王 飛，羅 偉

(神東煤炭集團(tuán)，陜西 神木 719315)

0 引言

煤礦井下水害是影響煤礦安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，當(dāng)井下涌水量增加時(shí)，若無(wú)法及時(shí)排出，輕則影響正常安全生產(chǎn)，重則出現(xiàn)重大事故。治理水害的主要手段為防、堵、疏、排、截，排水是主要手段[1]?，F(xiàn)階段，大部分煤礦都使用電動(dòng)潛水泵作為排水裝置，通過(guò)人工操作啟動(dòng)器來(lái)控制水泵，這種排水方式受人為因素影響較大，排水效果不理想[2-3]。目前，大柳塔煤礦的主要排水水倉(cāng)都已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排水，自動(dòng)排水系統(tǒng)主要由高壓電機(jī)、離心泵、真空泵、電動(dòng)閥、球閥等設(shè)備組成，感知元件主要有真空度傳感器、負(fù)壓傳感器、液位傳感器、管路壓力傳感器、流量計(jì)等[4-6]。大柳塔煤礦主排水系統(tǒng)利用傳感器、工控計(jì)算機(jī)、煤礦井下工業(yè)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下主要排水系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制、參數(shù)調(diào)節(jié)，從而使設(shè)備運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，分析歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備故障可以提前預(yù)判。

1 中轉(zhuǎn)水倉(cāng)自動(dòng)化改造

1.1 改造目標(biāo)

運(yùn)行現(xiàn)狀：排水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)水倉(cāng)的主要作用是蓄水、沉淀凈化、緩解主排水系統(tǒng)壓力[7-8]。目前中轉(zhuǎn)水倉(cāng)的排水主要依靠水位控制，無(wú)法對(duì)中轉(zhuǎn)水倉(cāng)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)法配置最優(yōu)排水方式，且需要人員巡視中轉(zhuǎn)水倉(cāng)排水情況以及設(shè)備運(yùn)行情況。

改造目標(biāo)：在安全、可靠、穩(wěn)定的前提下，利用井下工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合大柳塔煤礦實(shí)際情況建設(shè)一套中轉(zhuǎn)水倉(cāng)遠(yuǎn)程集中控制自動(dòng)化排水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)礦井各中轉(zhuǎn)水倉(cāng)附近區(qū)域涌水量、水泵運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄的功能。

1.2 設(shè)備選型

水泵控制開(kāi)關(guān)：水泵控制開(kāi)關(guān)采用濟(jì)寧同創(chuàng)礦用隔爆兼本質(zhì)安全型雙回路水泵水位控制器，該控制器是一種新型電機(jī)開(kāi)關(guān)，適用于電壓1 140 V或660 V，電流5～400 A交流異步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)、停止或反轉(zhuǎn)[9-10]。該控制器集檢測(cè)、控制、保護(hù)于一體，可以通過(guò)液晶顯示及鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話功能，具有故障記憶及故障查詢功能，其斷相、過(guò)載、短路等保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)完全模擬電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱散熱曲線，對(duì)電機(jī)的保護(hù)切實(shí)有效。該控制器可專門作為礦用潛水泵、多級(jí)離心泵的控制器，并可以實(shí)現(xiàn)控制礦用潛水泵、多級(jí)離心泵使用方式的切換，以及數(shù)據(jù)上傳通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行地面控制，實(shí)現(xiàn)了RS485、以太網(wǎng)通訊隔離、以太網(wǎng)光信號(hào)輸出、模擬量信號(hào)隔離等功能。

