楊振興 翟德華

摘 要 由于煤炭開采的快速發(fā)展和煤炭開采水平的不斷提高，在復(fù)雜的地下環(huán)境中進行良好的防水和排水非常重要。在新時代，自動化技術(shù)在煤礦井下排水中的應(yīng)用價值已得到重要體現(xiàn)，主要依靠自動排水實現(xiàn)井下作業(yè)的自動管理?；诖耍疚膶⒂懻撁旱V自動排水系統(tǒng)的設(shè)計。

關(guān)鍵詞 地下排水引流;設(shè)備設(shè)計;自動排空

引言

隨著我國煤炭開采工作的不斷深入，地下水流入和蓄積問題變得越來越嚴重。目前，地下排水仍具有廣泛的積水點，實現(xiàn)遠距離井下排水自動控制是煤礦智能化建設(shè)的重要內(nèi)容，而傳統(tǒng)PLC控制監(jiān)測系統(tǒng)控制簡單、智能化不足，不便于進行數(shù)據(jù)處理和遠距離操作控制，難以應(yīng)對煤礦積水廣泛的特點，并難以滿足煤礦自動化和現(xiàn)代化的快速發(fā)展需求[1]。

1現(xiàn)有排水控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和存在的問題

礦井排水系統(tǒng)是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。隨著煤炭工業(yè)技術(shù)的不斷進步，行業(yè)內(nèi)相關(guān)學(xué)者和研究機構(gòu)也不斷對礦井排水系統(tǒng)進行設(shè)計、優(yōu)化和升級，提高了井下排水控制系統(tǒng)的自動化程度，例如：對排水泵的更換，硬件的優(yōu)化升級。還有應(yīng)用于排水系統(tǒng)的先進控制技術(shù)，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，模糊算法，以及改進的排水系統(tǒng)控制，排水管道的合理布局，其他排水設(shè)備的改造等。

但是，在礦井排水控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，仍然存在理論和實踐應(yīng)用無法有效匹配的問題。以某礦井的排水系統(tǒng)為例，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。首先，排水系統(tǒng)設(shè)備無法以最大的效率和最大的功率運行，某些設(shè)備處于靜態(tài)或閑置狀態(tài)，并且設(shè)備未得到充分利用。其次，排水系統(tǒng)中的排水設(shè)備，例如排水泵，閥門等，仍然大部分是手動操作的。盡管部分設(shè)備采用了自動控制，但是還存在諸如系統(tǒng)運行不穩(wěn)定、信號響應(yīng)速度慢和使用信息錯誤等問題[2]。

2煤礦井下自動排水裝置設(shè)計分析

2.1 合理設(shè)計井下排水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

煤礦井下排水系統(tǒng)是基于計算機技術(shù)，智能控制技術(shù)，通信技術(shù)等技術(shù)設(shè)計的，井下排水系統(tǒng)設(shè)計為三層結(jié)構(gòu)，包括地下監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和地面遠程監(jiān)控系統(tǒng)。 井下監(jiān)控系統(tǒng)主要由傳感器、電動閘閥和控制站組成。各傳感器主要負責水位監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、排水泵壓力、流量監(jiān)測，將監(jiān)控信息傳輸?shù)娇刂普?電動閘閥主要控制水泵流量的自動開啟與關(guān)閉?？刂普局饕芍悄芸刂蒲b置、供電電源、水泵啟動設(shè)備、現(xiàn)場通信設(shè)備組成。主要實現(xiàn)本地設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和自動化控制，并通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將其所采集的水泵、閥門等設(shè)備狀態(tài)上傳給地面監(jiān)控系統(tǒng)。地面監(jiān)控系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器、視頻服務(wù)器、計算機工作站、報警設(shè)備等，主要負責數(shù)據(jù)處理和地下排水系統(tǒng)的控制，采用組態(tài)軟件對采集數(shù)據(jù)進行綜合運算、分析、界面展示，實現(xiàn)水泵運行自動優(yōu)化、故障診斷、安全管理。

