煤矿井下排水智能化控制系统设计分析

煤炭工业合肥设计研究院有限责任公司 王 瑄

一、前言

煤矿井下环境及地质情况复杂，井下涌水是非常危险的一项因素。如果发生透水除影响生产外，还可能造成淹井事故发生，对人员生命安全造成危险。因此，井下的排水泵就非常重要，其可靠性、安全性影响着矿井生产的效率、安全。当前，许多矿井水泵房排水自动化水平不高，应急能力差，存在很大的安全隐患，为避免事故发生采用半自动化加传统的人工操作方式管理。本系统针对目前矿井排水系统存在的问题，利用先进的传感器技术、通讯技术、计算机技术、网络技术实现了排水系统自动化及通讯水平的极大提高。具有较高的智能化自动化控制水平、先进完善的检测手段和较高的安全性、可靠性。系统投入使用取得了减员增效的目的，已取得良好的经济效益。

二、项目概况

谢桥煤矿-610m井底车场设有中央水泵房，-720m水平井底车场设有辅助排水泵房，-720m井底车场排水进入-610m井底车场水仓，再由-610m排水系统经副井排至工业场地矿井水处理站。

-610m水平中央主排水泵房设有5台矿用耐磨泵，配套电机1400kW、6kV；2台真空泵,配套电机：11kW、660V；泵房内设有1套液压站及15台液压闸阀，在真空管路上配置电动球阀9个。布置三趟主排水管路，设有主、副水仓各1个。

-720m主排水泵房内设有3台矿用耐磨泵，配套电机：160kW，660V；2台真空泵，配套电机：11kW、660V；泵房内设有1套液压站及6台液压闸阀，在真空管路上配置电动球阀7个。布置两趟主排水管路，设有主、副水仓各1个。

-747m水平的泵房设有2台潜水泵，配套电机：37kW、660V，设有两趟排水管路，水仓1个。

-610m、-720m两泵房原有控制系统只可通过操作台手动操作实现各自水泵的开停及对水泵运行状况、数据进行监控。控制系统存在系统老旧不稳定、功能缺陷等问题，另一方面该系统操作程序繁琐，故障率高，且相关设备、备件都难以购买；一旦出现故障无法进行更换修复，系统的安全可靠运行存在隐患。

本次设计对-610m及-720m水平水泵房电控系统进行改造，实现全自动运行及远控功能。建设以无人值守为目标的集中控制与监视系统，提高自动控制水平，并纳入矿井自动化控制系统，减少岗位人员，提高生产效率。

三、系统架构

系统采用分布式控制结构，包括井下控制系统、地面控制系统、视频监控系统及通信系统。井下与地面设交换机，通过光纤以太网方式通讯，并留有与矿井综合自动化系统通讯的接口。实现井下排水系统的全方位集中监控、监视和通信，具有较强的智能化自动化水平。

首先在-720m泵房设置一套自动控制系统，由1套PLC控制主站、1套防爆计算机，1台集中操作台及5台就地控制箱组成，分别对-720m泵房水泵及配套设备和-747m井底泵房潜水泵进行监测、控制、显示记录、保护及报警。该系统可将所有监测、控制信息通过通讯口上传至-610m中央泵房，实现在-610m中央泵房进行集中控制。

同时在-610m泵房也设置一套自动控制系统，由2套PLC控制主站、2套防爆计算机，2台集中操作台及7台就地控制箱组成，可分别对-610m泵房水泵及配套设备、-720m和-747m泵房水泵及配套设备进行监测、控制、显示记录、保护及报警，并通过工业以太网接口与设在矿井生产调度指挥中心的操作站进行通讯，实现在调度指挥中心对泵房的远控，即无人值守，达到管控一体化。

现场配置防爆网络交换机，并装设防爆网络摄像机，实现图像监控上传功能。

四、主要设备和检测传感器

1、系统主站采用隔爆兼本安型可编程控制箱，内置S7系列PLC，电源、输入、输出、模拟量采集、通讯等模块，接受水泵就地控制箱内部的PLC信号。

2、本安型操作台做为集中控制系统的集控操作台，其面板上面镶嵌真彩触摸屏，可以手动或以自动方式操控水泵及配套排水设备，可以直观的了解水泵运行情况及各个设备工作状态、各类仪表实时数据，同时记录水泵运行参数。

3、就地控制箱安装在每台水泵旁，作为单台水泵就地检修控制箱，箱体面板上布置有水泵启动、停止，电动闸阀打开、关闭、停止，电动球阀打开、关闭等操作按钮和指示灯，方便检修人员就地操作水泵及附属设备。箱体面板上集成液晶显示屏，内部配置S7系列PLC，可采集与本台泵相关设备的运行状况、水泵压力、温度、水仓水位等参数，发出控制指令，并与系统主站进行通讯，将单台泵的运行信息上传。