工控服務(wù)器：地面安裝一臺(tái)高性能工控服務(wù)器，該工控服務(wù)器安裝定制開(kāi)發(fā)的監(jiān)控組態(tài)軟件，可對(duì)井下中轉(zhuǎn)水倉(cāng)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行集中監(jiān)控，并將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為OPC協(xié)議數(shù)據(jù)供PSI系統(tǒng)讀取，使數(shù)據(jù)接入到PSI系統(tǒng)平臺(tái)。PSI系統(tǒng)是德國(guó)PSI公司開(kāi)發(fā)的區(qū)域煤礦集中控制系統(tǒng)，它是將煤礦各子系統(tǒng)高度集成在同一個(gè)平臺(tái)上，形成專業(yè)調(diào)度體系，完全淘汰了過(guò)去一個(gè)系統(tǒng)需要加裝一個(gè)顯示器的情況。實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)從采掘、運(yùn)輸和洗選加工等一體化管理模式。數(shù)據(jù)監(jiān)控與共享實(shí)現(xiàn)了全礦井跨部門、跨專業(yè)、多維度集中管理和控制。

2 控制方式的實(shí)現(xiàn)

2.1 水泵控制器控制方式

自動(dòng)方式：該控制器在自動(dòng)方式下控制礦用潛水泵時(shí)功能實(shí)現(xiàn)的具體方式如下。①當(dāng)高位檢測(cè)探頭動(dòng)作(5 V和B2接通即24 V+和I2.2接通)以及低位檢測(cè)探頭動(dòng)作(5 V和B1接通即24 V+和I2.1接通)后，主回路工作(24 V-和Q0.0接通)，1號(hào)水泵啟動(dòng)，當(dāng)水位下降到低位檢測(cè)探頭不動(dòng)作(5 V和B1斷開(kāi)即24 V+和I2.1斷開(kāi))后，主回路停止工作，1號(hào)水泵停車；如此循環(huán)；②當(dāng)高位檢測(cè)探頭動(dòng)作(5 V和B2接通即24 V+和I2.2接通)以及低位檢測(cè)探頭動(dòng)作(5 V和B1接通即24 V+和I2.1接通)后，主回路工作(24 V-和Q0.0接通)，1號(hào)水泵啟動(dòng)，如果水位繼續(xù)上升，升到超高位檢測(cè)探頭動(dòng)作(5 V和B3接通即24 V+和I2.3接通)后，副回路同時(shí)動(dòng)作(24 V-和Q0.1接通)，2號(hào)水泵啟動(dòng)，此時(shí)2臺(tái)水泵同時(shí)工作，當(dāng)水位下降到低位檢測(cè)探頭不動(dòng)作(5 V和B1斷開(kāi)即24 V+和I2.1斷開(kāi))后，主副2個(gè)回路停止工作，1號(hào)、2號(hào)水泵停車；如此循環(huán)；③當(dāng)高位檢測(cè)探頭動(dòng)作(5 V和B2接通即24 V+和I2.2接通)以及低位檢測(cè)探頭動(dòng)作(5 V和B1接通即24 V+和I2.1接通)后，主回路(24 V-和Q0.0接通)工作，1號(hào)水泵啟動(dòng)，當(dāng)主回路出現(xiàn)故障后，主回路停止工作，1號(hào)水泵停車，自動(dòng)切換到副回路(24 V-和Q0.1接通)工作，2號(hào)水泵停車，當(dāng)水位下降到低位檢測(cè)探頭不動(dòng)作(5 V和B1斷開(kāi)即24 V+和I2.1斷開(kāi))后，副回路停止工作，2號(hào)水泵停車；如此循環(huán)；④控制器在外接液位傳感器時(shí)，液晶屏可實(shí)現(xiàn)水位深度的顯示。此時(shí)可設(shè)定受液位高度控制液位值低于下限值時(shí)(0～5 m可調(diào))，主、副回路停止工作；液位值高于上限值時(shí)(0～5 m可調(diào))，主回路工作；液位值高于上限值時(shí)(0～5 m可調(diào))，主、副回路同時(shí)工作。水泵水位控制器電氣原理圖如圖1所示。

