煤矿水泵集控自动化系统的设计与应用

2018-03-22陈鹏飞

魅力中国 2018年43期

摘要：为解决传统的人工现场手动操作排水系统在矿井排水中排水能力小、自动化程度低、操作过程繁琐、应急能力差等问题，设计并应用煤矿水泵集控自动化系统，通过连续监测水仓水位及排水泵房各种设备相关参数、实时数据，对水泵实行数字化监控，并结合利用构建成的PLC自动管控平台，通过工业以太网平台传输接口模块与设置在井下变电所的网络交换机连接，通过井上调度中心监控所有排水泵等被控设备，实现对排水泵房电气设备的远程监测监控、联动控制，提升了井下排水泵房整体的运行水准，缩减平日运行故障[4]，提高了水泵自动化程度、简便了排水泵房操作过程、减少排水泵房岗位人员值守，同时也提高了矿井排水系统应急能力、工作效率和安全性，达到了自动化集控、无人值守、减人提效、降本节能的预期目标，是煤矿水泵集控自动化系统发展的重要方向之一。

关键词：煤矿；水泵集控；自动化系统；远程监控；无人值守；减人提效；节能。

一、引言

在煤矿生产过程中，排水系统是整个矿井生产流程的重要组成部分，特别是在中国著名的突水矿区焦作矿区中显得尤为重要，排水系统不但要及时排出煤炭生产过程中的积水，而且还要在涌水期间有良好的矿井水排出能力；然而目前中国大多数煤矿泵房排水都还是停留在泵房现场人员值守操作的排水系统层面，泵房排水系统仍然存在着系统操作繁琐、管理难度大、自动化程度比较低、应急能力较差等问题，所以对煤矿水泵集控自动化系统的设计与应用就显得尤为重要，对提高煤矿安全生产具有重要的现实意义和经济效益。

焦作煤业集团赵固（新乡）能源有限责任公司积极响应“机械化换人、自动化减人”号召，率先探索设计与应用煤矿水泵集控自动化系统，代替人工现场值守，实现井下排水泵房等场所的无人值守，成功实现减少原有值守系统工作人员数量60%以上。其中以焦作煤业集团赵固（新乡）能源有限责任公司井下中央泵房为例，中央排水泵房共安装有13台水泵，配套电机功率均为1400kW，供电电压选用10kV电压等级，水仓由2个6米深（内、外）水仓构成，水仓总容积5600m?，向井上排水由4趟φ425mm管路组成，排水流量4000m3/h。采用“PLC主站+集控操作台+操作按钮箱”模式架构，实现远程及就地自动、半自动、手动三种控制模式，三种控制模式可以自由切换。实现了“视频、语音、控制”三网合一的水泵集控自动化系统[1]，为煤矿生产的安全、高效、节能生产奠定了坚实有力的基础[19]，达到了优化排水系统、远程控制、无人值守[9]、降本节能的预期目标。

二、水泵集控自动化系统的组成

（一）水泵集控自动化系统主要组成部分

系统主要由PLC主站、矿用操作台、矿用控制箱、矿用视频巡检、矿用语音设备、矿用阀门、矿用传感器等组成。

（二）水泵集控自动化系统的监测、监控

1.开关量输入：水泵运行、故障；电动闸阀开到位、关到位、过力矩、远控；电动球阀开到位、关到位；矿用操作台的远程、就地、自动、手动、启动、停止、急停、复位等。

2.开关量输出：水泵启动、停止；电动闸阀开、关；电动球阀开、关等。

3.模拟量输入：压力、真空度、液位、流量；水泵轴承温度；电机轴承温度、绕组温度、电压、电流；电动闸阀的开度。

4.视频巡检：限位信号、具体位置信号、视频信号，前进、后退、自动定位等，为设备启停提供依据[6]。

5.语音联动：语音通话；语音预警；故障报警等。

（三）水泵集控自动化系统实现功能

1.完善原有系统在线监测并实时显示水仓水位、水泵流量、真空度、电机电电压、电动球阀和电动闸阀的状态、电机和水泵的各部件温度等，实时在线檢测水仓水位，当水位达到上限时能够报警，自动开启水泵；当水位达到下限时，发出信号，自动停泵（在原有系统基础上实现）。