2.2 PLC控制器的匹配設(shè)計

PLC控制器是整個排水系統(tǒng)的控制核心，采用歐姆龍生產(chǎn)的CJ1系列PLC控制器結(jié)合了排水系統(tǒng)的操作特性，包括模擬輸入/輸出模塊、數(shù)字輸入/輸出模塊、通訊模塊、CPU模塊。其中，模擬量輸入模塊采用24V電源設(shè)計，可以由CPU的電壓直接供電，多個輸入點主要用于將排水系統(tǒng)中的水位信號、電機溫度信號、流量信號，負壓信號等，以及以電流形式輸入的信號，實現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)采集和數(shù)字轉(zhuǎn)換;開關(guān)量輸入模塊采用IA201模塊，輸入電壓為AC100～120V，電流為12mA，32點開關(guān)量輸入主要接收真空泵開關(guān)量信號、液位開關(guān)信號、閘閥開關(guān)信號、球閥位置信號等。模塊內(nèi)部濾波電路可以有效地分離外部干擾信號。整個PLC控制器具有較高的控制性能，可以更好地滿足對井下排水系統(tǒng)的有效控制，確保井下作業(yè)環(huán)境的安全。

2.3 主控功能設(shè)計

整個井下控制器通過微機控制和計算機技術(shù)，實時監(jiān)測和收集井下排水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)街醒肟刂茊卧?。由主控制單元、?shù)字輸入模塊、模擬輸入模塊、通訊單元、輸出單元進行硬件組態(tài)。主控制器分析排水過程的數(shù)據(jù)參數(shù)，實現(xiàn)排水泵工藝過程控制，實現(xiàn)排水泵自動監(jiān)控、自動切換、故障保護和事故預(yù)警。

（1）排水系統(tǒng)工藝過程控制功能設(shè)計。水泵的工藝過程控制包括自動注水、閘閥控制、水位自動檢測與控制、故障保護與報警。即根據(jù)水泵有無底閥采用不同的控制過程。對于有底閥水泵，在啟動前，以排水管路中的壓力水為水源向泵體內(nèi)灌水。對于無底閥水泵，控制噴射泵或真空泵采用抽真空注水啟動。主要實現(xiàn)水泵在啟動前的真空度監(jiān)測、旁路電動球閥控制、主回路電動閘閥控制、出水壓力監(jiān)測。實現(xiàn)在水泵啟動過程中的水泵空轉(zhuǎn)保護、電動閥與閘閥故障保護、水倉缺水保護與報警。

（2）水泵合理調(diào)度功能設(shè)計。它可以自動檢測水箱的水位及相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)自動泵控制，及時啟動，自動旋轉(zhuǎn)，遠程監(jiān)控和及時報警。對于單泵控制，相關(guān)的軟件設(shè)計主要基于單泵的排水原理和工藝流程，實現(xiàn)了單泵的自動啟停和運行過程的自動保護?？刂贫嗯_泵需要各種優(yōu)化的控制策略，包括水泵切換和管道切換等控制策略。實現(xiàn)水泵的自動運行。

2.4 控制系統(tǒng)監(jiān)控界面的設(shè)計

由于監(jiān)控界面是整個排水控制系統(tǒng)的重要組成部分，因此我們使用MCSG工業(yè)控制組態(tài)軟件來執(zhí)行排水控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面設(shè)計。通過該界面，可以直觀地顯示井下水管，各種壓力，每個開關(guān)的狀態(tài)，每個閥門的啟動和停止，并且與現(xiàn)有界面相比，新的顯示界面中已添加了記錄顯示功能。整個排水控制系統(tǒng)的運行時間，設(shè)備的運行狀態(tài)，錯誤的積累和其他信息都可以實時記錄并可視化顯示。另外，整個顯示界面顯示更加流暢，報警功能更加全面，操作員可以直接實時掌握整個排水系統(tǒng)的運行情況，并通過顯示界面可以準確控制設(shè)備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障。

3結(jié)束語

在煤礦生產(chǎn)中，排水系統(tǒng)的自動控制對于提升礦山的現(xiàn)代化、信息化和數(shù)字化程度意義重大，不僅可以確保礦山生產(chǎn)的安全，而且可以提高采礦作業(yè)的效率。井下泵房自動排水系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，不僅實現(xiàn)了井下泵房的自動排水，而且減少了井下作業(yè)人員和操作人員的數(shù)量，保證了整個排水系統(tǒng)的平穩(wěn)正常運行，提高了礦山生產(chǎn)的安全系數(shù)與礦山的經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1] 蓋明哲，唐松.礦井排水自動化控制研究[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2019（16）：47-48.

[2] 張鵬.煤礦井下排水系統(tǒng)效率分析及節(jié)能途徑研究[J].山東煤炭科技，2019（7）：198-200.