煤矿井下排水系统自动化设计分析

台 鹏

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司， 山西 长治 046600）

引言

目前，我国煤矿井下排水设备的控制手段相对单一，自动化程度较低，各排水系统之间相对独立运行，无法实现设备联动，故障率高、反应速度差，在生产过程中一旦发生矿井涌水事故，不仅会造成煤矿停产，而且严重者将造成人员伤亡事故[1]，因此为了提高煤矿井下排水系统整体的可靠性与安全性，提高煤矿井下排水系统的自动化、智能化程度，在结合煤矿行业现有状况的基础上，提出了基于自动化控制的集成控制系统，该系统可以实现对煤矿井下各个排水控制系统的集成控制，大幅减少所需地人员，同时极大地提高煤矿井下排水系统安全性和可靠性。

1 井下排水系统整体结构设计

为了实现对煤矿井下排水系统的集中控制，自动化排水系统应该具有以下核心功能：

1）PLC控制系统。该功能要求煤矿井下排水系统的控制系统能够实现对各区域排水系统运行时的电压、电流、流量、水压等各种系统实时运行信号的采集、分析、筛选、控制。

2）参数显示功能。该功能要求系统所采用的组态控制软件具有对水仓水位、流量、压力、管路静压、电路控制系统的电流、电压等信息的实时动态显示功能，便于管理人员能够实时、直观地掌握各分站点排水设备和系统的运行情况，能够方便、快捷地对各设备的运行传递工作指令。

3）故障监测及保护功能。煤矿井下排水设备控制系统的故障监测及保护功能是指控制系统对设备在运行过程中的电压、电流、漏电保护、流量、水压、水泵漏水保护、电机超温保护等[2]的运行信息进行实时监测，当发现被监测信号超过设定的区间时，系统自动采取断电、调整、修复、报警等处理措施，避免设备更大事故的发生。

4）控制系统冗余设计。为保证自动化控制系统具有高度的适应性及强大的抗干扰能力，要求在自动化控制系统设计时采用冗余设计的概念，确保自动化控制系统在后续使用中的稳定性。

根据井下排水自动化系统所需要实现的功能，其主要包括地面集控中心、数据网络及井下水泵房的监控单元组成，其构成示意图如图1所示。

图1 井下排水自动控制系统结构示意图

地面集控中心是井下排水自动化控制系统的核心单元，其位于地面，在地面集控中心设置有控制大厅，工作人员通过控制大厅内的监控设施即可实现对煤矿井下所有排水设备运行情况的实时掌握。集控中心内设置有监控站、实时运行、控制参数显示屏、UPS不间断电源等。

数据网络是联系地面集控中心与井下设备控制单元的核心通信单元[3]，为了确保信号传递的稳定性与及时性，要求在自动化控制系统中所采用的网络系统具有高度稳定性。

井下水泵房的监控单元主要是对排水设备在运行过程中的电压、电流、漏电保护、流量、水压、水泵漏水保护、电机超温保护等信息进行实时监测[4]。

系统处于工作状态时，地面集控中心的PLC控制系统实时对每一个需要控制的物理量所对应的模拟信号进行监测、收集，并对这些收集到的信号进行一定的过滤和处理，使经过处理的信号能更加反映设备真实的运行状况，然后系统将这些信号与在PLC控制系统内设定的初始物理量进行对比，如果对比数据在系统设定的范围内则说明设备一切运行正常，若对比数据超出了设定值域则说明设备运行出现了故障，需要进行报警处理，由控制人员根据系统所反映出的不同的情况采取相应的控制措。同时集控系统所具有的逻辑错误保护功能能够在设备正常运行时对系统的模拟输入量、输出量进行监测，若这些信号之间的关系满足预制的逻辑关系则说明系统运行正常，若不能满足预制的逻辑关系则说明设备运行出现了故障，在设置系统时需要将常见故障的异常逻辑关系进行预制，一旦系统判定所出现的故障满足异常逻辑关系，则即可采取报警、停机等保护措施。

2 井下泵房监控单元的设计

井下泵房监控单元的主要作用是利用分布在一线排水设备控制终端上的信息设备对各排水装置的实时运行状态进行不间断监测与控制并保证排水装置能够正确执行从地面集控中心传递过来的控制信号，保证控制人员能够对设备进行实时的控制，其主要包括CPU控制模块及各种传感器设备，其模拟量输入信号主要由电机温度、流量、水泵真空度等组成，其数字量输入信号、数字量输出信号、及通信模块的构成如图2所示。

图2可以看出，在通信模块上分别装有上位监控计算机设备及电机的电量监控模块，通过这两个数据接口，PLC控制系统可以实时采集到排水设备的驱动电机的运行情况和状态，同时为了保证在电力供应系统发生故障时的正常使用，在上位计算机设备上还配有UPS不间断电源，防止忽然断电导致的数据丢失、系统瘫痪等。

3 控制系统的冗余设计

3.1 PLC的并行设计

PLC的并行设计是指其信号的输入、输出分别位于集控系统内部的两台独立的PLC上，这样在正常工作状态下，一个PLC为主控系统，另一个为辅用系统，两台设备间并行连接，当主控PLC出现故障时可自动或者人工切换到辅用PLC上，从而确保系统的正常的不间断工作，如图3所示，当1号PLC系统闭合时，此PLC即执行主控任务，当1号机出现故障时就切换到2号机接替其开始执行主控任务，但该并行系统中PLC的并列的运行方案只能适用于信号输入快、信号输出点位较少、走线相对容易的中、小规模的控制系统。

图2 井下泵房监控单元结构示意图

图3 PLC并行运行结构示意图

3.2 双机后备控制系统设计

该系统的主要特征是在系统里采用两个完全相同的CPU模块参与系统控制，当一个CPU进行控制时另一个也同时参与到运算控制中但却是处于后备的状态，此时备用CPU能实时复制主CPU内部的数据，当主CPU出现故障时，备用CPU就能立刻调出并执行从主CPU上拷贝的数据，实现立刻接管自动化控制系统的功能。

其他的例如采用表决式冗余系统[5]、使用PLC控制系统与老式的继电器控制系统配合使用的结构等，均可以实现对集成控制系统的冗余设计，具体的需要综合考虑煤矿井下排水装置的实际情况、成本等进行选用。

4 结语

通过分析井下排水系统整体结构的设计，设计符合我国矿山实际的排水系统自动化控制系统。该控制系统采用冗余设计，大幅提高了煤矿井下排水系统的可靠性和稳定性，为煤矿行业的安全生产提供了极强有力的保障。