煤矿排水系统水泵自动控制设计及应用*

布朋生

(中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

矿井水害是在煤矿开采过程中，煤层涌水急剧增加，或破坏地下储水层结构导致突水事故，井下积水超出主、副储水仓的储水能力发生水仓溢仓的现象。矿井水害会严重影响煤矿正常生产，甚至发生伤亡等重大事故。煤矿井下排水系统的安全、稳定、可靠运行,是减少或杜绝矿井水害的有效措施之一。国内外煤矿科研机构和企业积极开展排水系统自动化的研究和实践，主要是将继电器控制技术、PLC控制技术及智能控制技术引入排水系统自动控制过程[1-3]。目前我国部分大型煤矿企业已经实现了排水系统机械控制自动化，排水系统全过程的自动化运行、智能化控制也进入实质性试验阶段。但排水系统自动控制设备在使用中暴露出诸多问题，如控制策略单一、保护措施落后、设备维护困难等。本文以PLC控制技术为基础，在介绍排水系统模型的基础上，重点分析了排水系统水泵的硬件结构和软件设计，实现排水系统水泵的自动运行控制过程，增强排水系统的保护措施，降低设备的维护难度。

1 排水系统模型

排水系统模型如图1所示。其中:H2、H1分别为储水仓的高、低水位。u(k)为水泵的决策向量，表示为u(k)={u1(k),u2(k),…,un(k)}。ui(k)∈{0,1}表示第i台水泵在k时刻的状态，0表示水泵停止，1表示水泵开启。q(k)为涌水量与储水仓水位的函数，表示为q(k)=KH(k)，K为常数[4]。排水系统的目标是将q(k)控制在H1

图1 排水系统模型

2 硬件设计

2.1 硬件结构

排水系统水泵自动控制系统的硬件结构如图2所示，主要分为4个模块，即PLC控制模块、开关量处理模块、模拟量处理模块及通信模块[5]。PLC控制模块由PLC控制器和扩展模块(DI/DO/AI/AO及通信扩展模块)组成。在获取用于水泵控制的各个参数后，按照水泵启停自动控制流程对排水水泵进行逻辑控制；同时，将水泵运行时的系统信息、参数信息进行汇总并通过以太网接口上传至HMI人机界面或矿井环网。开关量处理模块用于获取水泵电动机启动/停止控制点，各电动球阀、电磁阀控制点，还包括报警控制、控制方式选择及水泵状态等。模拟量处理模块用于获取出水口压力、入水口真空度、水仓实时水位,以及电动机电流、电压、温度等模拟量信息。水泵电动机在启动时，检查并确认出水口压力、入水口真空度。在水泵工作过程中，依据储水仓水位进行水泵工作状态、工作模式的转换。通信模块用于将排水系统的水泵自动运行状态、参数、报警、故障等信息进行传送，在HMI人机界面或监控平台上显示和控制，并将所有信息传送至矿井工业环网，用于矿井排水系统后期的集中控制。

图2 排水自动控制系统硬件结构

当信息传送时，必须考虑数据的正确性和安全性，可以采用CRC循环冗余校验、奇偶校验、BCC异或校验法及海明码校验等手段保证数据的正确，或者采用DES、AES、RSA、DSA、ECC等非对称加密算法。

2.2 保护设计

为增强排水系统水泵自动控制过程的安全性、稳定性，保证排水系统连续、有序运行，在电路设计中增加开关量隔离保护电路、模拟量隔离保护电路、以太网隔离保护电路及抗干扰保护电路。

图3为用于开关量隔离的光耦隔离栅原理，综合利用本质安全型电源技术和光电隔离技术，将本质安全型电源、开关电源、输入信号、输出信号进行隔离，保证信号的安全性与稳定性。图4为用于模拟量隔离保护的隔离式安全栅原理，将光、电、磁隔离技术融于一体，实现本质安全、非本质安全电路之间电源、输入信号、输出信号的隔离。当有危险电压、电流进入时，实现快速切换功能，并且信号完全浮空，极大提高了信号的抗干扰能力。将网络隔离变压器应用于以太网信号隔离，利用耦合滤波原理实现数据信号的可靠传输[6]。另外，排水系统中的通信线都采用双绞屏蔽线，减少信号干扰。变压器初级、次级间采用屏蔽层隔离，隔离板接地，次级线圈不接地，以减少或消除寄生电容，提高抗共模干扰能力。

图3 光耦隔离栅原理

图4 隔离式安全栅原理

3 软件设计

所设计排水系统一共有工作、备用及检修3台水泵。软件设计的目标是根据储水仓水位对3台水泵进行启动/停止自动控制。单台水泵电动机的自动运行控制过程如图5所示。储水仓水位达到开泵条件，排水系统无故障即满足开泵条件。开泵前，预警30 s，并发出“水泵电动机即将开启，请注意安全”的安全语音提示。语音提示结束后，依次开启对应水泵的真空阀、射流阀并将水泵内的空气排出，进行水泵腔体注水过程。获取真空度传感器信息，判断真空度是否满足要求。如果真空度不满足要求，延时时间T1后没有超时，则重新进行排气注水过程；如果延时时间T1超时，则关闭射流阀。如果真空度满足要求，则进入开电动机过程，然后依次关闭射流阀、真空阀。此时,水泵电动机已经运行，检查该水泵电动机出水口压力。如果出水口压力满足出水要求，则打开出水闸阀进行排水作业；如果出水口压力不满足要求，则延时时间T2。在T2时间内水泵电动机处于运行状态，在T2时间外排水系统发出声光报警。

图5 水泵自动运行控制流程

当排水系统水泵电机运行一段时间后，若储水仓水位满足水泵停机要求，则进行水泵停机过程,反之则系统继续运行。如果在系统运行过程中发生故障，则系统进行声光报警。

4 方案特点

1) 以PLC控制技术为基础，对排水系统水泵进行自动控制设计，可有远程、就地2种控制方式，有手动、半自动、自动3种控制模式，适应不同场合对排水系统的需求。

2) 利用TCP/IP及无线通信技术，将排水系统运行状态、参数信息上传至矿井工业环网，为后续的煤矿井下智能化、少人化提供数据平台。

3) 对排水系统硬件结构进行保护设计，减少电气元器件的故障率，提高排水系统运行效率。

5 应用效果

晋煤集团成庄煤矿一盘区4#排水系统按照所述设计进行自动化升级后，取得了较好的效果，并满足预期设计目标：

1) 对排水系统水泵的控制方式有多种选择，可进行“避峰就谷”控制、“高低水位”控制、“水泵轮换”控制及“水泵定时”控制等。

2) 排水系统保护措施增强，元器件的损坏率降低，电气故障减少，保证了排水系统安全、连续、稳定运行。

3) 设备维护变得简单、处理故障变得方便、运行效率大幅度提高。升级后的排水系统可尝试少人、无人操作，实现排水系统的自动化运行。同时，当排水系统出现故障时，可通过监控平台进行查看并根据故障提示对其进行排除。

6 结论

排水系统是保证煤矿井下安全的重要系统之一。研究并实现排水系统的自动化、智能化是发展方向之一。将人工劳动力从繁琐、复杂的工作中解放出来，促进排水系统的少人化、远程集中控制。后续研究中，可将本文的水泵自动控制过程嵌入到排水系统智能化远程监测平台的大系统中，为实现煤矿“无人则安、少人则安、少时则安”的理念添砖加瓦。