智能化、自动化控制技术在煤矿井下主排水系统中的应用

曹帅 汤家府 刘正军

摘要：煤矿井下主排水系统结构较复杂，利用计算机网络技术、数据库、现场总线分布技术实现对井下基础设施的自动化改造，使其在无人监管的情况下实现系统自动化操作和独立侦察功能，同时选用工业控制计算机、自动操纵水泵、电磁闸阀、传感器等设备，确保系统的稳定运行。本文针对现阶段煤矿井下主排水系统常用排水泵的性能特征及其测控技术，分析以可编程逻辑控制器（PLC）为核心，能应用在煤矿井下的一种智能化自动化排水控制系统的工作原理和结构组成相关内容，以此提升煤矿井下主排水系统在远程监控、网络化控制、自动化、智能化方面的综合管控水平，增强系统的可靠性和安全性。

关键词：控制技术；煤矿；主排水系统

DOI：10.12433/zgkjtz.20231935

目前，我国多数大中型煤矿企业的井下主排水系统依然采取人工手动控制模式，系统的操作流程趋于模式化，容易出现管理漏洞，此环节信息传递速度明显降低，导致矿山整体数字化、自动化管理目标未能落实。通过大量查阅相关案例文献资料，结合现场调研所得基础信息，与煤矿井下主排水系统智能化自动化发展的行业趋势，基于煤矿企业井下主排水系统的自动化控制管理发展现状，综合考虑实际功能指标需求，研究设计出一套可行性较强的系统总方案，构建起以PLC为核心，同时结合视频通讯、传感器技术、网络监控技术、语音报警、自动启停水泵和切换故障机组等多项功能为一体的智能化、自动化主排水控制系统，包含地面信息监控中心、井下监控分站两个据点，实现对主排水系统运营的全方位、全过程监控。

一、远程集中控制系统的相关技术要求

（一）保护功能技术要求

远程集中控制系统对煤矿井下主排水系统具备的保护功能包括水位突变报警功能保护、水位超限功能保护、传感器故障功能保护、温度异常报警功能保护、排水量异常报警功能保护，当系统在运营状态中，功能保护参数一旦超过设定值最高范围，就会自动触发系统的水泵停止功能，系统自动发出语音报警，传达至井下监控分站点和地面信息监控中心，由技术工作人员进一步了解报警装置的详细功能环节，以便采取针对性措施解决问题，保障系统的稳定运行，让井下作业生产操作具备充足的安全性。

（二）数据采集、检测功能技术要求

利用PLC和多项智能化信息技术搭建而成的井下远程集中控制系统具备远程采集数据信息，完成设备功能检测的功能，因为煤矿井下主排水系统结构组成较复杂，电机使用时的温度、水泵吸水状态下的真空度、泵体运行温度、水位水仓指标、电动闸阀运行时的开合及其工作状态，需要技术人员详细记录参数，确保远程集中监控系统各项数值参数的真实性，促使设计出更加切实可行的远程集中监控软件。此外，为满足煤矿企业对井下主排水系统远程集中控制技术的实际应用需求，需要技术人员在设计智能化、自动化主排水系统方案之初，综合考虑数据采集、功能检测方面内容的合理性，对系统电机运行状态的影响性，保证水泵电机的可靠性，一旦发现水泵电机出现高压启动柜故障或分闸现象，必须记录在案，并分析问题产生的具体原因，及时采取解决措施，完善系统方案。

（三）控制功能技术要求

煤矿井下主排水系统远程集中控制系统的主要控制功能包括自动控制、自动检修控制、半自动控制、手动控制四项。该系统在日常运行过程中，经常处于智能化自动管控模式，所以上述四项均为系统的正常操作状态，多方兼顾才能确保系统在特殊情况、实际情况状态下，都能实现对井下主排水系统的高效控制和故障处理。其中的自动检修控制模块具备自主诊断系统各项故障的功能，可以第一时间判断故障发生时电机进出口的压力值及电流量参数，分析故障的具体产生原因，进行语音报警提示，确保地面信息监控中心可以获得主排水系统运营相关参数及故障成因，提高技术人员处理系统故障的实效性。利用以太网搭建的内部自动化综合网络技术平台，可进一步修复和完善远程集中控制系统和远程通讯设备，借助视频监控模式，将井下主排水系统的现场运行情况实时传递给技术人员，全程监控水位上涨速度，在满足井下排水作业要求的基础上，监测水泵的平均备用时间，进而实现井下安全生产。

