到操作台,经交换机接入矿井以太环网,将设备运行状态和采集的各种信息上传至矿井调度中心,最终实现排水泵的智能化控制。

2.3 排水系统功能优化设计结果

(1)监测功能:实时对水仓水位、水泵轴温、电机轴温、电机定子温度、水泵出水口压力、负压(水泵真空度)、每台泵出水管流量、排水管流量、电机电压、电流、功率以及水泵运行效率等参数的监测。

(2)控制功能:系统建成后能实现自动采集水泵的各种运行参数,根据水仓水位、生产工作制及负荷情况控制水泵自动工作。系统能够根据工况设定,以及时间、水位、煤矿用电负荷等参数自动控制水泵的起停,并能实现泵阀的连锁起动,对运行中的各种参数进行实时控制,通过接口向上传送数据。

(3)报警功能:发生故障时,泵房现场要有声光报警,控制主站实现报警类型语音自动播报,并上传地面中心站,直到监控人员手动解除报警,报警记录可查询。水泵控制系统通过矿用扩音电话等设备,实现水泵系统和矿用语音应急平台融合以及系统设备启停语音预警。

(4)视频联动:每台水泵配置矿用本安型球形摄像仪,可对水泵启动流程各个环节进行自动视频跟机切换。当现场设备发生故障,传感器报警时,对应水泵的视频监控图像自动弹出,提醒监控人员。

(5)故障停泵:水泵在自动控制工作方式下运行发生故障时,系统将按照所设定的停泵程序自动停止运行水泵。为了使各水泵及其管路的使用率分布均匀,当水泵在启动或运行过程中出现故障时,系统自动停止故障水泵,启动其他水泵排水,实现水泵自动轮换工作。同时,系统自动发出声光报警,并在本地操作屏和地面操作站上动态闪烁显示,记录事故。

(6)动态显示:就地动态模拟显示选用操作屏,地面操作站系统动态模拟显示采用组态软件开发。排水控制系统能够通过图形动态显示水泵、真空泵、电动闸阀和球阀的运行状态,采用改变图形颜色和闪烁功能进行事故报警,直观地显示电动闸阀和球阀的开闭位置,实时显示水泵抽真空情况、出水口压力值及管路流量。

(7)报表、工况分析及存档功能:系统能够按泵房开泵时间、排水量形成数据报表,对排水系统工况分析;能够将现场运行信息存入数据库,以便随时进行历史数据查询。

2.4 信息化系统改进设计

大海则矿井采用地面、井下双环闭合设计,建立覆盖地面、井下全部安全生产环节的安全生产综合监控网络,采用环形网络结构,通过控制网络核心交换机构建四个相对独立的环形工业以太网,包括地面视频万兆环网、地面监控千兆环网、井下视频万兆环网和井下监控千兆环网。

大海则矿井在井下主排水泵房设置井下主排水监控系统,系统提供标准工业以太网接口,采用标准OPC(超速保护控制单元)通讯协议,可实现以下功能:

(1)实现井下排水系统设备“三遥”控制,具备“就地/远程”多种控制方式;

(2)根据井下涌水量,优化配水泵与水位的联动,使其自动循环运行;

(3)监测水仓液位、管路流量、出水压力、阀门开关状态等参数;

(4)监测水泵电机电流、电压、轴承温度、运行状态、故障信息等参数;

(5)配置一台井下隔爆工业以太网交换机,就近接入矿井井下控制环网,通过矿井井下控制环网实现地面生产调度中心对井下主排水监控系统的远程监测、监控功能,实现无人值守。

3 改进效果分析

以PLC 技术为重心的矿井排水智能化改进系统,能够很好地满足矿井排水要求,并且改进后的排水系统控制部分更加智能化,能自主地启动并运行监测、分析、报警、启泵等一体化程序,减少了3～4人的中央水泵房岗位,只需对相关设备和系统进行定期维护,降低了人工操作失误带来的安全事故隐患。同时,系统能够实时且精准地监测井下的各种排水信息,自主调节各排水设备的运行状态,达到整个排水系统的最优状态,极大地提升了矿井排水系统的稳定性。

4 结论

随着煤炭开采技术的不断发展,矿山机械化、智能化是其发展的必然趋势。本文基于PCL 技术对大海则矿井排水系统智能化设计进行了研究,提高了其排水系统的智能化程度,增强了其监测、控制、报警、视频联动、故障停泵、水泵自动轮换、动态显示等功能,提高了矿井排水系统的信息处理能力,降低了人工成本,使得矿井排水系统的智能化程度明显提升,为相关矿井的智能化、自动化建设提供了相关经验。