煤矿井下排水自动化控制系统

2021-03-22林斌

工程建设与设计 2021年3期

关键词：水仓控制柜手动

林斌

（华晋焦煤有限责任公司沙曲一号煤矿，山西吕梁 033300）

1 泵房概述

1.1 泵房运行模式

目前，国内煤矿井下泵站的运行大多采用的是传统的人工操作方式，每个泵站要求有值守人员8人，当观察到水仓水位达到一定高位时，人工手动开启水泵往地面排水，当水位达到一定低位时关闭相应水泵。

1.2 存在问题

人工操作开停水泵存在的问题：

1）无水仓水位、水泵排水压力、水泵轴承振动、水泵温度、运行电流等参数的监测，无法客观地判断水泵的运行状况，不能及时对水泵进行检修，导致水泵长时间运转于低效率区间。

2）无法实时判断水仓水位的变化率，涌水事件发生时，不能及时发出预警信号，并将水泵自动起动。

3）泵组维护、泵组故障分析没有准确、可靠的历史数据可以查询。

4）水泵启停操作，均需水泵工于现场操作，水泵开启水位点及启泵流程存在不规范的可能，且需三班值守，占用劳动力多。

5）对各水泵的运行时间没有有效统计，无法做到水泵的均衡使用。

2 设计原则

以PLC控制为核心，将各种外围配套设备监控及环境影响因素都引入整体系统内，通过采用各种数学模型，依据各种运算规则进行数据处理，使各子系统执行最优运行方案[1]。

根据矿井的不同使用要求，依据相关标准，对系统各项数据进行计算，确定最佳方案。根据水仓水位的变化，自动完成排水泵引水、启停、阀门开关等一系列动作。

1）根据电价区间，自动根据“避峰填谷” “均匀磨损”原则运行。

2）拥有“井下自动” “远程操控” “井下手动” “井下一键启动”等多种运行模式。

3）手动控制采用以就地控制柜为基础的不依赖于PLC的纯继电控制。

4）根据涌水量大小、水泵性能曲线及管路特性曲线，计算水泵联合运行的最佳工况点，确定最佳开启水泵、管路参数和数量，确保水泵长期在高效区运行。

5）符合国家数字化矿山标准要求，采用模块化结构设计，可嵌入数字化矿山平台。

6）根据系统配置，真正意义上实现各个环节的“双机热备”功能。

7）可对井下各子系统参数进行监视、报警、存储、查询及打印报表等操作。

8）具备Web发布浏览、手机App等多种远程监测手段。

9）系统与矿井综合调度系统无缝连接，实现数据共享。

3 系统模式

系统采用“分布式多CPU”的控制方式，系统配置2台“PLC集中控制柜”和5台“PLC就地控制柜”。每台水泵对应1套控制装置。系统安全度高，其中，任意1台“PLC控制柜”或者水泵出现问题后，系统均可正常运行，且存在问题的水泵可单独检修，确保泵房自动化控制系统安全稳定的运行[2]。

4 系统功能

4.1 系统工作模式

系统具有自动/远程操控/手动控制/一键启动4种工作模式。

自动模式：根据现场数据设置，自动启停水泵，并动态显示系统内各设备工作状况和系统各种故障显示。根据水仓水位及其他因素，合理调度自动开停水泵及其阀门，在正常水位时，各台水泵能自动轮换工作，水位上升过快时，自动投入必要数量的水泵运行。当运行水泵出现故障时，能及时报警，并自动开启备用水泵。

