樊智強(qiáng)， 孟嘉楠

（1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大斗溝煤業(yè)公司， 山西 大同 037003； 2.浙江今飛汽摩配技術(shù)研究院有限公司，浙江 金華 321000）

1 項(xiàng)目概況

某礦副立井井深545 m，井筒內(nèi)安裝兩趟Φ325排水管，井底設(shè)主副水倉(cāng)，主水倉(cāng)容積為2 200 m3，副水倉(cāng)容積為1 300 m3，積水通過(guò)多級(jí)離心泵排至地面污水井內(nèi)。整個(gè)礦井分為主井、大巷、中央變電所以及水倉(cāng)區(qū)。其中水倉(cāng)的作用是儲(chǔ)存礦井涌水和沉淀雜質(zhì)，采用雙水倉(cāng)結(jié)構(gòu)，分為主水倉(cāng)和副水倉(cāng)。在采礦過(guò)程中，井下各處的積水通過(guò)大巷水溝及盤(pán)區(qū)排水管路流至主副水倉(cāng)，由主排水泵房的水泵主體通過(guò)連軸器連接于主電機(jī)，水泵冷缸通過(guò)管路連接于射流泵。當(dāng)水倉(cāng)的水位達(dá)到排水要求時(shí)，射流泵首先工作，抽掉冷缸中的空氣，使冷缸處于充水狀態(tài)；接著主電機(jī)工作，帶動(dòng)水泵開(kāi)始抽取水倉(cāng)中的水，如圖1 所示。

但是由于礦井內(nèi)排水系統(tǒng)采用傳統(tǒng)人工開(kāi)啟控制方式，而且部分排水設(shè)備自動(dòng)化水平相對(duì)落后，導(dǎo)致礦井在生產(chǎn)過(guò)程中排水系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)故障，不僅降低了排水系統(tǒng)的工作效率，而且很容易引發(fā)重大煤礦水害事故，對(duì)此某礦通過(guò)技術(shù)研究，在井下排水系統(tǒng)中采用了一套PLC 控制系統(tǒng)。

2 PLC 控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 PLC 控制原理分析

PLC 可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存貯器來(lái)在其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程[1-2]。

2.2 PLC 系統(tǒng)安裝

圖1 某煤礦井下排水工序示意圖

井下排水系統(tǒng)改造主要涉及高壓水泵、控制閘閥、設(shè)備控制柜、排水管等相關(guān)設(shè)備。技術(shù)人員通過(guò)安裝PLC 控制柜完成機(jī)電線路鋪設(shè)工作，同時(shí)安裝調(diào)試礦井下真空引水裝置、控制閘閥以及水泵排水管等。

2.3 PLC 排水系統(tǒng)控制過(guò)程

2.3.1 PCL全自動(dòng)工作模式

1）當(dāng)超聲波水位傳感器檢測(cè)到水倉(cāng)內(nèi)水位超過(guò)閾值時(shí)，會(huì)將報(bào)警信號(hào)通過(guò)就地箱傳給主控系統(tǒng)[3]；主控判斷需要抽水，打開(kāi)相應(yīng)電動(dòng)球閥，并向就地箱發(fā)出信號(hào)，就地箱啟動(dòng)射流泵，抽掉冷缸內(nèi)的空氣。

2）當(dāng)冷缸內(nèi)充滿水時(shí)，傳感器識(shí)別負(fù)壓信號(hào)，傳給主控，主控關(guān)閉射流泵，同時(shí)打開(kāi)一拖一軟起動(dòng)，主水泵開(kāi)始抽水[4]。

3）當(dāng)水倉(cāng)水位下降至安全閾值，超聲波水位傳感器向主控發(fā)出信號(hào)，主控停止抽水。

2.3.2 PCL半自動(dòng)工作模式

半自動(dòng)需要技術(shù)人員在控制顯示臺(tái)上通過(guò)相應(yīng)的情況去控制射流泵、閥門和主水泵的啟停。

2.4 PLC 排水系統(tǒng)的保護(hù)功能

1）流量保護(hù)：當(dāng)水泵啟動(dòng)后或正常運(yùn)行時(shí)，如流量達(dá)不到正常值實(shí)現(xiàn)報(bào)警，超過(guò)設(shè)定時(shí)限后自動(dòng)停泵。

