龐海清

(潞安化工集團(tuán) 王莊煤礦，山西 長治 046031)

王莊煤礦目前主采區(qū)為+540 m水平，540中央水泵房是主采區(qū)排水系統(tǒng)的樞紐設(shè)備，它的穩(wěn)定性是決定礦井安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在智能化改造以前，540主排水泵房采用人工開啟水泵，存在打開閘板閥困難、應(yīng)急能力差等問題，嚴(yán)重影響主排水泵的安全穩(wěn)定性。

1 +540中央水泵房原系統(tǒng)簡介

1.1 原系統(tǒng)操作流程

+540中央水泵房在改造前，水泵的開啟、停止以及各配套的閥門全部由人工現(xiàn)場操作，操作流程見圖1。

圖1 原540中央水泵房示意

如圖1所示：

1) 手動(dòng)打開射流管路手動(dòng)球閥和吸氣球閥，進(jìn)行抽真空；

2) 關(guān)閉射流管路手動(dòng)球閥，啟動(dòng)水泵；

3) 手動(dòng)打開閘板閥，觀察出水管路壓力表及電流表示數(shù)是否正常，以判斷是否開泵成功，若未成功則重新進(jìn)行排真空。

1.2 原系統(tǒng)存在問題

1) 要求人員對水倉水位、涌水量大小及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)判，以便及時(shí)開停水泵；

2) 在極端情況下，如排水管路內(nèi)沒有靜壓水時(shí)，由于壓力差過大，閘板閥開啟困難，兩人合力仍無法打開閘板閥時(shí)，會導(dǎo)致開泵失?。?/p>

3) 既需要主排水泵司機(jī)值守，又需要檢修工投入，僅值守司機(jī)年人工成本約100多萬元，成本過高。

鑒于上述原因，為保證中央水泵房的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)“減人增效”的目的，主排水泵房的智能化無人值守改造勢在必行。

2 改造思路及方案

2.1 改造思路

更換手動(dòng)射流閥門為電動(dòng)射流閥門、手動(dòng)閘板閥為電動(dòng)閘板閥，同時(shí)采用PLC進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)主排水泵房的自動(dòng)啟停和一鍵啟停、切換，通過設(shè)置不同條件，使主排水系統(tǒng)根據(jù)水倉水位及水位變化情況開啟水泵，實(shí)現(xiàn)泵房智能化。再通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)泵房的遠(yuǎn)程控制及調(diào)度室遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 改造方案

本次改造主要分兩大部分,即井下部分和地面部分。

2.2.1 地面部分

地面部分位于供電二隊(duì)隊(duì)部集控室內(nèi)，配備監(jiān)控上位機(jī)、交換機(jī)、大屏幕顯示器等設(shè)備；集控室內(nèi)所有數(shù)據(jù)均可通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)上傳至礦調(diào)度中心。

監(jiān)控上位機(jī)不僅負(fù)責(zé)對水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還對水泵房內(nèi)水倉水位和泵房內(nèi)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，并與可編程控制箱通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊，進(jìn)行信息交換。系統(tǒng)可在上位機(jī)上對水泵及其關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測。

上位機(jī)部分由兩臺工控機(jī)和工業(yè)組態(tài)軟件組成，上位機(jī)通過礦井網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將信息傳送到全礦井綜合自動(dòng)化平臺，對有關(guān)信息進(jìn)行分析后在WEB網(wǎng)頁上發(fā)布，實(shí)現(xiàn)信息共享。工業(yè)組態(tài)軟件畫面模擬現(xiàn)場實(shí)際設(shè)備情況，畫面直觀，操作方便。水泵的工作電壓、工作電流及功率等參數(shù)可以從電網(wǎng)監(jiān)控的數(shù)據(jù)庫中讀取，在水泵上位機(jī)上顯示。