远程操控：操作人员可在控制室远程控制水泵机组的起停，其余动作仍由PLC自动执行。

手动控制：就地PLC控制柜配置手动控制按钮，选择此模式的泵组，完全脱离PLC控制，系统不受监测信号控制，需要手动操作水泵的各个设备的开停，相互动作，互不闭锁。

一键启动：在现场集中控制柜的触摸屏上，人工确定开泵台数并选择泵组的启动，电机及其阀门的起停由PLC自动执行。

4.2 检测功能

检测内容包括：（1）水仓水位检测；（2）电机工作电流检测；（3）电机温度、振动检测；（4）水泵吸水管真空度；（5）水泵出水口压力；（6）排水管路流量检测。

4.3 保护功能

保护模式：自动排水控制系统在实现自动排水的同时，原排水系统的手动控制仍然有效，大大提高排水系统的可靠性，保证排水安全。

早期预警系统：根据科学的数据模型以及液位传感器对液位的监测，结合水仓的结构及容量准确计算出涌水量，实现透水事故的早期预警。

可靠的真空引水：每台泵组，使用射流引水方式引水，增加电动功能，将原有的射流总管球阀改为DN50双控半球阀，所有球阀均使用不锈钢304材质，保证抽真空系统的正常运行。

电气保护：具有欠电压、失压、过电流、漏电、过负荷等全方位的电气保护功能。同时通过通信将电流、功率、电压信号及相应的故障信号送入水泵自动化系统，由系统判断电路的工作状态，如果流量、压力达不到设定值时，系统给出相应判断并转换下1台机组工作[3]。

4.4 节能功能

均匀磨损：系统自动记录各台泵组的累计运行时间，并进行排序，下次启动时优先启动无故障、运行时间短的水泵投入使用，这样就实现了水泵的均匀磨损，能最大限度地延长泵组的使用寿命。

移峰填谷：当电网执行峰、平、谷阶梯电价时，在保证矿井安全排水的前提下，系统在平、谷段低电价时排水，在峰段高电价时蓄水。设计原理如图1所示。在系统运行过程中，规定水仓内水位不能超过极限水位H5，当设备在“谷段”起泵时，每次排水要求水位下降到停泵水位H1以下，可使水仓在“峰段”时有较大空间容纳涌水；而在“峰段”起泵排水时，在保证水位不超过极限水位H5的基础上，只需要将水位排放至安全水位H4即可，这样可以减少水泵在“峰段”时期的开泵次数，进而达到节能的目的。当水位上升至H5超限水位时，不论电网负荷如何，必须立即启动水泵。若水位继续上升，表明1台水泵的排水量已不足以排除矿井出水，以矿井的最大排水能力来排除矿井涌水。不论投入几台水泵，水位必须下降到停机水位H1后方可停泵。

图1 水仓控制水位示意图

效率优先原则：当执行多台泵组多趟排水管联合运行时，通过图2（效率优先原则：当执行多台泵组多趟排水管联合运行时，通过图2（η为水泵效率，H为扬程）的比较，选择最佳匹配水泵与排水管数量，保证水泵在最佳效率点运行。）的比较，选择最佳匹配水泵与排水管数量，保证水泵在最佳效率点运行。

图2 水泵特性曲线与管路特性曲线图

4.5 通信功能

系统设计遵循矿井综合监控系统标准子系统接口规范，采用TCP/IP、MODBUS、OPC通信技术，提供工业以太网数据通信接口，使该系统可以非常容易地并入矿井综合监控系统中，与其他子系统实现数据的共享[4]。并且可与其他子系统共用井下光纤环网作为数据传输通道，减少子系统数据传输线路，从而节约成本。

4.6 远程运维平台

多数工业泵用户几乎没有系统的科学的维修预报能力。大部分工业泵用户处于应急维修、定期大修。设备状态监测和人工巡检的混合模式。巡检是周期性的，不同用户的周期不同。但是，故障有可能发生在2次检查之间。将泵的各种实时监测数据、甄别和分析方法、诊断依据、保护逻辑内置于云服务器中，可替代人工智能实现对泵设备状况不间断的实时监测，进行傅立叶分析，诊断和维修预警。通过设备远程运维模块，只要在有网络的地方就可以随时访问现场设备，实时监控系统运行状况，分析处理系统异常原因，提供远程技术指导，统计分析水泵运行数据，提供水泵寿命预测及专家分析等功能。根据水泵运行工况，提供泵组“健康”报告。提前评估水泵健康状态，提前安排维修工作，尽量减少停机时间和产量损失。