煤矿井下自动化供水系统的设计应用

张纪飞

（兖煤万福能源有限公司，山东 菏泽 274922）

1 工程概况

兖州煤业股份有限公司东滩煤矿副井井底车场深度为-709.97 m，井筒减压水池深度为-350 m，水池容量为100 m3。井下供水系统的控制核心位于副井-3.5 m位置，此处布置一台控制箱、四台两路并联使用的闸阀。矿井用水由地面蓄水池通过管路输送到控制箱，通过闸阀控制水量后，将水输送到井筒减压水池，然后从-650 m水平引出井筒。

原井下供水控制系统采用西门子S7-200控制器，选用Z773-10型液动浆液阀。PLC对采集到的4～20 mA电流信号进行采集分析后控制闸阀开或者关，通过LED数字显示器，显示井筒减压水池水位。该系统由于设计使用时间较长，系统软件、硬件配置均达不到矿井自动化控制的需求。

（1）液动浆液阀通过液压油压入液压缸的上下腔来带动活塞杆做上下动作，从而控制闸门的开或者关。此种浆液阀受外界环境影响较大，由于冬季副井风流较大，温度较低，很容易使液压油油质变稠，影响闸门动作，从而影响供水系统正常运行；液压油长时间使用后需要人员定期检查、维护，增加了人力物力。

（2）液动浆液阀活塞杆位置受行程限位开关控制，由于减压水池容量较小，限位开关动作频繁，容易导致限位开关动作不灵敏，影响供水系统正常运行。

（3）液动浆液阀只有开、关两个位置，不能根据减压水池水位自动调节和显示闸阀开度。

（4）原供水系统数字显示器功能单一，只能进行故障报警和水位显示，无法进行闸阀控制和显示闸阀运行状态。

（5）液动浆液阀不具备远程通讯接口，无法实现远程监控。因此，有必要研究一套适用于煤矿井下供水系统的自动水位监测系统。

2 远程控制系统设计改造方案

2.1 系统改造方案

（1）解决原系统闸阀故障率高、工作不稳定的问题。采用ZJK系列电动闸阀，ZJK系列电动闸阀采用非侵入式结构，不受外界环境温度影响，性能稳定可靠，故障率低，便于操作和维护。

（2）解决原系统闸阀无法进行远程通讯的问题。ZJK系列型电动闸阀采用单片机编程控制，具有485通讯接口，能够将闸阀开度、运行状态、4～20 mA模拟量信号等反馈给PLC，并根据需要控制闸阀任意开度，同时具有就地操作和远程操作两种操作方式。

（3）解决原系统闸阀动作频繁的问题。优化完善程序设计，通过对减压水池的水位检测，设置调整闸阀开度，使减压水池进水量与出水量基本保持平衡，避免电动闸阀频繁动作。

（4）解决原系统数字显示器功能单一，无法进行闸阀控制和显示闸阀运行状态等问题。将副井操作室和副井-3.5 m的数字显示器更换为西门子智能触摸屏，使用MCGS组态软件，并与西门子PLC控制器进行通讯，用于实时显示减压水池水位变化、闸阀开度、参数设定等功能。

（5）解决原系统无法进行远程监控的问题。采用西门子S7-1200PLC控制器，通过工业环网与副井操作室西门子智能触摸屏、区队值班室上位机进行通讯，实现闸阀的远程监控。

2.2 远程控制系统结构

利用两套超声波传感器实时监测井筒减压水池水位，将采集到的4～20 mA模拟量信号传输至副井-3.5 m位置的西门子CPU1214C PLC控制器，调节四台电动闸阀开度控制减压水池水位，并在副井-3.5 m位置和操作室安装西门子智能触摸屏，区队值班室上位机安装组态王软件，通过工业环网与西门子S7-1200进行通讯，用于实时显示减压水池水位变化、故障报警、运行与历史曲线、闸阀开度及远程控制等。系统结构如图1。

图1 系统结构图

2.3 系统硬件配置

系统主要硬件配置见表1。

表1 硬件配置表

2.4 远程控制系统功能

（1）闸阀控制

现场布置4个电动闸阀，首先南北两个闸阀串联，然后东西并联后使用，形成双串双并系统。根据井下用水情况，设定不同的水位及闸阀开度。正常情况下，只需将东侧或者西侧的两台闸阀设置成自动模式，其余两个闸阀设置成手动模式，即可实现电动闸阀的自动化运行，且一用一备。以运行其中一侧的两个闸阀为例，其中一个闸阀设置超高限、高限、中限、低限、超低限五个水位，另一个闸阀设置极高限、中限、极限低三个水位。当减压水池水位在高限和低限之间变化时，系统根据水位信号，通过PLC的PID功能自动调节电动闸阀开度来控制水池供水量，保证井下正常供水。当水位到达超高限或者超低限时，则进行声光报警，同时控制电动闸阀全关或者全开。如果水位处于超高限时，正在运行的电动闸阀发生故障，导致闸阀不能关闭，则同一侧的另外一个闸阀自动关闭。如果水位处于超低限时，正在运行的电动闸阀发生故障，导致闸阀不能打开，则打开备用闸阀进行供水。通过检测减压水池的涌水量可以提前预测水位增长情况，做到提前预知和提前干预。参数设置如图2。（2）远程监控

图2 上位机参数设置与运行曲线界面

副井操作室内的西门子智能触摸屏与副井-3.5 m的西门子S7-1200PLC通过工业网建立通讯，可以实时显示减压水池水位、电动闸阀开度、故障信息、系统参数等。当系统水位发生异常或者电动闸阀出现故障，提升机司机或者检修人员通过操作触摸屏，就能进行故障查询及复位，并且远程控制电动闸阀，保证供水系统稳定运行。触摸屏界面如图3。

图3 触摸屏显示界面

在区队值班室上位机安装组态王软件，通过工业环网与副井-3.5 m的西门子S7-1200PLC建立通讯，除了可以实时显示减压水池水位、电动闸阀开度、故障信息、系统参数等，还具有故障复位、实时曲线显示、历史曲线查询、数据报表打印等功能，并且值班人员通过操作上位机就能实现电动闸阀的远程控制，从而实现供水系统的远程监控。上位机显示界面如图4。

图4 上位机监控主页面

2.5 软件设计

该设计采用西门子S7-1200PLC作为整个控制系统的核心,利用TIA博途软件- Portal V13进行编程。编程界面如图5。

3 结束语

矿井井下自动化供水系统自投入以来，一直保持着平稳的运行状态，实现了系统零故障运行，节省了人力物力，达到了减员增效的目的，大大提高了供水系统的安全可靠性，保证了矿井安全生产，同时为矿井综合自动化改造提供了新思路，也为矿井实现无人值守奠定了基础。