在上位機(jī)上可以實(shí)時(shí)模擬顯示水倉水位，顯示水泵高壓開關(guān)的工作電壓、電流、功率，水泵軸溫，定子溫度，吸水管的真空度，排水管的壓力、流量等參數(shù)，可以監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)前的控制方式及當(dāng)前泵的工作狀態(tài)。

2.2.2 井下部分

隔爆型可編程閥門控制箱作為水泵自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)采集控制關(guān)聯(lián)水泵閥門設(shè)備的運(yùn)行信息、設(shè)備狀態(tài)，通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機(jī)通訊、交換信息，同時(shí)對各設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控；視頻監(jiān)控器利用視頻傳輸對水倉水位和泵房內(nèi)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控?？刂葡涮峁┕I(yè)以太網(wǎng)通訊接口，通過礦井以太環(huán)網(wǎng)接入井上自動(dòng)化平臺。

每臺水泵的驅(qū)動(dòng)器、閥門、射流泵系統(tǒng)及各種傳感器，組成排水監(jiān)控系統(tǒng)，以設(shè)備少、功能全、維護(hù)方便，且每臺水泵控制系統(tǒng)獨(dú)立維護(hù)、互不影響的原則。具體的配置如下：

1) 泵房配置礦用隔爆兼本安型可編程控制箱、礦用隔爆兼本安型控制臺和16路礦用隔爆兼本質(zhì)安全型閥門電動(dòng)裝置控制箱各1臺,可根據(jù)礦井水倉水位自動(dòng)完成相應(yīng)管路閥門的開啟或關(guān)閉,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)啟、停水泵功能。

2) 每臺泵附近配置1臺就地控制箱，完成整臺水泵電動(dòng)閘閥、配水閥門、射流泵電動(dòng)球閥的配電及控制，以及水泵、電機(jī)溫度和各類傳感器的配電及信號采集，實(shí)現(xiàn)對正壓、負(fù)壓、流量、電流、電壓、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測。為保證系統(tǒng)的可靠，所有電動(dòng)閘閥均可采用手動(dòng)/電動(dòng)兩種方式控制，以備緊急需要。

3) 每臺泵配置1臺GPD0.1負(fù)壓傳感器監(jiān)測真空度、1臺GPD40(60)正壓傳感器監(jiān)測出水壓力。

4) 水倉配置3臺超聲波水位傳感器，連續(xù)監(jiān)測水倉水位變化，以此來控制配水閘閥的開閉。同時(shí)，采集量將作為自動(dòng)起停水泵的關(guān)鍵參數(shù)。

5) 為了避免水泵出水流量的檢測帶不準(zhǔn)確，因而配置兩臺GLC250/500外貼式超聲波流量傳感器，分別安裝在兩趟管路上，實(shí)時(shí)監(jiān)測每臺泵的出水流量，該采集量可作為水泵性能評估的關(guān)鍵參數(shù)。

6) 整個(gè)泵房配置多路通用I/O接口，接入每臺泵的模擬量參數(shù)(如電機(jī)溫度等)。

7) 整個(gè)泵房配置防爆高清攝像頭8個(gè),用于對水泵房的水位、泵房區(qū)域監(jiān)視、高壓開關(guān)及軟啟動(dòng)器進(jìn)行監(jiān)視，能夠聽清監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的聲音，通過視頻采集的畫面及聲音，在監(jiān)視區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)異常(含聲音異常)情況時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警。

+540中央水泵房控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 智能無人值守水泵房控制系統(tǒng)示意

改造后的系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 改造后540主排水泵房示意

2.3 改造后實(shí)現(xiàn)的功能

改造后泵房將實(shí)現(xiàn)三種控制方式，分別為：

手動(dòng)操作：在就地模式下，PLC控制器不參與控制，通過手動(dòng)控制各個(gè)閥門控制箱按鈕，實(shí)現(xiàn)水泵啟停、切換，該功能主要用于檢修時(shí)使用。