二、煤矿井下智能化、自动化主排水系统的工作原理及结构组成

（一）工作原理

第一，利用水位传感器可以实时监测水仓内部的水位情况，如果水仓水位值达到系统设计的峰值，水位传感器就会搜集此状态下的数据值，将参数信息第一时间上传到PLC控制柜装置上。

第二，由PLC控制柜及时分析和处理接收到的水仓水位信息数据，将结果传送至监控主水泵（1号机位）PLC控制器内，直接利用PLC控制器的远程监控作用，操作打开主水泵完成排水处理。

第三，直到水仓水位排放至系统设计峰值范围内，水位传感器就会再次启动水位数据信息传送功能，将此状态下的水位信息参数传送至PLC控制柜，经信息数据分析处理上传至监控主水泵的PLC控制器内，再利用PLC控制器的远程监控作用，完成切断主水泵电源的操作，实现远程控制水泵停止排水的功能。

第四，煤矿企业井下智能化、自动化主排水系统在实际运行过程中，如果出现主水泵故障，需要及时监控主水泵的PLC控制器以及故障信号，第一时间传送给监控副水泵（2号机位）的PLC控制器内，以此确保PLC控制器接收信号的有效性和及时性，让系统启动应急预案，打开副水泵完成排水及后续相关工作。

第五，远程集中控制系统调动水泵PLC控制器完成水仓水位数据信息分析处理工作后，要及时将产生的数据信息结果传输给井下交换机，利用工业以太网技术将其上传至井口光端子机，最后借助工业局域网将结果传送至地面控制中心操控室的主机系统中，经由主机系统内设置的STEP7逻辑编程软件，直观显示井下的水仓水位真实情况、水泵运行工作状态、设备故障点及处理方案等，以便技术人员参考这些数据信息，及时控制系统各项参数，确保井下主排水系统的稳定运行。

（二）结构组成

矿区采用的智能化、自动化主排水系统由PLC控制柜、局域网、连锁开关、井下交换机、温度传感器、地面监控中心、远程操控台、水泵系统登录、超声波流量计、超声波液位计、视频监控装置以及光纤电缆等结构共同组成，其中的井下交换机和井上光端子机通过工业局域网完成各项数据消息的传输，相较于传统井下主排水系统的布线方式，无线数据在信息传播速度、布线工序、线路损坏等方面更具优势，可直接攻克煤矿企业以往在井下主排水系统控制方面存在的线路损坏、布线复杂、信息数据传输过慢等技术难题，提升井下主排水系统相关装置运行参数的动态监测水平。地面监控中心包括打印机、显示器、上位机等装备，上位机内部安装了可以与S7－300相匹配的STEP7逻辑编程控制软件，呈现井下的实际水位情况、排水系统的真实运行状态、系统的故障情况等，便于指挥中心操控人员借助显示界面远程监督井下主排水系统。

PLC控制柜一共连接三台设备，其中一台主需要连接温度传感器，用来搜集水位水仓数据信息，完成调度工作，两位两台连接主泵和副泵，用来控制井下水泵的启动、停止操作动作，需要注意的是，所有与PLC控制柜相连接的设备必须同步连接好井下交换机，以此实现对井下主排水系统智能化、自动化运营数据的实时传输。

三、煤矿井下智能化、自动化主排水系统软件的功能应用

（一）设计总方案

智能化、自动化煤矿井下主排水系统在规划设计总方案时，要综合考虑自动化控制体系、排水体系、中央泵房设计三项重点内容，由PLC控制柜和远程集中控制系统，控制井下自动排水体系，中央泵房设计控制为整个系统的CPU重点模块，系统整体属于全自动控制管理状态，无需工作人员值守，因此，还要加强半自动系统控制模式下的井下排水实时监控操作功能，确保此运行状态下不会耽误系统的数据传输速度与准确性，真正实现对井下智能化、自动化排水的动态实时监控，提升井下排水作业的效率。

