煤矿井下工作面自动循环供水系统设计

刘翘楚（中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京100120）

由于采煤生产作业的特点，煤矿井下用水具有时间集中，用水量变化较大的特点。煤矿原有供水系统存在成本高，管网负责、距离远、供水不稳定等多种问题；大型工作面单纯依靠地面供水的方式往往不能满足生产需要，为了确保生产系统对供水压力、供水流量的要求，通常配套选型的水泵、电机功率余量较大，设备运行效率低；采用手工操作，人工调节必然导致设备运行滞后；水泵长期高速运行，容易造成机械磨损，减少设备使用寿命。

针对以上问题，本文提出以变频器、PLC、压力传感器、液位传感器、流量传感器等不同功能传感器构成一套全自动供水控制系统，根据管网的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力或流量始终保持在合适的范围，从而解决因供水距离远导致压力不足及小流量时能耗大的问题。经过实际运行证明，采用全自动调节的供水系统，不仅在节约电能、水压稳定性、自动化先进可靠等方面，大大优于传统的供水方式，并且明显提高了设备使用寿命，保证了井下采煤工作面的正常生产需求。

文章在充分研究了煤矿井下供水系统特点的基础上，设计了基于西门子S7-1500PLC 控制的变频恒压供水控制系统；采用本安型压力变送器实时监测出水管路压力值；并对系统流量、液位等信息进行实时采集；并辅以合理的水泵控制策略，保证整个系统运行的可靠性。

1 自动供水控制理论模型

自动供水控制系统以供水出口管网水压恒定为控制目标，在控制上实现动态实时采集、实时跟踪调节；以出水压力、管道流量作为综合判断依据，并且建立控制模型。通过动态实时调节变频器的输出频率，保证满足管路供水压力需求。供水系统示意如图1所示。

图1 供水系统示意图

文章采用PLC 控制变频器，实现煤矿井下自动供水控制。PLC是工业生产中最常见的控制器，其可靠的性能已经被广泛认可，本系统选用西门子S7-1500 系列PLC，并且扩展了模拟量、数字量输入输出模块。通过实时采集管路压力、流量、水位、电机运行参数等信息，控制目标可以在“压力优先”、“流量优先”、“混合控制”之间自由设置，满足生产现场对供水的需求。

2 系统控制程序设计

图2 控制程序设计流程图

2.1 自动控制功能

本着水位优先的原则实现各个水泵的自动控制，当水位达到高位或不在低水位值时，允许水泵开启，之后通过检测管路的压力值，从而自动调节变频器的频率，从而使设备在预设的压力范围内进行工作，当管路压力过低时，可以将备用泵也开启起来，实现稳压。

2.2 手动一键控制功能

根据实际需要也可以从自动控制方式切换到手动控制方式。此方式下操作人员在操作台上人工手动控制。可对单个设备进行启、停操作但是水泵的频率值需要人为设定，并且当水位过低时水泵无法开启。

2.3 就地检修控制

当设置为检修模式时，可直接在开关上或设备附近的检修就地控制箱上人工手动控制。因检修方式闭锁不投入只报警，故检修方式只允许在检修时进行操作。

系统预留了远程通讯接口，接入矿井网络后既可以采用C/S结构在固定计算机上显示、操作，也可以采用B/S模式实现信息的web（IE）浏览。系统采用标准的数据库（SQL）存储底层工业设备运行数据。

3 基于西门子PLC控制自动循环供水控制系统

以安装在各个地方的传感器(矿用管道流量传感器，压力传感器)和控制器(电动阀门装置和电动球阀)为底层核心，内置智能彩屏工控机和西门子PLC；通过环网上传地面，采用专业的上位机监控软件，可远程实时监测管道流量．压力、闸阀开度，可方便检测到故障点、快速远程控制有故障的闸阀，保证工作面的生产，同时减少了大量的人力投入和资源的浪费，有效解决了上述问题。控制系统网络示意图如图3所示。

图3 控制系统网络示意图

4 结语

根据生产系统的实际需求，按照“压力优先”、“流量优先”、“混合控制”之间自由设置，通过安装在现场的压力传感器、流量传感器、液位传感器等不同功能传感器构成一套全自动控制系统，通过PLC 控制系统采集后进行动态实时智能调节，同时可实现数据的上传和远程控制。通过现场实际运行证明，不仅在节约电能、提高供水稳定性稳定性、自动化先进可靠等方面，明显优于传统的供水方式，并且最大化发挥了水泵运行效率，明显提高了设备使用寿命；彻底解决了传统手工操作，人工调节导致设备运行滞后的现状，对煤矿安全高效生产、矿井智能化具有重要意义。