4、每台水泵吸水管位置和出水管位置安装矿用本安型压力传感器用于检测水泵真空度和出水压力。每台水泵射流排真空部分安装两台矿用隔爆型电动球阀，用于实现远程射流排真空控制。每个水仓安装一台超声波水位传感器，用于检测水仓水位。每条主管路安装一台矿用本安型超声波流量传感器，用于检测主管路水流量。

五、系统功能

系统采集-610m、-720m及-747m泵房数据。在集控台上既可实现单台水泵控制，又可实现多台水泵智能优化控制；可实时监测水仓水位、流量、压力、真空度、电机绕组、电机及水泵轴承温度等一系列参数及水泵、闸阀等设备工况；可手动、自动启动或停止水泵的运行，开、关闸阀；具有短路过载等各种保护。系统配带光接口交换机及工业以态网TCP/IP协议模块，可与矿井综合监测监控系统联网，在矿井调度中心相应工作站上对系统工艺及电气参数、设备工况、各类故障实现集中监视。

系统具有良好的人机界面，实时动态显示系统工艺流程画面、设备工况、工艺及电气参数等，实现各参数及设备开停工况的实时及历史趋势显示。并进行相应的数据处理、记录、查询等。

控制系统设置远程、集中、就地控制方式，每台水泵设置工作、备用和检修三种工作方式。

六、系统特点

1、组网功能

本系统PLC控制器提供TCP/IP 的RJ45接口可挂接在矿井的网络交换机上，通过交换机与全矿综合自动化系统连接，并通过点表直接同上位机进行通讯完成远程控制功能以实现“无人值守”。

2、口令保护

多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改，操作口令加密分级保护，不同的用户有不同的权限。

3、无人值守减员增效

将本机工作方式转为“地面控制”或“自动控制”时，各水泵由地面主机或PLC根据自身程序以安全为第一的标准进行控制，最终达到无人值守。

4、削峰填谷降低成本

地面计算机根据每天矿井的用电负荷情况，确定用电高峰、低谷时间，并将参数传给本机，使水泵运行在最经济的时间；根据避峰填谷时间、水位、水位变化率完成自动化排水，并能轮换工作水泵。

5、曲线式水位自动控制

水位监测一直是矿井排水参数中最重要的参数之一，过去常用做法是将水仓水位分为五档：低水位、正常水位、高水位、上限水位、危险水位，通过水位传感器的监测数据判断水位所处档位后执行相应的控制。本系统将固定档位式水位控制更改为曲线式控制，使PLC控制智能化。

6、涌水量增大早预警

根据水仓内的水位传感器实时监测水仓水位，以时间、容积、水位相结合的方式测算出单位时间的涌水量，达到突发事故早发现、早预警、早排水的目的。

7、用水量监测

通过模拟量水位传感器监测单位时间内的上涨速度，测算出矿井的涌水量并结合水位高度确定控制动作，提前了解事故情况，为紧急事故提前预知提前进入紧急排水状态。

8、一键起停操作简单

井下操作台、地面调度均能实现一键开停，系统根据设备顺序自动启动监测各设备数值最后达到自动排水的效果，操作难度下降并减少误操作发生的概率。

9、故障直观易于维护

在现场屏上可汉字显示各故障信息并报警，在地面控制站上可显示现场单元当前的报警信息以及保存的报警记录。当运行的水泵出现轴承超温、高压开关故障、流量不够、正压过低、电流不正常时自动停止运行，并能确切的显示故障位置和类型且有声光报警。

10、故障直观易于维护

在现场触摸屏上可显示故障信息，同时报警。在地面控制站可显示现场单元报警信息，同时将这些记录保存。当水泵出现了如下故障，如电机超温、高压开关出现故障、正压太低、电流不正常等等，均会停止运行，同时显示出故障的位置并且报警。

七、结束语

系统遵循高起点、高技术、高质量、高效率和高效益原则。

做到技术先进，可靠性高，扩展与升级容易，具有故障自诊断功能；并充分利用现有资源，在技术先进的基础上，做到经济实用。

系统具有较高的自动控制、自动监测水平。通过智能化监测控制手段，达到了自动控制，减员增效的目的；达到了对事故早发现、早预警、早排水，降低了事故发生率；根据矿井的用电负荷情况，确定用电高峰、低谷时间，通过削峰填谷使水泵运行在最经济的时间，降低生产成本，提高了排水系统的效率和可靠性，并可延长设备使用寿命。

与其他未投入本系统工程相比，本系统的投入及运行，减少了运行维护人员，可以做到井下无人值守；自动化方式运行，提高了生产效率和可靠性，降低生产成本，长期运行更能显示出其显著的经济效益。