集中控制：PLC參與控制，可以實(shí)現(xiàn)一鍵啟停切換水泵，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置好的程序進(jìn)行排真空、啟動(dòng)水泵、開啟相應(yīng)閘板閥等操作，實(shí)現(xiàn)程序化啟停水泵。該功能在泵房內(nèi)和地面均可實(shí)現(xiàn)。

自動(dòng)控制：系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置好的程序，根據(jù)水倉水位情況、自動(dòng)分析涌水量大小，實(shí)現(xiàn)水泵的開啟時(shí)間和開啟數(shù)量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

泵房實(shí)現(xiàn)的三級管控方式：

一級是泵房內(nèi)一鍵操作、手動(dòng)操作，該級別最高，在泵房內(nèi)操作，主要用于水泵的檢修、測試；二級是操作隊(duì)組集控室遠(yuǎn)程控制，該級別為常用模式；三級是礦調(diào)度室遠(yuǎn)程監(jiān)，對主排水泵的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

2.4 改造后系統(tǒng)具有的優(yōu)點(diǎn)

以井下PLC控制箱為控制核心，它將PLC控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和排水控制系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)以“集中控制為主，遠(yuǎn)程監(jiān)測為輔”的控制模式。其與多路閥門控制箱之間以MPI形式通訊及相關(guān)控制，與水泵高壓軟啟動(dòng)之間以RS-485總線(MODBUS-RTU 協(xié)議)形式通訊，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、一鍵啟動(dòng)和地面遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)對井下泵房系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測控制。

系統(tǒng)具有先進(jìn)性、可靠性和可擴(kuò)展性，易于安裝和拆卸，選擇的計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)軟件留有備用容量和以太網(wǎng)接口，可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展和接入全礦綜合自動(dòng)化平臺。

540中央水泵房智能化無人值守系統(tǒng)具備終端APP軟件功能和智能+大數(shù)據(jù)分析功能，適用于安卓操作系統(tǒng)和蘋果操作系統(tǒng)，可以在移動(dòng)終端上瀏覽系統(tǒng)工藝流程圖、視頻監(jiān)控、管道參數(shù)、設(shè)備參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、報(bào)警信息、歷史曲線等信息。通過這些信息可以知道設(shè)備運(yùn)行狀況、檢修工檢修質(zhì)量、設(shè)備以往故障原因及處理方法等，為管理設(shè)備及維護(hù)生產(chǎn)提供保障。

3 改造前后的經(jīng)濟(jì)效益分析及現(xiàn)場應(yīng)用效果

3.1 改造前后的經(jīng)濟(jì)效益分析

改造以前，+540中央水泵房在實(shí)現(xiàn)無人值守前，每班設(shè)置2名司機(jī)，該單位人工薪酬平均為490元/d，年需人工費(fèi)為2×490×3×365=107.31萬元。

改造以后，+540中央水泵房實(shí)現(xiàn)無人值守，可以減員1人/班，設(shè)置1名巡檢工，負(fù)責(zé)對+540中央水泵及其他設(shè)施的巡檢維護(hù)。

改造前后的對比分析：

改造前，僅年人工薪酬成本為107.31萬元，改造后，可節(jié)省一半人工成本，即53.655萬元。無人值守改造的一次性投資為118萬元，預(yù)計(jì)年維護(hù)成本為10萬元，設(shè)計(jì)使用壽命10 a。預(yù)計(jì)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為53.655×10-118-10×10=318.55萬元，年平均節(jié)約30余萬元。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2) +540中央水泵房智能無人值守從2019年11月28日試運(yùn)行以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定正常，未發(fā)生因電控系統(tǒng)故障引發(fā)的排水事故。

4 結(jié) 語

+540中央水泵房通過智能無人值守改造，減少了人員投入，提高了設(shè)備穩(wěn)定性，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)社會效益，值得在煤礦井下主排水系統(tǒng)中推廣應(yīng)用。