此外，设计总方案还包括硬件设计和软件设计两个部分：

第一，硬件设计。主要包括PLC选型和应用，由于PLC控制器存在较大的逻辑编程空间，需要技术人员根据智能化、自动化煤矿井下主排水系统的真实排水量，选择较佳硬件装置完成系统的科学配置，确保系统全部设备的远程集中控制系统的稳定运营，保障系统的安全性和可靠性，实现井下水泵使用情况、水仓水位情况相关信息的实时传递。

第二，软件设计。包括水泵启动、停止设计、操作方式设计、水泵数量设计等，操作方式设计必须满足井下智能化、自动化系统的运行状态，还要具备多种操作模式自由切换的功能。井下排水量存在较大的变动性，因此在设计水泵数量时，要结合矿井实际需求排水量，科学设置水泵数量及启动和停止参数。

（二）功能应用

煤矿井下智能化、自动化主排水系统软件必须具备的关键功能包括：

第一，可视化控制功能。确保地面监控中心操控室的操控工作人员可以直观通过系统界面相关参数的调动、修改，对井下主排水系统实施高效的远程集中监控手段，实现井下排水作业无人值守、自主操控的目标。

第二，多运行模式自由切换功能。系统设计时，必须满足现场控制＞远程控制、手动控制＞自动控制的双效系统运行管理控制模式。在日常系统正常运行情况下，四项控制模式之间相互独立、互不影响，以自动化控制、远程智能化控制为主；但在运行过程中，一旦发生不可抗力因素的影响，系统突发故障，要以手动控制、现场控制为主。不管采取何种控制方式，以确保主排水系统稳定运行为准则，最大程度上保证井下生产作业的安全性为基本原则。

第三，系统保护功能。该系统具备绝对的自动性和智能性，具有技术成熟的设备故障自检功能，以便设备在运行过程中出现故障时，及时利用PLC控制器上传故障源、故障点等内容，便于控制中心操作人员及时检查和修复系统，确保系统的稳定运行。

第四，水泵启动、停止自动控制功能。利用传感器完成对井下水仓水位的实时数据搜集工作，根据系统设计峰值，自动控制井下水泵的启动排水、停止切断电源等，既能降低工作人员的劳动强度，又能避免以往人工无数据参考频繁启动、停止水泵而造成的系统多发故障，攻克井下排水效率较差的技术难题。

第五，数据的自动采集和显示功能。借助系统动态监测功能，可以提升井下主排水系统运行数据采集的真实性与准确性，系统分析各项数据的潜在信号，确保地面控制中心操控室接收的信息参数准确显示在上机位中。

第六，水泵自动轮换使用功能。监控系统全程监管各项设备的运行状态及使用寿命，以便系统合理安排主、副水泵，确保每个水泵不会长期处于闲置无用状态和持续运行状态，以此增加每个水泵的使用寿命，提升排水系统的运行可靠性。

（三）应用实效

经调研，某矿于2020年3月中旬安装并应用智能排水控制系统，对井下主排水进行自动化远程集中控制，截至同年10月中旬的应用实效看，采用此系统后，取消了该煤矿井下排水泵房司机，运行过程中未出现任何系统故障，既节省了人力投入资源，又实现了高效的井下自动排水控制目的，应用效果显著。

四、结语

综上所述，煤矿井下主排水系统作为煤矿企业基础设施装置的一种，运行稳定性直接决定着生产作业的可靠性和安全性，但现阶段多数煤矿企业仍采取人工控制方式实现对水泵的启、停控制，未应用自动化智能化控制手段远程监控水泵，没有搜集水泵的实时监测数据和运营状态的远程管理。基于此，煤矿企业要保证开采作业效率的基础上，确保排水稳定性，必须加大对主排水系统的集中统一控制力度，积极改造自动化智能化控制装备，尽早实现对主排水系统的无人值守和全过程监控。煤矿企业通过优化设计主排水系统智能化、自动化应用水平的方式，可以实现企业对供排水系统的实时监测，既能解放操作人员的双手，减少工作量，提升排放效率，又能增强泵房运营的稳定性和安全性，缩减泵房和主排水系统的设备维护成本，延长设备的使用寿命。

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作者简介：曹帅（1995），男，山东省邹城市人，本科，助理工程师，技术员，从事煤矿机电技术工作，主要研究方向为矿井主提升、主通风、主排水系统。