2）壓力異常保護(hù)：排水壓力、吸水真空度出現(xiàn)異常時(shí)實(shí)現(xiàn)報(bào)警，排水壓力、吸水真空度達(dá)不到設(shè)定值自動(dòng)停泵。

3）水位超限及水位傳感器故障報(bào)警：設(shè)置報(bào)警水位，水位超過(guò)最高報(bào)警水位或最低報(bào)警水位，系統(tǒng)報(bào)警。

4）水位突變及排水量異常報(bào)警：水位增長(zhǎng)速度超過(guò)正常水位增長(zhǎng)速度，系統(tǒng)報(bào)警。泵房排水流量與礦井涌水量差值小于水位應(yīng)下降速度，系統(tǒng)報(bào)警。有電機(jī)運(yùn)行的曲線圖可隨時(shí)根據(jù)排水量監(jiān)控電機(jī)的工作效率。

3 設(shè)備優(yōu)化及改造

3.1 射流泵的優(yōu)化及應(yīng)用

1）水泵房共有三個(gè)吸水井，相互串聯(lián)，但水倉(cāng)水位較低時(shí)，吸水井的水位也相對(duì)較低。在使用靜壓水管射流排真空時(shí)，無(wú)法達(dá)到預(yù)定負(fù)壓值，無(wú)法正常開(kāi)泵，導(dǎo)致無(wú)法正常排水。當(dāng)水位較高時(shí)水倉(cāng)會(huì)覆頂造成盲巷[5]。

2）為解決該問(wèn)題，我們通過(guò)測(cè)試當(dāng)水位在1 m以下時(shí)負(fù)壓值需要達(dá)到0.034 MPa，靜壓水出水壓力只能達(dá)到負(fù)壓0.028 MPa 就無(wú)法再排出真空了。為此我們將風(fēng)管接入射流泵內(nèi)，風(fēng)管內(nèi)的壓力達(dá)到0.8 MPa，流量在80 m3/min，風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)流帶動(dòng)負(fù)壓管內(nèi)的引水壓力很快達(dá)到0.040 MPa，解決了在低水位情況下靜壓水壓力不足時(shí)無(wú)法正常排水的難題。

3.2 自動(dòng)閘閥放逆轉(zhuǎn)裝置的配備

1）由于水泵開(kāi)啟運(yùn)用PLC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，容易導(dǎo)致供電線路相序發(fā)生變化，從而誘發(fā)因電機(jī)反轉(zhuǎn)損壞設(shè)備的機(jī)電事故。

2）為了避免這一事故的發(fā)生，在自動(dòng)閘閥啟動(dòng)開(kāi)關(guān)內(nèi)裝設(shè)一只型號(hào)為TVR-2000B 的相序保護(hù)器，同時(shí)裝設(shè)一只660/220 的三相電壓互感器為相序保護(hù)提供監(jiān)測(cè)及工作電壓。將開(kāi)關(guān)內(nèi)接觸器線圈與相序保護(hù)5、6 腳串聯(lián)后接入控制電路中，若相序發(fā)生錯(cuò)誤與原來(lái)相序不符，相序保護(hù)5、6 腳觸點(diǎn)斷開(kāi)，接觸器無(wú)法吸合，從而有效保障自動(dòng)閘閥電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行，避免反轉(zhuǎn)損壞設(shè)備。

3.3 水位監(jiān)測(cè)裝置的優(yōu)化

水泵房自主研發(fā)浮球式水位報(bào)警裝置，由32D-A 型液位指示控制儀和VHGG-31A-G 型浮球電感式傳感器組合而成，其主要用途是通過(guò)設(shè)定水位高度，達(dá)到監(jiān)測(cè)的作用，如圖2 所示。

圖2 浮球式水位報(bào)警裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4 應(yīng)用效果

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，井下排水系統(tǒng)采用PLC 控制系統(tǒng)后大大提高了排水系統(tǒng)自動(dòng)化水平，降低了排水設(shè)備故障率，保證了井下排水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，取得了顯著的應(yīng)用成效。