大柳塔煤矿井下中转水仓自动化改造

王 飞，罗 伟

(神东煤炭集团，陕西 神木 719315)

0 引言

煤矿井下水害是影响煤矿安全生产的重大灾害之一，当井下涌水量增加时，若无法及时排出，轻则影响正常安全生产，重则出现重大事故。治理水害的主要手段为防、堵、疏、排、截，排水是主要手段[1]。现阶段，大部分煤矿都使用电动潜水泵作为排水装置，通过人工操作启动器来控制水泵，这种排水方式受人为因素影响较大，排水效果不理想[2-3]。目前，大柳塔煤矿的主要排水水仓都已实现自动化排水，自动排水系统主要由高压电机、离心泵、真空泵、电动阀、球阀等设备组成，感知元件主要有真空度传感器、负压传感器、液位传感器、管路压力传感器、流量计等[4-6]。大柳塔煤矿主排水系统利用传感器、工控计算机、煤矿井下工业网络以及数据库服务器实现了对井下主要排水系统设备的实时监测、自动控制、参数调节，从而使设备运行达到最佳状态，分析历史运行数据对设备故障可以提前预判。

1 中转水仓自动化改造

1.1 改造目标

运行现状：排水系统中转水仓的主要作用是蓄水、沉淀净化、缓解主排水系统压力[7-8]。目前中转水仓的排水主要依靠水位控制，无法对中转水仓的运行状态实时监测，无法配置最优排水方式，且需要人员巡视中转水仓排水情况以及设备运行情况。

改造目标：在安全、可靠、稳定的前提下，利用井下工业控制网络，结合大柳塔煤矿实际情况建设一套中转水仓远程集中控制自动化排水系统，实现矿井各中转水仓附近区域涌水量、水泵运行状态的实时监测与历史运行数据记录的功能。

1.2 设备选型

水泵控制开关：水泵控制开关采用济宁同创矿用隔爆兼本质安全型双回路水泵水位控制器，该控制器是一种新型电机开关，适用于电压1 140 V或660 V，电流5～400 A交流异步电动机的直接起动、停止或反转[9-10]。该控制器集检测、控制、保护于一体，可以通过液晶显示及键盘实现人机对话功能，具有故障记忆及故障查询功能，其断相、过载、短路等保护功能的实现完全模拟电动机的发热散热曲线，对电机的保护切实有效。该控制器可专门作为矿用潜水泵、多级离心泵的控制器，并可以实现控制矿用潜水泵、多级离心泵使用方式的切换，以及数据上传通过网络进行地面控制，实现了RS485、以太网通讯隔离、以太网光信号输出、模拟量信号隔离等功能。

工控服务器：地面安装一台高性能工控服务器，该工控服务器安装定制开发的监控组态软件，可对井下中转水仓相关设备运行情况进行集中监控，并将采集的数据转换为OPC协议数据供PSI系统读取，使数据接入到PSI系统平台。PSI系统是德国PSI公司开发的区域煤矿集中控制系统，它是将煤矿各子系统高度集成在同一个平台上，形成专业调度体系，完全淘汰了过去一个系统需要加装一个显示器的情况。实现煤炭生产从采掘、运输和洗选加工等一体化管理模式。数据监控与共享实现了全矿井跨部门、跨专业、多维度集中管理和控制。