圖1 水泵水位控制器電氣原理

手動(dòng)方式：該控制器在手動(dòng)方式下控制礦用潛水泵時(shí)可以實(shí)現(xiàn)既可單獨(dú)啟動(dòng)主副2個(gè)回路，也可以同時(shí)啟動(dòng)主副2個(gè)回路。當(dāng)水泵控制方式在手動(dòng)狀態(tài)下可以忽略水位控制信號(hào)，通過(guò)防爆箱的啟動(dòng)按鈕直接啟動(dòng)水泵。

2.2 上位機(jī)遠(yuǎn)程集中控制

自動(dòng)監(jiān)控：設(shè)計(jì)水泵自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，采用工業(yè)組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)監(jiān)控軟件，以RS485總線形式與開(kāi)關(guān)通信，來(lái)讀取電參量。該系統(tǒng)可以通過(guò)千兆以太網(wǎng)和地面調(diào)度中心通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，可以通過(guò)MPI總線形式于泵房?jī)?nèi)就地操作屏通信實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)并可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

可編程控制器：系統(tǒng)采用西門子可編程控制器作為底層核心控制元件(根據(jù)系統(tǒng)的大小采用S7-200 SMART)。系統(tǒng)分為就地操作和遠(yuǎn)方操作，就地操作和顯示采用液晶顯示器；遠(yuǎn)方操作采用上位機(jī)進(jìn)行，PLC通過(guò)以太網(wǎng)模塊連接到工控機(jī)，通訊介質(zhì)采用礦用通信阻燃光纖纜。上位機(jī)安裝西門子wincc組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控(模擬工作狀態(tài))、報(bào)警及控制等。

2.3 中轉(zhuǎn)水倉(cāng)系統(tǒng)運(yùn)行

自動(dòng)啟動(dòng)停止：水泵水位控制器根據(jù)浮球液位開(kāi)關(guān)的狀態(tài)自動(dòng)啟動(dòng)停止排水系統(tǒng)，如圖2所示。低液位、高液位同時(shí)有信號(hào)時(shí)啟動(dòng)主排水泵，并打開(kāi)其電動(dòng)閥，液位低于低液位探頭時(shí)停止排水系統(tǒng)，并關(guān)閉電動(dòng)閥。低液位超高位同時(shí)有信號(hào)時(shí)啟動(dòng)主、副套排水系統(tǒng)，并打開(kāi)其電動(dòng)閥，當(dāng)液位低于低液位時(shí)停止所有排水系統(tǒng)。當(dāng)主系統(tǒng)有故障時(shí)自動(dòng)向副系統(tǒng)切換。水泵、電動(dòng)閥、流量計(jì)、水位傳感器、水泵控制器等設(shè)備通過(guò)光纜將數(shù)據(jù)傳至地面集控室。

圖2 水倉(cāng)設(shè)備總線

實(shí)時(shí)監(jiān)控：如圖3所示，上位機(jī)集中監(jiān)控人機(jī)界面可對(duì)井下中轉(zhuǎn)水倉(cāng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)設(shè)備運(yùn)行方式寫入，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出，對(duì)故障信息記錄和復(fù)位。

圖3 上位機(jī)集中監(jiān)控畫面

3 結(jié)語(yǔ)

大柳塔煤礦中轉(zhuǎn)水倉(cāng)的自動(dòng)化改造是神東礦井持續(xù)推進(jìn)智能化無(wú)人化礦井建設(shè)的一部分。中轉(zhuǎn)水倉(cāng)在煤礦井下分布范圍較廣，給排水工作帶來(lái)較大困難，需要消耗大量的人力資源。中轉(zhuǎn)水倉(cāng)在自動(dòng)化改造后，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)的集中監(jiān)控，大幅減員增效，提高了礦井安全生產(chǎn)能力。上位機(jī)采集各個(gè)中轉(zhuǎn)水倉(cāng)運(yùn)行數(shù)據(jù)并記錄，為綜合分析礦井涌水量提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為生產(chǎn)指揮與管理決策提供依據(jù)，為礦井智能化無(wú)人化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。