机电设备的自动化改造及维护探析

韩泽飞

（山西高河能源有限公司，山西长治 047100）

0 前言

对于煤矿企业来说，机电设备在煤矿开采中发挥着极大的作用。但是在煤矿开采中，很多煤矿由于开采时间较长，设备投入运行的时间也较长，机电设备控制系统不少依旧是采用继电接触式控制方式。此种控制方式要求安装非常多的继电控制装置，而且在控制动作执行过程中不够迅速，很难开展相对复杂的控制工作，在实际控制过程中线路的节点位置较多，极易发生故障问题，而且机电设备在运行过程中的能耗也较大，运行效率较低。在科学技术快速发展的过程中，很多煤矿企业逐渐对以往所使用的继电控制系统通过PLC技术与网络技术加以改造，确保对继电设备的自动化控制[1]。通过设备的自动化改造，希望达到节能降耗的目标，同时希望能够增加设备运行的安全性以及效率。

在煤矿生产之中井下排水系统是极为重要的系统，同时也是矿井五大系统之一，排水设备运行情况将对整个矿井生产造成直接影响。由于煤矿开采时，不同来源的地下水持续涌近矿井，要想保证煤矿开采工作的正常进行，同时确保井下作业人员的人身安全，要求应当将井下涌水及时排出地面[2]。要求矿井排水系统应当拥有更高的自动化水平，这样才能确保矿井排水的安全性，为煤矿开采工作提供可靠的保障。

1 矿井概况

某煤矿采用的开采方式为竖井开采，开采过程中矿井的涌水量相对大，矿井全天排水量均值是142 m3/h，雨季单天最大排水量高达306 m3/h。矿井注水泵站的水仓设置为一主两副形式，之所以设置两个副水仓设置，主要是为了能够轮流开展沉淀工作，以便工作人员有时间对涌水之中夹杂的杂物、淤泥以及砂石细颗粒等进行清理，从而确保主水仓之中水体质量。主水仓的容积值达500 m3，副水仓的容积值达200 m3。所使用的排水泵为DAI型离心式水泵，水泵扬程值为246 m，额定流量为160 m3/h。水泵排水系统一共包含有两路排水管道，直接和地面相通，其中一个正常使用而另外一个作为备用，管道的直径是150 mm。在进水过程中是利用真空水箱人工注水方法，应用的控制方式依旧为继电器控制方式，为了有效地对排水系统加以控制，还安排了专门人员完成具体的系统操作工作，整个控制过程自动化水平相对落后[3]。在水泵的开启、停运以及切换等过程中，均需要借助人工操作，很大程度上依赖于工作人员自身经验，而且人工劳动强度较高，控制效率较低，水泵在开启、停运以及实时运行数据等无法得以有效监测。

2 水泵系统排水中可实现自动化操作的过程

在水泵设备的控制系统之中，能够实现自动化的环节有以下几个：注水环节、闸阀操作环节、水位监测环节、电机开启与停运环节、故障监测环节以及参数信息传输环节。

（1）注水环节。在水泵运行之前，要求水泵应当事先注满水之后，确保水泵设备中叶轮部件能够全部浸没在水里，这样在叶轮旋转时，才可以确保水泵内部形成一定真空度，从而使得水泵能够达到排水的目的。要是水泵内部的真空度较小，水泵之中存在空气会导致无法上水，或者出现汽蚀问题。在自动注水操作中，通常采用的方式为加设射流泵加以实现[4]。

（2）闸阀操作环节。在水泵开始启动时，应当确保出水阀门处于关闭状态，而在水泵停止运行时，应当确保闸阀事先关闭，这样才能有效防治水锤问题出现，确保水流量能够逐步减少，此时才能够停车。而要想达到上述要求，完成闸阀自动操作，要采用适宜于井下排水的闸阀装置，这样才能确保水泵系统自动化控制功能得以实现。

（3）电动机自动控制环节。在对排水设备进行自动化改造的过程中，其中最为重要的工作便是确保水泵电机设备开启以及停运能够实现自动化控制，其包含有PLC控制装置、继电器装置和接触器装置等，在自动化控制改造过程中，根据水仓之中具体水位值，自动完成水泵开启与停运工作[5]。为了确保备用水泵在长时间停运的状况之下电机线圈不会由于受潮湿而发生故障，在具体的运行过程中采取轮换运行方式，这样便能够确保水泵设备在发生问题情况下能够及早被发现。

（4）水位自动监测环节。若想实现排水设备的自动化运行，要求必须对水仓之中水位进行自动化的监控，这一工序之中最为关键的内容是要保证实时、准确地对水位情况加以监控。现阶段，在对水位监测过程中可以使用超声波液位传感装置以及投入式液位传感装置。

