煤矿水泵自动化系统的开发和应用

陈晓清

(同煤集团机电装备制造有限公司研发中心， 山西 大同 037003)

0 引 言

煤矿开采过程中，利用井下排水系统能够及时、高效的将地下涌水排出井外，防止发生水害事故，确保矿井生产的安全，在井下排水系统之中，水泵是极为关键的设备，如果在排水系统之中水泵出现故障，不仅会导致煤矿无法正常生产，甚至会出现淹井安全事故，严重的威胁到井下作业人员生命安全[1]。所以，井下排水系统对于保证矿井生产的安全与稳定极为重要，开发水泵自动化系统，自动控制井下排水工作，对于确保煤矿安全生产意义重大。

1 高河煤矿水泵自动化系统整体设计方案

1.1 煤矿水泵自动化系统设计要求

只有科学的安排水泵工作时间，确保水泵安全、高效的工作，才能为矿井开采作业的正常进行提供可靠保障[2]。在煤矿企业信息化建设不断推进过程中，利用井下排水系统实现水泵的自动化控制是一项重要任务。

煤矿井下开采中水泵自动化系统的主要功能如下：

(1) 水泵设备的自动开启与停运，能对水泵故障进行自动化诊断，实现数据自动化处理，达到无人值守的要求。

(2) 通过水泵自动化系统应用能有效的节约资源，实现长期、连续、稳定的工作目标。

1.2 设计原则

(1) 水泵自动化系统在设计过程中应当首要遵循《煤矿安全规程》中的规定以及要求，坚持安全、可靠及稳定的设计原则。

(2) 水泵自动化系统利用现场总线及以太网，实现地面实时监控并与煤矿内部的局域网连接[3]。

(3) 确保设计的水泵自动化系统操作的便捷性，便于开展日常维护工作。

(4) 确保采用的硬件装置能够满足未来系统扩展要求，确保控制器留有较为充足的裕度。

(5) 水泵自动化系统还应当配备完备的系统接口，确保可与另外一些采区的水泵自动化系统集成。

1.3 高河煤矿水泵自动化系统整体设计方案

高河煤矿所设计的水泵自动化系统中包含井下排水管路子系统、自动化控制子系统以及监控子系统。

1.3.1井下排水管路子系统设计概述

井下煤矿排水管路子系统的整体设计图如图1所示，在该子系统中包含有水仓、水井、排水管路、排水泵、软启动装置以及真空泵等多种设备。

图1 井下排水管路子系统的整体设计图

1.3.2自动化控制子系统设计概述

自动化控制子系统整体设计图如图2所示，在自动化控制子系统中，自动化控制最关键的是PLC装置，PLC装置可以全面的对传感器信号信息加以检测，并且通过对信息的分析与处理，发出相应的指令，以实现对执行器的有效控制。

图2 自动化控制子系统整体设计图

1.3.3监控子系统设计概述

监控子系统整体设计图如图3所示，高河煤矿设计的监控子系统包含有自动化系统以及监控系统，自动化系统主要是利用以太网实现自动化的数据收集与传输，而监控系统主要是通过中央泵房的交互界面以及上位机实现。通过监控子系统能够确保地面人员实时掌握井下水泵运行情况，及时发现水泵运行过程中存在的问题，尽快的制定针对性措施，以保障系统稳定、安全运行。

2 高河煤矿自动控制系统的工作原理

在水泵自动控制系统之中，利用PLC装置对水泵具体运行信息进行收集。传感装置会收集水仓中水位的具体波动情况会把所收集的水位信号加以转换，得出单位时间中各水位段的水位具体上升情况，判断井下涌水量，并根据判断结果对水泵的开启以及停运实时控制。井下水泵自动控制流程示意图如图3所示。

图3 井下水泵自动控制流程示意图

2.1 水仓的水位检测

对水泵进行自动化控制水仓的水位检测是极为关键的。要在水泵自动化系统中设置两个水位传感装置，并互为备用，若某个装置出现故障时，另外的装置便能随时运行，确保水泵自动化系统能够正常工作。