2 控制方式的实现

2.1 水泵控制器控制方式

自动方式：该控制器在自动方式下控制矿用潜水泵时功能实现的具体方式如下。①当高位检测探头动作(5 V和B2接通即24 V+和I2.2接通)以及低位检测探头动作(5 V和B1接通即24 V+和I2.1接通)后，主回路工作(24 V-和Q0.0接通)，1号水泵启动，当水位下降到低位检测探头不动作(5 V和B1断开即24 V+和I2.1断开)后，主回路停止工作，1号水泵停车；如此循环；②当高位检测探头动作(5 V和B2接通即24 V+和I2.2接通)以及低位检测探头动作(5 V和B1接通即24 V+和I2.1接通)后，主回路工作(24 V-和Q0.0接通)，1号水泵启动，如果水位继续上升，升到超高位检测探头动作(5 V和B3接通即24 V+和I2.3接通)后，副回路同时动作(24 V-和Q0.1接通)，2号水泵启动，此时2台水泵同时工作，当水位下降到低位检测探头不动作(5 V和B1断开即24 V+和I2.1断开)后，主副2个回路停止工作，1号、2号水泵停车；如此循环；③当高位检测探头动作(5 V和B2接通即24 V+和I2.2接通)以及低位检测探头动作(5 V和B1接通即24 V+和I2.1接通)后，主回路(24 V-和Q0.0接通)工作，1号水泵启动，当主回路出现故障后，主回路停止工作，1号水泵停车，自动切换到副回路(24 V-和Q0.1接通)工作，2号水泵停车，当水位下降到低位检测探头不动作(5 V和B1断开即24 V+和I2.1断开)后，副回路停止工作，2号水泵停车；如此循环；④控制器在外接液位传感器时，液晶屏可实现水位深度的显示。此时可设定受液位高度控制液位值低于下限值时(0～5 m可调)，主、副回路停止工作；液位值高于上限值时(0～5 m可调)，主回路工作；液位值高于上限值时(0～5 m可调)，主、副回路同时工作。水泵水位控制器电气原理图如图1所示。

图1 水泵水位控制器电气原理

手动方式：该控制器在手动方式下控制矿用潜水泵时可以实现既可单独启动主副2个回路，也可以同时启动主副2个回路。当水泵控制方式在手动状态下可以忽略水位控制信号，通过防爆箱的启动按钮直接启动水泵。

2.2 上位机远程集中控制

自动监控：设计水泵自动监控系统，采用工业组态软件开发监控软件，以RS485总线形式与开关通信，来读取电参量。该系统可以通过千兆以太网和地面调度中心通信实现数据共享，可以通过MPI总线形式于泵房内就地操作屏通信实时显示数据并可对系统进行控制。

可编程控制器：系统采用西门子可编程控制器作为底层核心控制元件(根据系统的大小采用S7-200 SMART)。系统分为就地操作和远方操作，就地操作和显示采用液晶显示器；远方操作采用上位机进行，PLC通过以太网模块连接到工控机，通讯介质采用矿用通信阻燃光纤缆。上位机安装西门子wincc组态软件进行监控(模拟工作状态)、报警及控制等。

2.3 中转水仓系统运行

自动启动停止：水泵水位控制器根据浮球液位开关的状态自动启动停止排水系统，如图2所示。低液位、高液位同时有信号时启动主排水泵，并打开其电动阀，液位低于低液位探头时停止排水系统，并关闭电动阀。低液位超高位同时有信号时启动主、副套排水系统，并打开其电动阀，当液位低于低液位时停止所有排水系统。当主系统有故障时自动向副系统切换。水泵、电动阀、流量计、水位传感器、水泵控制器等设备通过光缆将数据传至地面集控室。

图2 水仓设备总线

实时监控：如图3所示，上位机集中监控人机界面可对井下中转水仓运行状态进行实时监控，对设备运行方式写入，对运行数据导出，对故障信息记录和复位。

图3 上位机集中监控画面

3 结语

大柳塔煤矿中转水仓的自动化改造是神东矿井持续推进智能化无人化矿井建设的一部分。中转水仓在煤矿井下分布范围较广，给排水工作带来较大困难，需要消耗大量的人力资源。中转水仓在自动化改造后，实现了上位机的集中监控，大幅减员增效，提高了矿井安全生产能力。上位机采集各个中转水仓运行数据并记录，为综合分析矿井涌水量提供数据基础，为生产指挥与管理决策提供依据，为矿井智能化无人化发展奠定基础。