3 自动排水系统的改造与维护

3.1 自动排水系统改造原理分析

在经过改造之后，排水系统的进水端口使用的是无底阀门，并且利用真空注水桶完成自动注水以及排水作业，在出口位置设置型号为JD745的控制阀门。在对主水仓之中水位信号进行监测过程中，利用液位传感装置进行监测工作。在出口位置设置有压力传感装置，以便对排水过程中的压力进行实时监测。在对电动机以及水泵进行监测过程中，采用电流传感装置以及温度传感装置进行监测[6]。并且，在水泵的排水管道之上还设置有电磁流量监测装置，该装置主要是用来监测排水管道之中的流量。PLC控制装置则依照水仓之中不同水位情况以及电网之中峰谷不同时段，来确定水泵的具体开启或者停运操作，并且计算水泵开启的数量。PLC装置还会对注水电磁阀门进行实时控制，在水泵启动过程中采用直接启动方式。

（1）水泵设备的启动：首先完成电动阀门的启动工作，并且往水泵腔体之中注入水，在经过1 min之后电动阀门将会自动关闭，此时水泵设备便开始启动，在水泵出水之后控制闸阀便会依照两边不同的压力差值而自动、缓慢开启，最后完成整个水泵开启工作。

（2）水泵设备的停运：水泵停止运行过程中，多功能闸阀会依照两端的压差值而自动、缓慢关闭。

（3）被控制对象：在自动化操作过程中，所控制主要对象包含有安装于管道之中的电动阀门以及自动注水阀门。

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之中水位的具体波动情况，而且会把所收集的水位信号加以转换，从而得出单位时间之中各个水位段的水位具体上升情况，对井下涌水量进行判断，并根据判断结果对水泵的开启以及停运进行实时控制[7]。井下水泵自动控制流程示意图如图1所示。

图1 井下水泵自动控制流程示意图

3.2 自动化改造控制方案

3.2.1 水泵启动过程

（1）确定需要开启的水泵设备以及对应管路；

（2）完成水泵的启动自动化操作。

3.2.2 水泵停运过程

（1）确定需要停运的水泵设备以及对应管路；

（2）完成水泵的停运自动化操作。

3.2.3 应急水泵启动过程

若是集控装置发生失效问题，便会启动水泵就地控制系统，也就是借助于组合开关柜装置完成水泵设备的开启以及停运操作。

3.2.4 水位实施监测和保证避峰就谷

要想确保排水系统能够达到煤矿开采作业中的相关要求，同时实现避峰就谷的用电目标，进行自动化程序的设计过程中，结合煤矿井下的涌水量现状，把水仓从下往上划分成了4个不同的水位线，分别为1号、2号、3号以及4号水位线。若是水位在2号水位线之下，则表明此时水位为安全水位；若是水位位于2号水位线以及3号水位线之间，则表明此时水位为低警戒水位；若是水位位于3号水位线以及4号水位线之间，则表明此时水位为中等警戒水位；若是水位在4号水位线之上，则表明此时水位为高警戒水位。要是水位达到了4号警戒线位置，则系统便会自动发出报警信号。在对水仓之中水位进行监测的过程中，采用的2台安装于水仓相同高度的超声波液位传感装置[8]。

若想达到节约电能的目标，便应当确保能够实现避峰就谷的用电目标，不过由于矿井的作业环境相对较差，首先应当考虑的是系统运行安全性。所以，在进行水泵设备开启的判断操作时，首先要分析水仓之中水位波动情况，然后再尽可能达到避峰就谷的用电要求。

（1）若是水位位于2号水位线位置，要是此时用电时间为平段或者谷段，则要求应即刻开启水泵，要是此时用电时间为峰段，则应当暂时延迟水泵启动时间。

（2）若是水位位于3号水位线位置，那么不管是在哪一种用电时段，均要求即刻开启水泵进行排水作业。

（3）要是只有1台水泵投入运行，水位依旧出现上升问题，此时应当即刻开启另外1台水泵设备。

（4）若是出现了较为紧急的状况，例如井下出现较大的涌水量，则不管是电网用电情况怎样，均必须同时启动2台工作水泵进行排水作业，而且还要启动备用水泵同时进行排水作业。

4 排水系统自动化改造的优势分析

（1）在对排水系统进行自动化改造的过程中，应用CP1H作为整个系统的主要控制装置，由于该装置性能非常稳定，从而确保了整个控制系统的可靠性进一步提升。

（2）通过自动控制的方式，能够实现井下水泵房无人值守目标。

（3）自动控制系统可以自动完成水泵设备开启与停运操作，依照水仓之中水位具体情况，若是水位出现高、低限，或者是水位的增长速率较快情况下，可以实时发出警报信号。

（4）在集控显示设备之中能够实时的发布设备运行情况，并且可以显示出水仓之中水位变化数据，出现故障问题对应的故障点还会不断闪烁，以发出报警信号。