2.2 水泵软启动

高河煤矿矿井的中央泵房共安装5台水泵，水泵采用中压固态软启动装置实现软启动控制中。利用软启动方式控制水泵的启动操作，启动时的电流也小，能够确保水泵装置在启动过程中速率更为平稳，确保水泵启动过程中不会对电网造成较大冲击。软启动装置性能优良，在水泵自动化系统中的应用非常广泛。软启动装置包含和电源以及被控水泵串联的三相反并联晶闸管和相应的电路。按照移相控制相关理论，水泵启动阶段晶闸管导通角将会不断的增加，确保水泵装置的端电压值能够按照预设值由零逐步增加，水泵的启动转速以及启动转矩同样也会不断增加，可确保水泵装置能够软启动，保证水泵完全启动后可转变为全电压状态。

2.3 出水口压力检测

在出水口位置安装有压力传感装置，压力传感装置可以对该位置的水压进行实时检测。若水泵处于启动状态，排水闸的阀门没有开启，此时要求排水管中压力值超过预设值才可以确保排水阀门开启，否则表明水泵装置并没有上水，此时应即刻将水泵装置停运。在排水系统处于正常的运行状态下，安装于排水口位置的压力传感装置能对水压加以监测，通过水压的变化情况推断水泵装置具体运行状况，从而及时发现故障，确保系统更加稳定安全的运行。

2.4 水泵自动化工作方式

高河煤矿矿井所设计的水泵自动化系统，无需作业人员现场检测与控制，通过监测系统可自动完成水位检测工作，通过压力传感装置可以检测排水系统中的实时压力值，确保水泵的运行能够实现自动化控制。在地面控制室中能对井下全部设备进行远程的控制，利用上位机装置能对水泵运行状况加以监测。控制室现场图如图4所示。

图4 控制室现场图

采用自动化控制的方式完成水泵控制操作，能够满足井下无人值守的要求，若是水泵装置发生故障问题，还可在线实时报警，同时系统可以自动启动备用水泵。依照水泵投入运行的数量以及对水仓中水位检测情况，得出井下的用水量，进而判断是否需要增加或减少水泵运行数量。

在阀门和水泵间采取联锁启停的方式，同时对所有设备的具体运行情况加以监测，若发现设备运行过程中存在故障问题，则即刻停机并且发出警报信号。为确保启动功率进一步降低，在对离心式水泵进行启动操作时，要求确保出水闸阀门处于关闭状态下才可以开启，在水泵装置停运过程中，为防止发生水锤作用，避免出现坐泵安全事故，应当先将闸阀关闭，确保水流缓慢减少时停泵操作。

3 结 语

煤矿开采过程中，平均开采每吨煤炭所需排出井外的水约3～6 t，有些情况下甚至要排出几十吨水。国内煤矿开采中，井下作业工作消耗电能占据了原煤开采中消耗电能总和的25%左右。若水泵能自动化控制，并采用一些较为先进的节能技术与工艺，每年就能够节约电能约几百万度，仅此一项每年便能节约成本几十万元。而且，通过水泵自动化系统的开发与应用，还能够实现井下水泵房的无人值守目标，同时利用地面监控系统对水泵运行状况加以监控，可以减少井下作业人员数量。采用水泵自动化系统之后，排水系统的检修与维护工作耗时更短，减少了维护工作与检修工作所带来的经济损失。所以，通过水泵自动化系统的开发应用，不仅能够提升矿井生产的自动化水平，实现节能降耗的目标，同时还能够为矿井安全生产提供保障，确保井下作业人员的安全，因此，具有非常显著的经济效益以及社会效益。

参考文献：

[1] 卢美鸿,李正伟.煤矿中央水泵房自动控制系统的设计[J].自动化技术与应用,2017,36(12):126-127+140.

[2] 胡 斌.基于PLC的排水泵站自动控制系统[J].设备管理与维修,2017(19):136-138.

[3] 孟俊文.井下中央水泵房自动化排水系统研究与应用[J].煤矿现代化,2018(1):92-93+96.