2.系统具有自动，半自动和手动三种工作模式，并能在三种模式之间进行切换，这种切换不会影响已经运行的水泵，以达到真正的无缝衔接。

3.排水自动化系统具有完善的故障报警和保护功能，当系统监测到故障状态时给出声光报警，并在屏幕上显示故障报警界面，等待操作人员处置；若在一定时间内操作人员未给出应答，则系统自动进入开停水泵程序。

4.系统具有历史记录功能，记录每台水泵的运行时间，启动次数。在各泵性能均衡的条件下，各泵采用轮换工作制。在各泵效率有差异时，系统优先启动效率高的水泵；另外，系统还定期启动效率低的备用泵，以防其长期闲置而损坏。

5.系统保留原手动控制，即当PLC控制系统故障时，可恢复原来的人工控制系统。

6.系统具有备用电源，当电网停电后，系统可继续工作2小时以上。

三、水泵集控自动化系统功能的实现

（一）种控制及节能高效工作模式

采用“PLC主站+集控操作台+操作按钮箱”模式架构，实现远程及就地自动、半自动、手动三种控制模式，三种控制模式可以自由切换。PLC接入方式为采用PLC、单片机等控制的子系统（水泵集控自动化系统），管控服务器通过以太环网与PLC的以太网接口相连，且PLC的OPC Server安装在管控服务器中与自动化平台中的管控服务器进行信息交互。

根据水仓水位及“避峰就谷”的用电管控措施[2]，自动确定启动水泵台数及排水时间，根据实时水仓水位实现自动[2]开、停止水泵，对泵组实时状态参数进行采集，并将数据传送到监控主机，进行实时监测、控制及报警显示，以达到优化控制，降低生产成本。另外为了使每台水泵均匀磨损，降低故障风险，系统采用“轮循制”来工作。以每台机组的累积时间为依据，自动选择投入运行的水泵，使每台水泵使用的时间保持均衡，保证设备磨损的平衡，降低故障率。

（二）视频移动巡检

系统可以配套“水泵房视频巡检装置”，实现对每台水泵的视频自动巡检，可以人工定位巡检装置进行定点观察，也可以进行自动往返巡检。系统启动水泵时，巡检装置可以自动移动到相应的水泵，进行视频监控。水泵出现故障时，可以自动定位到故障水泵，便于进行故障诊断。

（三）高效数据分析

煤矿井下排水系统耗电量大，运行成本高，系统通过对单台水泵数据的查询与分析，对设备运行状态进行辅助评价，做出适时维护决策，实现设备的超前检修，以焦作煤业集团赵固（新乡）能源有限责任公司为例，井下主排水泵房三个，水泵集控自动化系统建设前后岗位人员需要情况对比表如下：

四、水泵集控自动化系统的优点

（一）开启水泵的程序优化，在水泵启动完成后再打开出水口闸阀，可使水泵电机启动电流小、启动时间短[7]、设备启动运行稳定。

（二）泵房所有水泵机组地位平等，可以随时就地检修，系统运行时间能够自检，如果出现故障可以立刻投入其他机组运行，不影响井下排水[8]。

（三）可实现水泵均匀运行磨损：每台水泵正常启动以后记录其运行时间，然后进行累计，在住循环中计算出开泵时间累计最短并且处于正常状态和自动方式的泵等待下一次启动[8]。

（四）根据水泵电机的运行参数，了解水泵的运行效率，为水泵的维护保养提供科学依据，延长水泵设备的使用寿命，减少发生事故的停机时间，提高水泵的运行效率[10]。

五、结束语

水泵集控自动化系统成功实现远程操控“水泵房视频巡检装置”监控水泵状态，并实现“井下无人值守”，从根本上解决了生产效率低下、人员不足等问题，完善了原有系统设备的检测缺陷，实现远程控制及时判断设备运行状态，实现在线状态检测，有效的做到了設备预维修。

实现“无人值守”、“避峰就谷”，有效降低了系统的运行成本，提高了系统的安全性、可靠性，同时也起到了节能降耗的作用；实现了设备集中监控[3]，减少了现场的操作人员，提高了系统的运行效率，切实的为矿山企业等带来了经济效益，为“数字化”、“智能化”矿山的建设奠定了坚定的基础。